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工程領(lǐng)域中的概念設(shè)計及創(chuàng)新
摘要：本文論述了工程領(lǐng)域中的概念設(shè)計的主要原理和功能；闡述了概念設(shè)計與創(chuàng)造性思維和技術(shù)創(chuàng)新的內(nèi)在聯(lián)系；舉出了各種創(chuàng)造性思維的形式并分析了其特點；強調(diào)技術(shù)創(chuàng)新在概念設(shè)計中的重要的作用；根據(jù)作者本人所在的設(shè)計群體多年來的設(shè)計經(jīng)驗和體會總結(jié)出一系列的創(chuàng)新技法，并結(jié)合工程設(shè)計領(lǐng)域中的概念設(shè)計創(chuàng)新實踐，列舉了若干種含有技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)品概念設(shè)計范例。關(guān)鍵詞：工程設(shè)計，概念設(shè)計，創(chuàng)造性思維，創(chuàng)新
1 工程領(lǐng)域中的概念設(shè)計
現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，尤其是微電子、信息、新材料及集成技術(shù)的進展，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化，機電一體化、模塊化已成為工程產(chǎn)品的發(fā)展趨勢；計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，深刻的影響著設(shè)計開發(fā)過程、制造過程、營銷和售后服務(wù)過程，并改變著產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能；先進工藝技術(shù)和先進制造技術(shù)為現(xiàn)代工程設(shè)計提供了前所未有的工藝技術(shù)手段和社會化制造體系。這些變化都深刻地影響著工程設(shè)計的發(fā)展。
工程設(shè)計是人們運用科技知識和方法，有目標地創(chuàng)造工程產(chǎn)品構(gòu)思和計劃的過程，幾乎涉及到人類活動的全部領(lǐng)域。工程設(shè)計的費用往往只占最終產(chǎn)品成本的一小部分（8 ~ 15%），然而它對產(chǎn)品的先進性和競爭能力卻起著決定性的影響,并往往決定70 ~ 80%的制造成本和營銷服務(wù)成本。所以說工程設(shè)計是現(xiàn)代社會工業(yè)文明的最重要的支柱，是工業(yè)創(chuàng)新的核心環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)代社會生產(chǎn)力的龍頭。工程設(shè)計的水平和能力是一個國家和地區(qū)工業(yè)創(chuàng)新能力和競爭能力的決定性因素之一。
工程設(shè)計的全過程就是不斷建立各種模型，并不斷進行綜合和分析的過程，即反復(fù)地創(chuàng)造模型和評價模型的過程。工程設(shè)計的內(nèi)容大致可分為兩類：一類是數(shù)值計算型的工作，包括大量的計算、分析、繪圖、編寫說明書和填寫各種表格；另一類是符號推理性的工作，主要是方案設(shè)計工作。在設(shè)計方法學(xué)中，前者稱之為細節(jié)設(shè)計，后者稱之為概念設(shè)計。概念設(shè)計主要包括功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩大部分。其作用主要體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段，把主設(shè)計師根據(jù)產(chǎn)品功能的需求而萌發(fā)出來的原始構(gòu)思和沖動形成產(chǎn)品的主體框架，及它應(yīng)包括的各主要模塊和組件，以完成整體布局和外型初步設(shè)計。然后進行評估和優(yōu)化，確定整體設(shè)計方案。再由各責(zé)任設(shè)計師把總設(shè)計師的設(shè)計思想落實到具體設(shè)計中去，實現(xiàn)細節(jié)設(shè)計�？梢姼拍钤O(shè)計是個創(chuàng)造性過程，它要求設(shè)計者能綜合運用許多學(xué)科的專門知識和豐富的實踐經(jīng)驗，并通過廣泛的調(diào)查研究而占有大量的信息資料，再經(jīng)過反復(fù)思考、推理和決策，才能創(chuàng)造出與眾不同的、滿足用戶要求的設(shè)計方案來。
在工程設(shè)計領(lǐng)域中存在這樣一個誤區(qū)：設(shè)計、構(gòu)思的原始沖動是三維概念，最終設(shè)計實施之結(jié)果即產(chǎn)品也是三維形體�？墒嵌嗄陙硪远S繪圖為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計、制造模式嚴重地束縛了工程技術(shù)人員的創(chuàng)造力和想象力，成為創(chuàng)新的桎枯。
三維建模技術(shù)的崛起以及虛擬制造技術(shù)的出現(xiàn)為概念設(shè)計和創(chuàng)新提供了一種極好的工作平臺，設(shè)計師們可以直接從三維概念和構(gòu)思入手，進行概念設(shè)計，形成產(chǎn)品的初步框架，然后進一步通過工程分析、數(shù)字仿真、虛擬現(xiàn)實等高新技術(shù)手段來分析和評價設(shè)計方案的可行性及未來產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性。這種設(shè)計方法尤其能充分發(fā)揮自頂向下的設(shè)計過程中,設(shè)計者的智慧和創(chuàng)新能力，不必拘泥于平面圖紙的限制和束縛，而把主要精力聚焦于創(chuàng)造性的勞動——創(chuàng)新。
2 概念設(shè)計與創(chuàng)造性思維和技術(shù)創(chuàng)新
2.1 創(chuàng)造性思維及其特點
要設(shè)計就要有創(chuàng)新，而創(chuàng)新正是設(shè)計人員進行創(chuàng)造性思維的結(jié)果。設(shè)計人員要打破習(xí)慣性思維，變換角度，開闊視野，才能使自己的創(chuàng)造力得到更充分的發(fā)揮。創(chuàng)造性思維是指有創(chuàng)建的思維，即通過思維，不僅能揭示事物的本質(zhì)，而且能在此基礎(chǔ)上提供新的、具有社會價值的產(chǎn)物。創(chuàng)造性思維有擴散思維和集中思維、邏輯思維和形象思維、直覺思維和靈感思維等多種形式。在工程設(shè)計的概念設(shè)計中，要努力發(fā)掘創(chuàng)造性思維的能力，充分注意擴散思維和集中思維的辨證統(tǒng)一，準確把握邏輯思維和形象思維的巧妙結(jié)合，善于捕捉直覺思維和靈感思維的“閃光和亮點”，這樣才有可能設(shè)計出新穎、獨特、有創(chuàng)意的產(chǎn)品。
創(chuàng)造性思維具有如下一些特點：
�。�1）獨創(chuàng)性：創(chuàng)造性思維所要解決的問題是不能用常規(guī)、傳統(tǒng)的方式解決的問題。它要求重新組織觀念，以便產(chǎn)生某種至少以前在思維者頭腦中不存在的、新穎的、獨特的思維。這就是它的獨創(chuàng)性。獨創(chuàng)性要求人們敢于對司空見慣或“完美無缺”的事物提出懷疑，敢于向傳統(tǒng)的陳規(guī)舊習(xí)挑戰(zhàn)，敢于否定自己思想上的“框框”, 從新的角度分析問題、認識問題。
（2）連動性：創(chuàng)造性思維又是一種連動思維，它引導(dǎo)人們由已知探索未知，開拓思路。連動思維表現(xiàn)為縱向、橫向和逆向連動�？v向連動針對某現(xiàn)象或問題進行縱深思考，探詢其本質(zhì)而得到新的啟發(fā)。橫向連動則通過某一現(xiàn)象聯(lián)想到特點與它相似或相關(guān)的事物，從而得到該現(xiàn)象的新應(yīng)用。逆向連動則是針對現(xiàn)象、問題或解法，分析其相反的方面，從順推到逆推，從另一角度探索新的途徑。
（3）多向性：創(chuàng)造性思維要求向多個方向發(fā)展，尋求新的思路�？梢詮囊稽c向多個方向擴散；也可以從不同角度對同一個問題進行思考、解決。
（4）善于想象：創(chuàng)造性思維要求思維者善于想象，善于結(jié)合以往的知識和經(jīng)驗在頭腦里形成新的形象，善于把觀念的東西形象化。愛因斯坦有一句名言：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉�！敝挥猩朴谙胂�，才有可能跳出現(xiàn)有事實的圈子，才有可能創(chuàng)新。
（5）突變性：直覺思維、靈感思維是在創(chuàng)造性思維中出現(xiàn)的一種突如其來的領(lǐng)悟或理解。它往往表現(xiàn)為思維邏輯的中斷，出現(xiàn)思想的飛躍，突然閃現(xiàn)出一種新設(shè)想、新觀念，使對問題的思考突破原有的框架，從而使問題得以解決。
2.2 概念設(shè)計呼喚技術(shù)創(chuàng)新
技術(shù)創(chuàng)新在概念設(shè)計中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。概念設(shè)計中技術(shù)創(chuàng)新的本質(zhì)就是要在工程設(shè)計領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)某種新事物、提出某種新思想，在很多情況下是因為現(xiàn)有的產(chǎn)品不能滿足社會（用戶）的需求而激發(fā)出的新穎構(gòu)思和創(chuàng)見。技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)是知識的積累和靈感的迸發(fā)，是設(shè)計人員進行創(chuàng)造性思維的結(jié)果。創(chuàng)新本身就意味著不拘一格，不局限也不依賴于某種特定的模式，以下諸多方面都是孕育技術(shù)創(chuàng)新的土壤：
（1） 多項現(xiàn)有技術(shù)的有機結(jié)合或綜合運用往往會產(chǎn)生意想不到的效果；
（2）
; 對已有知識的創(chuàng)造性總結(jié)和應(yīng)用常常帶來重大的科技突破；
（3） 突發(fā)奇想但經(jīng)過科學(xué)論證或?qū)嶒炞C明所產(chǎn)生的新思路、新方法、新技術(shù)；
（4） 新知識與現(xiàn)有知識的合理嫁接；
（5） 產(chǎn)品功能上的兼收并蓄和去粗取精；
（6） 學(xué)科間的交叉、交融和借鑒；
（7） 新技術(shù)、新材料、新工藝的有機結(jié)合及應(yīng)用；
（8） 科學(xué)研究中的新發(fā)現(xiàn)和新成果應(yīng)用于工程實踐……。
由此可以進一總結(jié)出多種行之有效的創(chuàng)新技法：
l 智力激勵法：又稱集智法、智暴法。即通過集會讓設(shè)計人員用口頭或書面交流的方法暢所欲言、互相啟發(fā)進行集智或激智，引起創(chuàng)造性思維的連鎖反應(yīng)；
l 提問追溯法：根據(jù)研究對象系統(tǒng)地列出有關(guān)問題，逐個核對討論，從中獲得解決問題的辦法和創(chuàng)造性發(fā)明的設(shè)想，或是針對新開發(fā)產(chǎn)品的希望點（或缺點），逐點深入分析，尋找解決問題的新途徑；
l 聯(lián)想類推法：通過相似、相近、對比幾種聯(lián)想的交叉使用以及在比較之中找出同中之異、異中之同，從而產(chǎn)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新的方案；
l 反向探求法：采用背離慣常的思考方法，通過逆向思維、轉(zhuǎn)換構(gòu)思，從功能反轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)、因果反轉(zhuǎn)等方面尋求解決問題的新途徑；
l 系統(tǒng)搜索法：從一個初始狀態(tài)開始，分析影響系統(tǒng)的各個參量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更換參數(shù)等方法獲取系統(tǒng)的多種解法并求得最優(yōu)解；
l 組（綜）合創(chuàng)新法：將現(xiàn)有的技術(shù)或產(chǎn)品通過功能原理、構(gòu)造方法的組合變化，或者通過已知的東西作媒介，將毫無關(guān)聯(lián)的不同知識要素結(jié)合起來，攝取各種產(chǎn)品的長處使之綜合在一起，形成具有創(chuàng)新性的設(shè)計技術(shù)思想或新產(chǎn)品；
l 知識鏈接法：創(chuàng)新是一個動態(tài)的和復(fù)雜的作用過程和知識流，它包括知識的產(chǎn)生、開發(fā)、轉(zhuǎn)移和應(yīng)用，這四個階段構(gòu)成一條“知識供應(yīng)鏈” 并按照下述原則進行管理：把技術(shù)創(chuàng)新過程作為一個集成化的系統(tǒng)，只有將所有涉及該過程的伙伴捆綁在一起，才能發(fā)揮最大作用，這些伙伴都應(yīng)明確什么知識內(nèi)容才能滿足用戶最大需求，知識轉(zhuǎn)移的特征和形式是什么，最終用戶是誰，他們何時需要使用這些知識？涉及創(chuàng)新的所有信息流和通信流對全體伙伴都是開放的，在每個知識供應(yīng)者和知識使用者之間建立信息反饋，使信息交換更為有效，知識供應(yīng)鏈中每一個伙伴能夠感受到整個系統(tǒng)和他們自己都從中獲得巨大利益，認識到自己是鏈中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。該方法適于更大范圍內(nèi)、更高層面上的技術(shù)創(chuàng)新。
3工程設(shè)計領(lǐng)域中的概念設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新實踐
基于上述分析，我們提出了若干種含有技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)品概念設(shè)計范例：
（1） 采用先進的控制、驅(qū)動和定位系統(tǒng)，由局部小畫面組成整體大畫面的可變畫面巨型燈箱廣告機的設(shè)計；
（2） 時速超過運七飛機的高速鐵路機車車身外型設(shè)計，既要滿足空氣動力學(xué)性能，又要有美觀的外型，三維CAD建模技術(shù)和NURBS曲線面理論的應(yīng)用；
（3） 適應(yīng)于多彎道和小半徑城市軌道交通環(huán)境下的擺式列車車身及減振轉(zhuǎn)向架的設(shè)計；
（4） 反求工程已廣泛應(yīng)用于一些具有復(fù)雜曲面的實物模型（如模具）的三維數(shù)據(jù)重構(gòu)，不妨借鑒用來對生物醫(yī)學(xué)圖象進行數(shù)字圖象處理，為醫(yī)務(wù)人員的臨床診斷和治療提供更逼真的三維模型和實體模型；
（5） 基于電動機——發(fā)電機可逆原理的新型電動自行車的設(shè)計，把（下坡時）車輪轉(zhuǎn)動的動能所轉(zhuǎn)化成的電能再回充給蓄電池，從而增加電動自行車蓄電池一次充電使用的續(xù)行距離；
（6） 加工中心自動換刀功能的擴展，用于東風(fēng)4（11）型內(nèi)燃機車發(fā)動機端面多軸孔加工的自動換箱多軸箱設(shè)計；
（7） 把列車檢修工人的豐富經(jīng)驗升華為專家系統(tǒng)——基于加速度傳感器和單片機控制的智能式檢振錘的設(shè)計；
（8） 虛擬軸機床（并聯(lián)機床）的概念設(shè)計。
這里以鐵路機車車身
設(shè)計為例，對概念設(shè)計及創(chuàng)新的過程加以說明。
時速300公里以上的高速列車在歐美、日本等發(fā)達國家得到廣泛應(yīng)用。我國已通過論證并計劃在下世紀初建設(shè)第一條（京滬）高速鐵路。
當我們看到法國TGV（Train de la Grande Vitesse）實驗車速達到515.25公里／小時時，我們知道這已經(jīng)超過了我國“運八”飛機的時速，設(shè)計師的頭腦中自然應(yīng)該產(chǎn)生這樣的概念：時速300公里的鐵路機車車頭的外型也應(yīng)該像飛機那樣具有流線型和光順性，才會有較好的動力學(xué)特性�！肮忭槨币辉~的幾何意義是所構(gòu)造的曲線、曲面應(yīng)具有C2連續(xù)，且無奇點。從通俗的概念來理解，即為“光滑順眼”之意。
由這些概念和構(gòu)思出發(fā)，我們可以由整體構(gòu)思和概念設(shè)計逐步進入流線型機車車身的細節(jié)設(shè)計環(huán)節(jié)。
鐵路工業(yè)和汽車工業(yè)對車身外型設(shè)計的先進性和創(chuàng)新性的都有著一致和迫切的要求。歸納起來應(yīng)是以下幾個方面：
l 具有良好的空氣動力學(xué)特性，以減少在高速運行時的摩擦阻力。
l 具有良好的結(jié)構(gòu)布局及足夠的強度和剛度。
l 具有美學(xué)曲面的質(zhì)感和動感，以美化生活和環(huán)境。
l 盡可能短的設(shè)計和制造周期，以盡快地占領(lǐng)市場。
顯然滿足上述諸要求的車身外型曲面是相當復(fù)雜的，非一般常規(guī)曲面（如柱面、球面、錐面、環(huán)面等）所能表達。再者，若按常規(guī)設(shè)計、制造方法和過程來完成如此高要求的設(shè)計外型，則上述第四項要求更是高不可攀。只有積極謀求技術(shù)進步，大力推廣應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)才是解決車身外型改型頻繁、不斷創(chuàng)新且滿足上述各種要求的關(guān)鍵所在。
近十年來，CAD業(yè)界涌現(xiàn)出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列優(yōu)秀的CAD/CAM軟件，為我們提供了一個極好的開發(fā)工具和環(huán)境。它們的三維實體建模、參數(shù)建模及復(fù)合（Hybrid）建模技術(shù)，實體與曲面相結(jié)合的造型方法，以及自由形式特征建模（Free Form Feature Modeling）技術(shù)為我們的設(shè)計工作提供了強有力的工具。
這里具體地介紹如何使用UG的Free Form Feature等功能，來實現(xiàn)車身外型的概念設(shè)計到細節(jié)設(shè)計。
UG的Free Form Feature Modeling模塊把實體建模和表面建模技術(shù)集成為一個功能十分強大的建模工具組，它支持復(fù)雜自由曲面的造型設(shè)計。它的復(fù)合建模技術(shù)，自由型面特征建模，可視化編輯，多組件裝配，二維視圖自動生成，尤其是伴隨最新UG V14.0版本推出的全新概念設(shè)計WAVE（What-if Alternative Value Engineering）可使不同部門的工程師在設(shè)計的早期階段，站在系統(tǒng)工程的角度，同時針對多種可供選擇的方案進行評估，通過將設(shè)計意圖組織到一個“控件結(jié)構(gòu)”中去，使工程師十分有效地控制設(shè)計變更，而且所發(fā)生的變更會自動地傳遞到上級設(shè)計中去。
這里以創(chuàng)建流線型機車車身外型為例，具體步驟如下：
（1） 根據(jù)前節(jié)所述模線的來源，本例參考法國TGV和德國ACE機車外型模板，并加以個性化修改。所選定的23條模型基線見于圖1。
外形模型基線 向等值半徑線云圖
以這一組模線為基礎(chǔ)，采用UG的Free Form Feature / Through Curve來創(chuàng)建曲面；采用Info/ Analysis / Face Curvature功能來觀察和分析該曲面的光順性，圖2即為車身外型曲面及頂面法向半徑等值線云圖。
在構(gòu)造模線的原始數(shù)據(jù)中可能有“瑕點”，或者僅憑“感覺”進行判斷，創(chuàng)建的曲面不一定能完全滿足C2連續(xù)的條件和光順性的要求,可以通過光順處理予以滿足。圖3是對其中一條模線進行光順處理的過程。值得重視的是：獲得一組光順的模線是生成光順曲面的必要條件。
采用光順后的模線重新構(gòu)造車身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材質(zhì)，可進行著色、光照、渲染，以得到更為逼真的三維造型圖。見圖4。
圖4 機車車身三維造型 圖5 機車車身二維投影圖
（5） 對機車車身裙部和頭部下端，可采用Feature / Curve / Mesh功能分片進行創(chuàng)建。這里充分體現(xiàn)出UG軟件對角域曲面的三維造型能力。
（6） 機車車身三維造型基本實現(xiàn)之后，還可進一步作局部修改，由于UG軟件的“相關(guān)”（Associative）能力, 這里進行的修改將影響到它所關(guān)聯(lián)的所有設(shè)計過程。
（7） 三維造型細節(jié)設(shè)計完成之后，其各方向二維視圖可由應(yīng)用軟件自動生成，設(shè)計人員不必再做重復(fù)工作。圖5即為該機車車身外型的二維側(cè)視圖。
參 考 文 獻
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[3] 貢劍鳴.汽車車身UG設(shè)計初探.EDS UG中國用戶年會論文集:25~28
[4] 施法中.計算機輔助幾何設(shè)計與非均勻有理B樣條.北京航空航天大學(xué)出版社.1994
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