摘要：本文論述了工程領(lǐng)域中的概念設計的主要原理和功能；闡述了概念設計與創(chuàng )造性思維和技術(shù)創(chuàng )新的內在聯(lián)系；舉出了各種創(chuàng )造性思維的形式并分析了其特點(diǎn)；強調技術(shù)創(chuàng )新在概念設計中的重要的作用；根據作者本人所在的設計群體多年來(lái)的設計經(jīng)驗和體會(huì )總結出一系列的創(chuàng )新技法，并結合工程設計領(lǐng)域中的概念設計創(chuàng )新實(shí)踐，列舉了若干種含有技術(shù)創(chuàng )新的產(chǎn)品概念設計范例。

　　關(guān)鍵詞：工程設計，概念設計，創(chuàng )造性思維，創(chuàng )新

　　1、工程領(lǐng)域中的概念設計

　　現代科技的迅猛發(fā)展，尤其是微電子、信息、新材料及集成技術(shù)的進(jìn)展，使產(chǎn)品結構發(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)展和廣泛應用，深刻的影響著(zhù)設計開(kāi)發(fā)過(guò)程、制造過(guò)程、營(yíng)銷(xiāo)和售后服務(wù)過(guò)程，并改變著(zhù)產(chǎn)品的結構和功能；先進(jìn)工藝技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)為現代工程設計提供了前所未有的工藝技術(shù)手段和社會(huì )化制造體系。這些變化都深刻地影響著(zhù)工程設計的發(fā)展。

　　工程設計是人們運用科技知識和方法，有目標地創(chuàng )造工程產(chǎn)品構思和計劃的過(guò)程，幾乎涉及到人類(lèi)活動(dòng)的全部領(lǐng)域。工程設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(jìn)性和競爭能力卻起著(zhù)決定性的影響，并往往決定70 ~ 80%的制造成本和營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)成本。所以說(shuō)工程設計是現代社會(huì )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，也是現代社會(huì )生產(chǎn)力的龍頭。工程設計的水平和能力是一個(gè)國家和地區工業(yè)創(chuàng )新能力和競爭能力的決定性因素之一。

　　工程設計的全過(guò)程就是不斷建立各種模型，并不斷進(jìn)行綜合和分析的過(guò)程，即反復地創(chuàng )造模型和評價(jià)模型的過(guò)程。工程設計的內容大致可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是數值計算型的工作，包括大量的計算、分析、繪圖、編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)和填寫(xiě)各種表格；另一類(lèi)是符號推理性的工作，主要是方案設計工作。在設計方法學(xué)中，前者稱(chēng)之為細節設計，后者稱(chēng)之為概念設計。概念設計主要包括功能設計和結構設計兩大部分。其作用主要體現在產(chǎn)品設計的早期階段，把主設計師根據產(chǎn)品功能的需求而萌發(fā)出來(lái)的原始構思和沖動(dòng)形成產(chǎn)品的主體框架，及它應包括的各主要模塊和組件，以完成整體布局和外型初步設計。然后進(jìn)行評估和優(yōu)化，確定整體設計方案。再由各責任設計師把總設計師的設計思想落實(shí)到具體設計中去，實(shí)現細節設計�？梢�(jiàn)概念設計是個(gè)創(chuàng )造性過(guò)程，它要求設計者能綜合運用許多學(xué)科的專(zhuān)門(mén)知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗，并通過(guò)廣泛的調查研究而占有大量的信息資料，再經(jīng)過(guò)反復思考、推理和決策，才能創(chuàng )造出與眾不同的、滿(mǎn)足用戶(hù)要求的設計方案來(lái)。

　　在工程設計領(lǐng)域中存在這樣一個(gè)誤區：設計、構思的原始沖動(dòng)是三維概念，最終設計實(shí)施之結果即產(chǎn)品也是三維形體�？墒嵌嗄陙�(lái)以二維繪圖為基礎的產(chǎn)品設計、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)的出現為概念設計和創(chuàng )新提供了一種極好的工作平臺，設計師們可以直接從三維概念和構思入手，進(jìn)行概念設計，形成產(chǎn)品的初步框架，然后進(jìn)一步通過(guò)工程分析、數字仿真、虛擬現實(shí)等高新技術(shù)手段來(lái)分析和評價(jià)設計方案的可行性及未來(lái)產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性。這種設計方法尤其能充分發(fā)揮自頂向下的設計過(guò)程中，設計者的智慧和創(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(dòng)——創(chuàng )新。

　　2、概念設計與創(chuàng )造性思維和技術(shù)創(chuàng )新

　　2.1 創(chuàng )造性思維及其特點(diǎn)

　　要設計就要有創(chuàng )新，而創(chuàng )新正是設計人員進(jìn)行創(chuàng )造性思維的結果。設計人員要打破習慣性思維，變換角度，開(kāi)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(guò)思維，不僅能揭示事物的本質(zhì)，而且能在此基礎上提供新的、具有社會(huì )價(jià)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(jué)思維和靈感思維等多種形式。在工程設計的概念設計中，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一，準確把握邏輯思維和形象思維的巧妙結合，善于捕捉直覺(jué)思維和靈感思維的“閃光和亮點(diǎn)”，這樣才有可能設計出新穎、獨特、有創(chuàng )意的產(chǎn)品。

　　創(chuàng )造性思維具有如下一些特點(diǎn)：

　�。�1）獨創(chuàng )性：創(chuàng )造性思維所要解決的問(wèn)題是不能用常規、傳統的方式解決的問(wèn)題。它要求重新組織觀(guān)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(jiàn)慣或“完美無(wú)缺”的事物提出懷疑，敢于向傳統的陳規舊習挑戰，敢于否定自己思想上的“框框”， 從新的角度分析問(wèn)題、認識問(wèn)題。

　�。�2）連動(dòng)性：創(chuàng )造性思維又是一種連動(dòng)思維，它引導人們由已知探索未知，開(kāi)拓思路。連動(dòng)思維表現為縱向、橫向和逆向連動(dòng)�？v向連動(dòng)針對某現象或問(wèn)題進(jìn)行縱深思考，探詢(xún)其本質(zhì)而得到新的啟發(fā)。橫向連動(dòng)則通過(guò)某一現象聯(lián)想到特點(diǎn)與它相似或相關(guān)的事物，從而得到該現象的新應用。逆向連動(dòng)則是針對現象、問(wèn)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(gè)方向發(fā)展，尋求新的思路�？梢詮囊稽c(diǎn)向多個(gè)方向擴散；也可以從不同角度對同一個(gè)問(wèn)題進(jìn)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，善于結合以往的知識和經(jīng)驗在頭腦里形成新的形象，善于把觀(guān)念的東西形象化。愛(ài)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(zhù)世界上的一切，推動(dòng)著(zhù)進(jìn)步，并且是知識進(jìn)化的源泉�！敝挥猩朴谙胂�，才有可能跳出現有事實(shí)的圈子，才有可能創(chuàng )新。

　�。�5）突變性：直覺(jué)思維、靈感思維是在創(chuàng )造性思維中出現的一種突如其來(lái)的領(lǐng)悟或理解。它往往表現為思維邏輯的中斷，出現思想的飛躍，突然閃現出一種新設想、新觀(guān)念，使對問(wèn)題的思考突破原有的框架，從而使問(wèn)題得以解決。

　　2.2 概念設計呼喚技術(shù)創(chuàng )新

　　技術(shù)創(chuàng )新在概念設計中發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。概念設計中技術(shù)創(chuàng )新的本質(zhì)就是要在工程設計領(lǐng)域中發(fā)現某種新事物、提出某種新思想，在很多情況下是因為現有的產(chǎn)品不能滿(mǎn)足社會(huì )（用戶(hù)）的需求而激發(fā)出的新穎構思和創(chuàng )見(jiàn)。技術(shù)創(chuàng )新的基礎是知識的積累和靈感的迸發(fā)，是設計人員進(jìn)行創(chuàng )造性思維的結果。創(chuàng )新本身就意味著(zhù)不拘一格，不局限也不依賴(lài)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） 多項現有技術(shù)的有機結合或綜合運用往往會(huì )產(chǎn)生意想不到的效果；

　�。�2） 對已有知識的創(chuàng )造性總結和應用常常帶來(lái)重大的科技突破；

　�。�3） 突發(fā)奇想但經(jīng)過(guò)科學(xué)論證或實(shí)驗證明所產(chǎn)生的新思路、新方法、新技術(shù)；

　�。�4） 新知識與現有知識的合理嫁接；

　�。�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、新工藝的有機結合及應用；

　�。�8） 科學(xué)研究中的新發(fā)現和新成果應用于工程實(shí)踐……。

　　由此可以進(jìn)一總結出多種行之有效的創(chuàng )新技法：

　　智力激勵法：又稱(chēng)集智法、智暴法。即通過(guò)集會(huì )讓設計人員用口頭或書(shū)面交流的方法暢所欲言、互相啟發(fā)進(jìn)行集智或激智，引起創(chuàng )造性思維的連鎖反應；

　　提問(wèn)追溯法：根據研究對象系統地列出有關(guān)問(wèn)題，逐個(gè)核對討論，從中獲得解決問(wèn)題的辦法和創(chuàng )造性發(fā)明的設想，或是針對新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的希望點(diǎn)（或缺點(diǎn)），逐點(diǎn)深入分析，尋找解決問(wèn)題的新途徑；

　　聯(lián)想類(lèi)推法：通過(guò)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；

　　反向探求法：采用背離慣常的思考方法，通過(guò)逆向思維、轉換構思，從功能反轉、結構反轉、因果反轉等方面尋求解決問(wèn)題的新途徑；

　　系統搜索法：從一個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始，分析影響系統的各個(gè)參量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更換參數等方法獲取系統的多種解法并求得最優(yōu)解；

　　組（綜）合創(chuàng )新法：將現有的技術(shù)或產(chǎn)品通過(guò)功能原理、構造方法的組合變化，或者通過(guò)已知的東西作媒介，將毫無(wú)關(guān)聯(lián)的不同知識要素結合起來(lái)，攝取各種產(chǎn)品的長(cháng)處使之綜合在一起，形成具有創(chuàng )新性的設計技術(shù)思想或新產(chǎn)品；

　　知識鏈接法：創(chuàng )新是一個(gè)動(dòng)態(tài)的和復雜的作用過(guò)程和知識流，它包括知識的產(chǎn)生、開(kāi)發(fā)、轉移和應用，這四個(gè)階段構成一條“知識供應鏈” 并按照下述原則進(jìn)行管理：把技術(shù)創(chuàng )新過(guò)程作為一個(gè)集成化的系統，只有將所有涉及該過(guò)程的伙伴捆綁在一起，才能發(fā)揮最大作用，這些伙伴都應明確什么知識內容才能滿(mǎn)足用戶(hù)最大需求，知識轉移的特征和形式是什么，最終用戶(hù)是誰(shuí)，他們何時(shí)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(kāi)放的，在每個(gè)知識供應者和知識使用者之間建立信息反饋，使信息交換更為有效，知識供應鏈中每一個(gè)伙伴能夠感受到整個(gè)系統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。該方法適于更大范圍內、更高層面上的技術(shù)創(chuàng )新。

　　3、工程設計領(lǐng)域中的概念設計技術(shù)創(chuàng )新實(shí)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)品概念設計范例：

　�。�1）采用先進(jìn)的控制、驅動(dòng)和定位系統，由局部小畫(huà)面組成整體大畫(huà)面的可變畫(huà)面巨型燈箱廣告機的設計；

　�。�2）時(shí)速超過(guò)運七飛機的高速鐵路機車(chē)車(chē)身外型設計，既要滿(mǎn)足空氣動(dòng)力學(xué)性能，又要有美觀(guān)的外型，三維CAD建模技術(shù)和NURBS曲線(xiàn)面理論的應用；

　�。�3）適應于多彎道和小半徑城市軌道交通環(huán)境下的擺式列車(chē)車(chē)身及減振轉向架的設計；

　�。�4）反求工程已廣泛應用于一些具有復雜曲面的實(shí)物模型（如模具）的三維數據重構，不妨借鑒用來(lái)對生物醫學(xué)圖象進(jìn)行數字圖象處理，為醫務(wù)人員的臨床診斷和治療提供更逼真的三維模型和實(shí)體模型；

　�。�5）基于電動(dòng)機——發(fā)電機可逆原理的新型電動(dòng)自行車(chē)的設計，把（下坡時(shí)）車(chē)輪轉動(dòng)的動(dòng)能所轉化成的電能再回充給蓄電池，從而增加電動(dòng)自行車(chē)蓄電池一次充電使用的續行距離；

　�。�6）加工中心自動(dòng)換刀功能的擴展，用于東風(fēng)4（11）型內燃機車(chē)發(fā)動(dòng)機端面多軸孔加工的自動(dòng)換箱多軸箱設計；

　�。�7）把列車(chē)檢修工人的豐富經(jīng)驗升華為專(zhuān)家系統——基于加速度傳感器和單片機控制的智能式檢振錘的設計；

　�。�8）虛擬軸機床（并聯(lián)機床）的概念設計。

　　這里以鐵路機車(chē)車(chē)身設計為例，對概念設計及創(chuàng )新的過(guò)程加以說(shuō)明。

　　時(shí)速300公里以上的高速列車(chē)在歐美、日本等發(fā)達國家得到廣泛應用。我國已通過(guò)論證并計劃在下世紀初建設第一條（京滬）高速鐵路。

　　當我們看到法國TGV（Train de la Grande Vitesse）實(shí)驗車(chē)速達到515.25公里／小時(shí)時(shí)，我們知道這已經(jīng)超過(guò)了我國“運八”飛機的時(shí)速，設計師的頭腦中自然應該產(chǎn)生這樣的概念：時(shí)速300公里的鐵路機車(chē)車(chē)頭的外型也應該像飛機那樣具有流線(xiàn)型和光順性，才會(huì )有較好的動(dòng)力學(xué)特性�！肮忭槨币辉~的幾何意義是所構造的曲線(xiàn)、曲面應具有C2連續，且無(wú)奇點(diǎn)。從通俗的概念來(lái)理解，即為“光滑順眼”之意。

　　由這些概念和構思出發(fā)，我們可以由整體構思和概念設計逐步進(jìn)入流線(xiàn)型機車(chē)車(chē)身的細節設計環(huán)節。

　　鐵路工業(yè)和汽車(chē)工業(yè)對車(chē)身外型設計的先進(jìn)性和創(chuàng )新性的都有著(zhù)一致和迫切的要求。歸納起來(lái)應是以下幾個(gè)方面：

　　具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性，以減少在高速運行時(shí)的摩擦阻力。

　　具有良好的結構布局及足夠的強度和剛度。

　　具有美學(xué)曲面的質(zhì)感和動(dòng)感，以美化生活和環(huán)境。

　　盡可能短的設計和制造周期，以盡快地占領(lǐng)市場(chǎng)。

　　顯然滿(mǎn)足上述諸要求的車(chē)身外型曲面是相當復雜的，非一般常規曲面（如柱面、球面、錐面、環(huán)面等）所能表達。再者，若按常規設計、制造方法和過(guò)程來(lái)完成如此高要求的設計外型，則上述第四項要求更是高不可攀。只有積極謀求技術(shù)進(jìn)步，大力推廣應用CAD/CAM技術(shù)才是解決車(chē)身外型改型頻繁、不斷創(chuàng )新且滿(mǎn)足上述各種要求的關(guān)鍵所在。

　　近十年來(lái)，CAD業(yè)界涌現出一批象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(gè)極好的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境。它們的三維實(shí)體建模、參數建模及復合（Hybrid）建模技術(shù)，實(shí)體與曲面相結合的造型方法，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(lái)實(shí)現車(chē)身外型的概念設計到細節設計。

　　UG的Free Form Feature Modeling模塊把實(shí)體建模和表面建模技術(shù)集成為一個(gè)功能十分強大的建模工具組，它支持復雜自由曲面的造型設計。它的復合建模技術(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(dòng)生成，尤其是伴隨最新UG V14.0版本推出的全新概念設計WAVE（What-if Alternative Value Engineering）可使不同部門(mén)的工程師在設計的早期階段，站在系統工程的角度，同時(shí)針對多種可供選擇的方案進(jìn)行評估，通過(guò)將設計意圖組織到一個(gè)“控件結構”中去，使工程師十分有效地控制設計變更，而且所發(fā)生的變更會(huì )自動(dòng)地傳遞到上級設計中去。

　　這里以創(chuàng )建流線(xiàn)型機車(chē)車(chē)身外型為例，具體步驟如下：

　�。�1） 根據前節所述模線(xiàn)的來(lái)源，本例參考法國TGV和德國ACE機車(chē)外型模板，并加以個(gè)性化修改。所選定的23條模型基線(xiàn)見(jiàn)于圖1.

　　外形模型基線(xiàn) 向等值半徑線(xiàn)云圖

　　以這一組模線(xiàn)為基礎，采用UG的Free Form Feature / Through Curve來(lái)創(chuàng )建曲面；采用Info/ Analysis / Face Curvature功能來(lái)觀(guān)察和分析該曲面的光順性，圖2即為車(chē)身外型曲面及頂面法向半徑等值線(xiàn)云圖。

　　在構造模線(xiàn)的原始數據中可能有“瑕點(diǎn)”，或者僅憑“感覺(jué)”進(jìn)行判斷，創(chuàng )建的曲面不一定能完全滿(mǎn)足C2連續的條件和光順性的要求，可以通過(guò)光順處理予以滿(mǎn)足。圖3是對其中一條模線(xiàn)進(jìn)行光順處理的過(guò)程。值得重視的是：獲得一組光順的模線(xiàn)是生成光順曲面的必要條件。

　　采用光順后的模線(xiàn)重新構造車(chē)身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材質(zhì)，可進(jìn)行著(zhù)色、光照、渲染，以得到更為逼真的三維造型圖。

　�。�5）對機車(chē)車(chē)身裙部和頭部下端，可采用Feature / Curve / Mesh功能分片進(jìn)行創(chuàng )建。這里充分體現出UG軟件對角域曲面的三維造型能力。

　�。�6）機車(chē)車(chē)身三維造型基本實(shí)現之后，還可進(jìn)一步作局部修改，由于UG軟件的“相關(guān)”（Associative）能力， 這里進(jìn)行的修改將影響到它所關(guān)聯(lián)的所有設計過(guò)程。

　�。�7）三維造型細節設計完成之后，其各方向二維視圖可由應用軟件自動(dòng)生成，設計人員不必再做重復工作。圖5即為該機車(chē)車(chē)身外型的二維側視圖。

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