工程领域中的概念设计及创新

利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。 

3工程设计领域中的概念设计技术创新实践 

基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例： 

（1）       采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计； 

（2）       时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用； 

（3）       适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计； 

（4）       反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型； 

（5）       基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离； 

（6）       加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计； 

（7）       把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计； 

（8）       虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。 

这里以铁路机车车身

设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。 

时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。 

当我们看到法国TGV（Train de la Grande Vitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。 

由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。 

铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面： 

l         具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。 

l         具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。 

l         具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。 

l         尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。 

显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。 

近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（Free Form Feature Modeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。 

这里具体地介绍如何使用UG的Free Form Feature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。 

UG的Free Form Feature Modeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可

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