摘要：在当今迅速发展的时代，产品开发与创新需要更丰富的跨学科知识体系，更复杂的技术力量支撑，更完善的创新理论基础。创新技术能将多种领域的科学知识有机地结合起来，促使设计者拓宽思维，打破思维定势，获得突破性的创新知识，为产品创新提供创造性的设计方案。用计算机辅助技术进行创新设计，首先需要清楚人是如何进行思维的，这一点尤为重要。思维过程的模型包括：对象选例模型、约束联想模型、分解综合模型、抽象逆反模型。而创新与其中两种思维模型有着密切的关系，一是抽象和联想，一是分解(分析)和综合。这两种思维操作，有助于设计出相应的创新性计算机辅助设计系统帮助人进行创新设计。 关键词：自行车创新设计系统
创新性计算机辅助设计系统是将辅助设计与人工智能、计算机网络、数据库技术和工业设计结合起来，运用抽象、联想、分析、综合等模型，协助人研制开发出含有新概念、新形状、新功能、新技术的产品。重点研究方向是将信息技术与新技术运用到产品设计的过程中去。
理想的产品创新过程需要数据库做有利支撑，除此之外还要求具备不断搜索新数据库的能力，及时将合适的新技术综合到产品中去。这要求系统具有分解和综合产品的能力，通过分解功能，根据子功能进行联想，用相关技术进行替换；因此，创新过程实际上是一个不断地分解与综合的过程，在此过程中充分
调用抽象与联想功能寻各种替换物，实现产品的创新。潘云鹤院士就特别强调，计算机辅助设计的发展重点在于通过对产品概念和功能的分析与综合，形成一种发散性思维，通过联想和类比，将适合的新技术出来替代原有技术的过程。
现代自行车产品开发越来越注重创新，例如彩的设计，新材料、新工艺、新结构的应用以及多功能设计。本文以大家都比较熟悉的自行车为对象，在研究自行车发展史、结构功能、传动机构、派生形式等多方面资料的基础上，开发自行车计算机辅助设计的创新软件。充分利用面向对象技术、计算机动画技术及多媒体仿真技术，提供多种自行车设计方案，准确而生动地模拟出自行车创新设计过程，能够促使人们积极思考、分析、探索，提高创新能力。同时对提高设计质量，缩短设计周期，增强设计的直观性、形象性，以便集中精力用于创造性研究，具有重要意义和应用价值。本论文的宗旨是为大学生提供一个以自行车为对象的辅助创新设计仿真教学软件，以便他们用此软件进行自行车的方案设计，培养创新精神和创新设计的能力。 1国内外研究现状及发展趋势
1.1创新技术
(1)计算机辅助创新技术
横向切片
创新理论的研究经历了50年代的分解研究和创立阶段，70年代的系统开发阶段，80年代的综合化、专门化研究阶段。九十年代以来，以为理论基础的计算机辅助创新技术在欧美国家得到了广泛研究与应用，成为国外知名企业在尖端技术领域中解决技术难题、实现创新的有效工具。TRIZ称为发明创造方法学，是将人们思考问题、解决问题的过程科学化，为问题的创造性解决提供正确探索方法的科学方法。由Invention Machine公司开发的计算
机辅助创新软件TechOptimizer通过建立问题分析定义、工程学原理知识库、创新原理、系统改善预测等四大模块，有效地辅助设计人员在产品的概念设计、方案设计阶段提出无妥协的创新设计方案，成为企业提高新产品开发能力和经济效益的重要手段。
(2)机械创断设计技术
随着人工智能、智能CAD、认识科学及思维科学等领域的迅速发展及自身需要，许多专家与学者对各自研究领域的创造性思维、设计开发等问题表现出浓厚的兴趣，机械创新设计和新型机构的创新构思已逐步提上议程并日益受到重视。
机械创新设计大多是结构方案的创新设计。结构方案设计极富创造性，是形象思维和抽象思维综合作用的结果。机械创新设计过程中，应探索机械产品创新发明的机理、模式及方法，描述创新过程，将之程序化、定量化、符号化、算法化。而机构系统方案设计过程不仅涉及大量的理论推导和数据计算，
而且需要专家系统和智能工程的支持，完成知识库的设计，推理机及人机接口的开发。利用运动仿真，精确反映机构的运动状态，及时将参数改变对运动带来的影响显示在屏幕上，为设计者正确判断、选择方案提供有益的帮助。
美国、德国等国家首先提倡重视机械创新设计，并己取得显著的成果，形成了独特的设计体系和风格。美国Johnson PC.教授于八十年代初较早从设计方法学的观点总结出机械创新设计的过程和方法，认为必须在结构形式综合上投入创造性力量以及在材料和尺寸的优选上投入大量技术支持。他运用连杆机构分类法、逻辑模块法、蕴含综合法、线图法以及人脑智暴法、自行质疑法、形态矩形法、比拟法等创造性思维法进行了大量的工业事例创新设计并获得成功。
国内肖云龙教授结合大量机电新产品的设计，对创新设计的基本特征、设计原理与创新方法等做了方法学上的较系统而通俗的阐述。汽车香水瓶
目前，机械方案创新设计的计算机支持已取得实质性的进展。国际上，以发明创造方法学为理论基础的计算机辅助创新技术目前在欧美国家有着广泛的研究与应用；智能技术广泛应用于这一领域。国内专家已研制出智能化的计算机辅助机构创新设计软件系统，但它主要针对杆机构的结构类型综合、扩大设计空间、优化方案选择。华中理工大学机械CAD中心、清华大学等院校。在产品方案设计专家系统方面做了大量的工作，先后实现多个方案设计专家系统和开发工具，对总体方案设计思想、知识表
达、求解策略和控制结构等方面进行了详细的描述。总的来说，目前，对于机械创新技术，虽然进行了许多相关的理论方面的研究或探索，但是在实用化方面尚有许多工作待做。
1.2自行车的创新设计研究
通脉汤
自行车的创新设计研究主要包括以下几个方面：生物力学、结构功能、造型设计、传动系统、新型材料、能源驱动等。
(1)自行车的生物力学研究
近年来，自行车创新以人机工程学为出发点，主要集中在生物力学特性的研究方面对骑行中的自行车做了受力分析，指出骑行开始时蹬踏力可达到人体体重的三倍。Hull和他的合作者们研究了骑行生物力学，用五杆平面机构模拟具有圆链轮驱动的脚蹬自行车系统，探讨了脚蹬力和脚蹬速率如何影响骑行过程以及铰链力矩节奏的关系。RayP.S .Han着眼于非圆链轮驱动系统运动学和动力学分析与研究，并对人体作用进行评估，包括关节力矩、腿的角
加速度、输出力等。通过将两自由度的五杆模型简化为杆件长随曲柄变化的等效四杆机构，再求解两链轮臂连杆顶部的位置，得到非圆驱动链轮的形状。同时建议将椭圆链轮和圆链轮结合起来运用：在低速状态下，使用前者，在高速状态下，切换到后者。Redfield对脚踏数据进行测量，估计出曲柄转
角和脚踏角的关系。国内研究人员邓国光从力学角度较为详细地研究了自行车运动员的蹬踏方式，并用微机控制闭环系统—自行车运动训练测试台得出的数据，研究出曲柄旋转角与蹬踏角的关系。
(Z)自行车的多种创新形式
在造型设计方面，现代自行车创新更注重彩设计、新结构、新材料、新工艺的应用以及多功能的设计。设计上由原来的粘接成型车架到整体成型车架再到混合型车架；风格上表现出多样性和仿生性，出现“羚羊型”、“鹿角型”、“白天鹅型”等仿生自行车，“淑女型”等轻便自行车；而尽可能减少空气阻力与增强视觉效果的“流线型”结构和改变驾驶者姿态的“躺式”造型是自行车造型发展的新趋势。
在能源驱动方面，出现太阳能驱动、蒸汽驱动、夜光型、以及很有发展前景的电力驱动自行车。电动自行车作为一种有效替代燃油汽车的绿环保交通工具，在减轻或消除城市环境污染方面发挥作用。
碳纤维、复合材料、镁合金、铝合金等新型材料因其优良的材料特性而被有效地运用到自行车特别是赛车上。开发生产碳纤维自行车和镁铝合金自行车是当今自行车工业领域致力研究的课题。
非圆链轮传动以其在大中心距传动和绕性传动上比变速齿轮传动更具独到特性而运用于自行车上。国内外自行车大赛上常能欣赏到以带传动、圆锥齿轮传动、轴传动、棘轮棘爪传动、无链传动等多种传动形式设计的新型自行车。
自行车的结构形式多种多样，封闭式、独轮式、三轮式、双轮式、多人式等等。而折叠式电动自行车以其结构简便、携带方便成为行业人士的关注焦点；全悬臂式前后叉避震赛车成为运动比赛的亮丽风景线。
多功能自行车是高科技发展的结果，将多种特性有效地集中于一辆自行车上，为人们的使用提供了极大的方便，如水陆两用、多档变速、登山越野、健身保健、智能电动等等。
专家预测，电动、环保、折叠、镁合金材质为特的自行车将成为二十一世纪市场的先锋产品，有取代登山车及避震车的趋势。
自制巧克力模具1.3动画仿真技术
无论是从自行车设计本身，还是从创新软件开发的角度，动画仿真技术都是一个有利的工具。系统模拟以及动画技术常用于表现真实对象或模拟对象随时间变化的行为。利用计算机造型和仿真技术，构造出产品或装置的几何模型和功能模型，对它们进行运动学及其他性能的分析和模拟，可以使设计思想更加直观清晰，设计过程更加合理，从而降低制造成本和试验强度，避免危险性操作。
动画仿真有二维图形动画、三维线框图动画和三维实体图动画。二维实现不存在消隐和阴影处理；三维实体动画效果最形象、最生动，但要进行消隐和阴影等复杂处理，画面刷新的计算量很大。当仿真
软件用于系统性能分析时，一般不考虑实体是否有碰撞干涉，采用二维图形动画即可，以大大缩短动画刷新时间，加快模型执行速度；当仿真用于处理设备的运转过程时，三维实体动画是最佳选择。从性质上看，动画仿真主要有如下两种方式叫:
(1)关键帧动画。在这种方式下，先运行仿真程序，实体运行轨迹连同仿真时钟全部保存，仿真运行结束后，作为动画的驱动数据实现模型画面的刷新。这种后处理动画输出方式需要大量的存储开销，并且由于动画画面不是基于图形模型描述，难免出现动画画面与模型
的不一致性。另外，也不能在仿真运行过程中实时监控，不能及时根据动画显示的仿真结果修改仿真模型，不具备动画与仿真的交互能力。
(2)实时动画。在这种方式下，动画刷新与仿真模型在时间上、数据上同步执行，仿真运行结果及时通过动画显示出来；两者交互，用户可中断运行中的仿真程序，修改模型，运行仿真程序时，直接看到修改处引起的变化。因此，相对于较传统的动画技术，实时动画仿真保证了由实体的状态、事件、活动、进程组成的抽象空间和由文本、图形组成的形象空间完全一致。
目前，国外在动画仿真研究领域比较先进，但相关文献大都针对特定问题进行单项动画仿真研究，有关动画仿真软件的资料也只是介绍使用方法和操作过程。美国在动画仿真技术上卓越的体现是波音777飞机的设计。波音公司采用法国达索/IBM的CA TITS三维设计与仿真系统，用并行方式处理，实现
三维数字化定义，用三维实体模型数字化预装配检验干涉情况，其精度达到前所未有的程度。
我国在计算机动画和动画仿真方面的研究及应用起步较晚，主要处于引进、吸收和消化阶段。目前主要应用领域是二维动画片制作、电视广告、影视片头制作，少量用于视觉模拟和计算机辅助教学。与国外相比，无论在研究开发还是在应用的普及范围上都存在较大差距。我国引进的三维计算机动画有法国的Explofe、美国的Advanced Visualiger, Softmage 3D和加拿大的Alias Animator，微机上运行的3D MAX三维动画系统等。自行研制的动画仿真软件有IMSS 25和HMPS X28等。IMSS (Integrated ManufacturingSimulation Software)由清华大学自动化系和航天航空部204所共同研制，用于制造系统性能分析的一体化制造，具有二维动画功能;HMPS (HorizontalMachining Process Simulator)由清华大学自动化系、华中理工大学机械工程系以及精密仪器系合作开发，以机械加工中心加工过程为仿真对象，具有三维实体图的动画功能。
2创新设计理论及方法
设计在产品的整个生命周期中占有相当重要的位置，从根本上说，决定着产品的品质、质量及成本。只有基于认识理论上的设计过程模型才是充分可靠的。将智能过程模拟出来，必须从思维出发。而创造性思维反映着物质属性和内在、外在的有机联系，是一种可以物化的思想心理活动。在产品的创新设计中，最关键的便是创造性构思与最佳方案的选择。为了进行自行车创新设计，本章在检索、阅读、整理国内外相关文献的基础上，介绍有关创新设计的理论及方法。
2.1设计方法
2.1.1设计技术的发展
设计技术从发展历程上看可以分为三个发展阶段：传统设计、现代设计和先进设计。
传统设计首先主要以人工设计形式为代表，后以计算机辅助设计(CAD)为代表。传统CAD技术依靠算法的结构性能分析和计算机辅助绘图这两大特征，在产品设计中获得了广泛应用。它能完成如最优化设计、有限元分析、计算机绘图等各种计算型工作，但难以胜任推理型工作。
事实上，新产品的研究与开发是一种智能行为，是人的创造力与环境条件交互作用的过程，需要充分应用多学科知识、实践经验、分析推理、运筹决策、综合评价才能取得圆满结果。智能CAD系统则是在传统CAD基础上融入了知识处理系统，能够提供推理、知识库
管理、查询结构等多方面的信息处理功能。将人工智能与数值处理有机结合起来，计算机就能更多地参与到方案决策、结构设计、性能分析、图形处理等设计的全过程当中。
计算机集成制造系统(CIMS)在八十年代迅速发展，先进制造技术应运而生。先进设计技术以人机智能设计系统为代表，更强调系统的集成性，对设计全过程提供一体化的计算机支持。人机智能设计系统相对于现代设计技术阶段的设计型专家系统，具有如下更充分的优越性:
(1)人机智能设计系统是一种面向整个设计过程的开放性知识体系结构。
(2)人机智能设计系统能够处理多领域、多种描述形式的知识，是集成化的大规模知识处理环境。
眼模
(3)考虑专家思维、推理和决策的模型以及设计产品的模型，让计算机在更大范围内、更高水平上对人类专家体的推理过程进行模拟，做出准确而具体的设计决策。
2.1.2设计分类半自动糊箱机
设计的本质是革新和创造。根据设计活动中创造性的大小，可将设计分为三类：常规设计、革新设计和创新设计。
常规设计以成熟技术为基础，在工业生产中大量存在。为满足市场需求，提高产品竞争力，必须改进旧产品，改进生产加工工艺、研制新品种。创新设计和革新设计都具有创造性，但前者在设计探索中最富有挑战性，没有现成的设计规划，甚至没有类似的已有设计作为借鉴，很大程度上凭借设计者的灵感去创造。创新设计的成果一般具有较高的社会价值，形式新颖且独特，值得提倡。后者也称为改进设计，是为增加原有产品的功能或适用范围，提高性能或改进结构、尺寸而进行的部分创造性活动。
设计是一项思维活动，与人的思维密切相关。关于思维科学，著名学者钱学森先生有过深入而系统的
研究。他将人的思维划为三种形式：逻辑思维、形象思维和灵感思维，并指出人的每种思维活动过程并非单纯的一种思维在起作用〔川。这三种思维形式在创造性方面有不同的表现：灵感思维最强，形象思维次之，逻辑思维最次。灵感思维的突发性、偶然性、独创性、模糊性往往是科学研究发生重大突破，对人类产生重大影响。通常，常规设计主要是通过逻辑思维实现的。创新设计通常是采用发散而不是聚合的思维过程的设计，这使得形象思维乃至灵感思维在创新设计中显得尤为重要和突出。
这样，我们可以知道了，(1)设计型专家系统基本属于常规设计和革新设计的范畴，主要模拟人类专家的逻辑思维，解决的主要问题是模式设计以及方案设计(precept design)。(2)人机智能设计系统包括创新设计和革新设计，主要模拟人类专家的形象思维和灵感思维，解决创造性设计问题，以及并行设计(concuurrent design)。
2.2创造性思维和创新原理
创造性思维指能对客观事物之间的联系进行新的探索，并能创造出新的思维形态(如概念、假设、原理和理论等)来概括、反映这些联系的思维过程。其本质是在社会实践需要的制约下，在一定心理结构和操作中，对存储信息和外来信息，经过鉴别和筛选，重新联接和组合的过程。
创造性思维具有目的性、求异性、突变性等特征，表现为逻辑思维和非逻辑思维两种基本类型。逻辑思维主要运用概念、判断、推理的思维形式，包括归纳逻辑、演绎逻辑和数理逻辑，对产品创新进行
程序化、量化或公式化分析。变换合成法是一典型的以逻辑思维为基础的创新技法。非逻辑思维包括联想、形象思维、灵感、创造性想象等多种方式，经过理性
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议