智能自行車的興起,使得人們越發關注自行車出行,然而,市面上的智能自行車大多為騎行愛好者設計，本文是對自行車創新設計研究的論文，一起來看看吧！

摘要：在當今迅速發展的時代，產品開發與創新需要更豐富的跨學科知識體系，更復雜的技術力量支撐，更完善的創新理論基礎。創新技術能將多種領域的科學知識有機地結合起來，促使設計者拓寬思維，打破思維定勢，獲得突破性的創新知識，為產品創新提供創造性的設計方案。用計算機輔助技術進行創新設計，首先需要清楚人是如何進行思維的，這一點尤為重要。思維過程的模型包括:對象選例模型、約束聯想模型、分解綜合模型、抽象逆反模型。而創新與其中兩種思維模型有著密切的關系，一是抽象和聯想，一是分解(分析)和綜合。這兩種思維操作，有助于設計出相應的創新性計算機輔助設計系統幫助人進行創新設計。

關鍵詞：自行車 創新 設計 系統

　　創新性計算機輔助設計系統是將輔助設計與人工智能、計算機網絡、數據庫技術和工業設計結合起來，運用抽象、聯想、分析、綜合等模型，協助人研制開發出含有新概念、新形狀、新功能、新技術的產品。重點研究方向是將信息技術與新技術運用到產品設計的過程中去。

　　理想的產品創新過程需要數據庫做有利支撐，除此之外還要求具備不斷搜索新數據庫的能力，及時將合適的新技術綜合到產品中去。這要求系統具有分解和綜合產品的能力，通過分解功能，根據子功能進行聯想，用相關技術進行替換;因此，創新過程實際上是一個不斷地分解與綜合的過程，在此過程中充分調用抽象與聯想功能尋找各種替換物，實現產品的創新。潘云鶴院士就特別強調，計算機輔助設計的發展重點在于通過對產品概念和功能的分析與綜合，形成一種發散性思維，通過聯想和類比，將適合的新技術找出來替代原有技術的過程。

　　現代自行車產品開發越來越注重創新，例如色彩的設計，新材料、新工藝、新結構的應用以及多功能設計。本文以大家都比較熟悉的自行車為對象，在研究自行車發展史、結構功能、傳動機構、派生形式等多方面資料的基礎上，開發自行車計算機輔助設計的創新軟件。充分利用面向對象技術、計算機動畫技術及多媒體仿真技術，提供多種自行車設計方案，準確而生動地模擬出自行車創新設計過程，能夠促使人們積極思考、分析、探索，提高創新能力。同時對提高設計質量，縮短設計周期，增強設計的直觀性、形象性，以便集中精力用于創造性研究，具有重要意義和應用價值。本論文的宗旨是為大學生提供一個以自行車為對象的輔助創新設計仿真教學軟件，以便他們用此軟件進行自行車的方案設計，培養創新精神和創新設計的能力。

1國內外研究現狀及發展趨勢

　　1.1創新技術

　　(1)計算機輔助創新技術

　　創新理論的研究經歷了50年代的分解研究和創立階段，70年代的系統開發階段，80年代的綜合化、專門化研究階段。九十年代以來，以為理論基礎的計算機輔助創新技術在歐美國家得到了廣泛研究與應用，成為國外知名企業在尖端技術領域中解決技術難題、實現創新的有效工具。TRIZ稱為發明創造方法學，是將人們思考問題、解決問題的過程科學化，為問題的創造性解決提供正確探索方法的科學方法。由Invention Machine公司開發的計算機輔助創新軟件TechOptimizer通過建立問題分析定義、工程學原理知識庫、創新原理、系統改善預測等四大模塊，有效地輔助設計人員在產品的概念設計、方案設計階段提出無妥協的創新設計方案，成為企業提高新產品開發能力和經濟效益的重要手段。

　　(2)機械創斷設計技術

　　隨著人工智能、智能CAD、認識科學及思維科學等領域的迅速發展及自身需要，許多專家與學者對各自研究領域的創造性思維、設計開發等問題表現出濃厚的興趣，機械創新設計和新型機構的創新構思已逐步提上議程并日益受到重視。

　　機械創新設計大多是結構方案的創新設計。結構方案設計極富創造性，是形象思維和抽象思維綜合作用的結果。機械創新設計過程中，應探索機械產品創新發明的機理、模式及方法，描述創新過程，將之程序化、定量化、符號化、算法化。而機構系統方案設計過程不僅涉及大量的理論推導和數據計算，而且需要專家系統和智能工程的支持，完成知識庫的設計，推理機及人機接口的開發。利用運動仿真，精確反映機構的運動狀態，及時將參數改變對運動帶來的影響顯示在屏幕上，為設計者正確判斷、選擇方案提供有益的幫助。

　　美國、德國等國家首先提倡重視機械創新設計，并己取得顯著的成果，形成了獨特的設計體系和風格。美國Johnson PC.教授于八十年代初較早從設計方法學的觀點總結出機械創新設計的過程和方法，認為必須在結構形式綜合上投入創造性力量以及在材料和尺寸的優選上投入大量技術支持。他運用連桿機構分類法、邏輯模塊法、蘊含綜合法、線圖法以及人腦智暴法、自行質疑法、形態矩形法、比擬法等創造性思維法進行了大量的工業事例創新設計并獲得成功。

　　國內肖云龍教授結合大量機電新產品的設計，對創新設計的基本特征、設計原理與創新方法等做了方法學上的較系統而通俗的闡述。

　　目前，機械方案創新設計的計算機支持已取得實質性的進展。國際上，以發明創造方法學為理論基礎的計算機輔助創新技術目前在歐美國家有著廣泛的研究與應用;智能技術廣泛應用于這一領域。國內專家已研制出智能化的計算機輔助機構創新設計軟件系統，但它主要針對桿機構的結構類型綜合、擴大設計空間、優化方案選擇。華中理工大學機械CAD中心、清華大學等院校。在產品方案設計專家系統方面做了大量的工作，先后實現多個方案設計專家系統和開發工具，對總體方案設計思想、知識表達、求解策略和控制結構等方面進行了詳細的描述。總的來說，目前，對于機械創新技術，雖然進行了許多相關的理論方面的研究或探索，但是在實用化方面尚有許多工作待做。

　　1.2自行車的創新設計研究

　　自行車的創新設計研究主要包括以下幾個方面:生物力學、結構功能、造型設計、傳動系統、新型材料、能源驅動等。

　　(1)自行車的生物力學研究

　　近年來，自行車創新以人機工程學為出發點，主要集中在生物力學特性的研究方面對騎行中的自行車做了受力分析，指出騎行開始時蹬踏力可達到人體體重的三倍。Hull和他的合作者們研究了騎行生物力學，用五桿平面機構模擬具有圓鏈輪驅動的腳蹬自行車系統，探討了腳蹬力和腳蹬速率如何影響騎行過程以及鉸鏈力矩節奏的關系。RayP.S .Han著眼于非圓鏈輪驅動系統運動學和動力學分析與研究，并對人體作用進行評估，包括關節力矩、腿的角加速度、輸出力等。通過將兩自由度的五桿模型簡化為桿件長隨曲柄變化的等效四桿機構，再求解兩鏈輪臂連桿頂部的位置，得到非圓驅動鏈輪的形狀。同時建議將橢圓鏈輪和圓鏈輪結合起來運用:在低速狀態下，使用前者，在高速狀態下，切換到后者。Redfield對腳踏數據進行測量，估計出曲柄轉角和腳踏角的關系。國內研究人員鄧國光從力學角度較為詳細地研究了自行車運動員的蹬踏方式，并用微機控制閉環系統—自行車運動訓練測試臺得出的數據，研究出曲柄旋轉角與蹬踏角的關系。

　　(Z)自行車的多種創新形式

　　在造型設計方面，現代自行車創新更注重色彩設計、新結構、新材料、新工藝的應用以及多功能的設計。設計上由原來的粘接成型車架到整體成型車架再到混合型車架;風格上表現出多樣性和仿生性，出現“羚羊型”、“鹿角型”、“白天鵝型”等仿生自行車，“淑女型”等輕便自行車;而盡可能減少空氣阻力與增強視覺效果的“流線型”結構和改變駕駛者姿態的“躺式”造型是自行車造型發展的新趨勢。

　　在能源驅動方面，出現太陽能驅動、蒸汽驅動、夜光型、以及很有發展前景的電力驅動自行車。電動自行車作為一種有效替代燃油汽車的綠色環保交通工具，在減輕或消除城市環境污染方面發揮作用。

　　碳纖維、復合材料、鎂合金、鋁合金等新型材料因其優良的材料特性而被有效地運用到自行車特別是賽車上。開發生產碳纖維自行車和鎂鋁合金自行車是當今自行車工業領域致力研究的課題。

　　非圓鏈輪傳動以其在大中心距傳動和繞性傳動上比變速齒輪傳動更具獨到特性而運用于自行車上。國內外自行車大賽上常能欣賞到以帶傳動、圓錐齒輪傳動、軸傳動、棘輪棘爪傳動、無鏈傳動等多種傳動形式設計的新型自行車。

　　自行車的結構形式多種多樣，封閉式、獨輪式、三輪式、雙輪式、多人式等等。而折疊式電動自行車以其結構簡便、攜帶方便成為行業人士的關注焦點;全懸臂式前后叉避震賽車成為運動比賽的亮麗風景線。

　　多功能自行車是高科技發展的結果，將多種特性有效地集中于一輛自行車上，為人們的使用提供了極大的方便，如水陸兩用、多檔變速、登山越野、健身保健、智能電動等等。

　　專家預測，電動、環保、折疊、鎂合金材質為特色的自行車將成為二十一世紀市場的先鋒產品，有取代登山車及避震車的趨勢。

　　1.3動畫仿真技術

　　無論是從自行車設計本身，還是從創新軟件開發的角度，動畫仿真技術都是一個有利的工具。系統模擬以及動畫技術常用于表現真實對象或模擬對象隨時間變化的行為。利用計算機造型和仿真技術，構造出產品或裝置的幾何模型和功能模型，對它們進行運動學及其他性能的分析和模擬，可以使設計思想更加直觀清晰，設計過程更加合理，從而降低制造成本和試驗強度，避免危險性操作。

　　動畫仿真有二維圖形動畫、三維線框圖動畫和三維實體圖動畫。二維實現不存在消隱和陰影處理;三維實體動畫效果最形象、最生動，但要進行消隱和陰影等復雜處理，畫面刷新的計算量很大。當仿真軟件用于系統性能分析時，一般不考慮實體是否有碰撞干涉，采用二維圖形動畫即可，以大大縮短動畫刷新時間，加快模型執行速度;當仿真用于處理設備的運轉過程時，三維實體動畫是最佳選擇。從性質上看，動畫仿真主要有如下兩種方式叫:

　　(1)關鍵幀動畫。在這種方式下，先運行仿真程序，實體運行軌跡連同仿真時鐘全部保存，仿真運行結束后，作為動畫的驅動數據實現模型畫面的刷新。這種后處理動畫輸出方式需要大量的存儲開銷，并且由于動畫畫面不是基于圖形模型描述，難免出現動畫畫面與模型的不一致性。另外，也不能在仿真運行過程中實時監控，不能及時根據動畫顯示的仿真結果修改仿真模型，不具備動畫與仿真的交互能力。

　　(2)實時動畫。在這種方式下，動畫刷新與仿真模型在時間上、數據上同步執行，仿真運行結果及時通過動畫顯示出來;兩者交互，用戶可中斷運行中的仿真程序，修改模型，運行仿真程序時，直接看到修改處引起的變化。因此，相對于較傳統的動畫技術，實時動畫仿真保證了由實體的狀態、事件、活動、進程組成的抽象空間和由文本、圖形組成的形象空間完全一致。

　　目前，國外在動畫仿真研究領域比較先進，但相關文獻大都針對特定問題進行單項動畫仿真研究，有關動畫仿真軟件的資料也只是介紹使用方法和操作過程。美國在動畫仿真技術上卓越的體現是波音777飛機的設計。波音公司采用法國達索/IBM的CATITS三維設計與仿真系統，用并行方式處理，實現三維數字化定義，用三維實體模型數字化預裝配檢驗干涉情況，其精度達到前所未有的程度。

　　我國在計算機動畫和動畫仿真方面的研究及應用起步較晚，主要處于引進、吸收和消化階段。目前主要應用領域是二維動畫片制作、電視廣告、影視片頭制作，少量用于視覺模擬和計算機輔助教學。與國外相比，無論在研究開發還是在應用的普及范圍上都存在較大差距。我國引進的三維計算機動畫有法國的Explofe、美國的Advanced Visualiger, Softmage 3D和加拿大的Alias Animator，微機上運行的3D MAX三維動畫系統等。自行研制的動畫仿真軟件有IMSS 25和HMPS X28等。IMSS (Integrated ManufacturingSimulation Software)由清華大學自動化系和航天航空部204所共同研制，用于制造系統性能分析的一體化制造，具有二維動畫功能;HMPS (HorizontalMachining Process Simulator)由清華大學自動化系、華中理工大學機械工程系以及精密儀器系合作開發，以機械加工中心加工過程為仿真對象，具有三維實體圖的動畫功能。