智能自行車的興起,使得人們越發(fā)關(guān)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(shè)計(jì)，本文是對自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究的論文，一起來看看吧！

摘要：在當(dāng)今迅速發(fā)展的時(shí)代，產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新需要更豐富的跨學(xué)科知識體系，更復(fù)雜的技術(shù)力量支撐，更完善的創(chuàng)新理論基礎(chǔ)。創(chuàng)新技術(shù)能將多種領(lǐng)域的科學(xué)知識有機(jī)地結(jié)合起來，促使設(shè)計(jì)者拓寬思維，打破思維定勢，獲得突破性的創(chuàng)新知識，為產(chǎn)品創(chuàng)新提供創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方案。用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，首先需要清楚人是如何進(jìn)行思維的，這一點(diǎn)尤為重要。思維過程的模型包括:對象選例模型、約束聯(lián)想模型、分解綜合模型、抽象逆反模型。而創(chuàng)新與其中兩種思維模型有著密切的關(guān)系，一是抽象和聯(lián)想，一是分解(分析)和綜合。這兩種思維操作，有助于設(shè)計(jì)出相應(yīng)的創(chuàng)新性計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)幫助人進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自行車 創(chuàng)新 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)

　　創(chuàng)新性計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是將輔助設(shè)計(jì)與人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合起來，運(yùn)用抽象、聯(lián)想、分析、綜合等模型，協(xié)助人研制開發(fā)出含有新概念、新形狀、新功能、新技術(shù)的產(chǎn)品。重點(diǎn)研究方向是將信息技術(shù)與新技術(shù)運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程中去。

　　理想的產(chǎn)品創(chuàng)新過程需要數(shù)據(jù)庫做有利支撐，除此之外還要求具備不斷搜索新數(shù)據(jù)庫的能力，及時(shí)將合適的新技術(shù)綜合到產(chǎn)品中去。這要求系統(tǒng)具有分解和綜合產(chǎn)品的能力，通過分解功能，根據(jù)子功能進(jìn)行聯(lián)想，用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行替換;因此，創(chuàng)新過程實(shí)際上是一個(gè)不斷地分解與綜合的過程，在此過程中充分調(diào)用抽象與聯(lián)想功能尋找各種替換物，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新。潘云鶴院士就特別強(qiáng)調(diào)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展重點(diǎn)在于通過對產(chǎn)品概念和功能的分析與綜合，形成一種發(fā)散性思維，通過聯(lián)想和類比，將適合的新技術(shù)找出來替代原有技術(shù)的過程。

　　現(xiàn)代自行車產(chǎn)品開發(fā)越來越注重創(chuàng)新，例如色彩的設(shè)計(jì)，新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用以及多功能設(shè)計(jì)。本文以大家都比較熟悉的自行車為對象，在研究自行車發(fā)展史、結(jié)構(gòu)功能、傳動機(jī)構(gòu)、派生形式等多方面資料的基礎(chǔ)上，開發(fā)自行車計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的創(chuàng)新軟件。充分利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、計(jì)算機(jī)動畫技術(shù)及多媒體仿真技術(shù)，提供多種自行車設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)確而生動地模擬出自行車創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程，能夠促使人們積極思考、分析、探索，提高創(chuàng)新能力。同時(shí)對提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的直觀性、形象性，以便集中精力用于創(chuàng)造性研究，具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文的宗旨是為大學(xué)生提供一個(gè)以自行車為對象的輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)仿真教學(xué)軟件，以便他們用此軟件進(jìn)行自行車的方案設(shè)計(jì)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

　　1.1創(chuàng)新技術(shù)

　　(1)計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)

　　創(chuàng)新理論的研究經(jīng)歷了50年代的分解研究和創(chuàng)立階段，70年代的系統(tǒng)開發(fā)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(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)在歐美國家得到了廣泛研究與應(yīng)用，成為國外知名企業(yè)在尖端技術(shù)領(lǐng)域中解決技術(shù)難題、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的有效工具。TRIZ稱為發(fā)明創(chuàng)造方法學(xué)，是將人們思考問題、解決問題的過程科學(xué)化，為問題的創(chuàng)造性解決提供正確探索方法的科學(xué)方法。由Invention Machine公司開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件TechOptimizer通過建立問題分析定義、工程學(xué)原理知識庫、創(chuàng)新原理、系統(tǒng)改善預(yù)測等四大模塊，有效地輔助設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)階段提出無妥協(xié)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，成為企業(yè)提高新產(chǎn)品開發(fā)能力和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。

　　(2)機(jī)械創(chuàng)斷設(shè)計(jì)技術(shù)

　　隨著人工智能、智能CAD、認(rèn)識科學(xué)及思維科學(xué)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展及自身需要，許多專家與學(xué)者對各自研究領(lǐng)域的創(chuàng)造性思維、設(shè)計(jì)開發(fā)等問題表現(xiàn)出濃厚的興趣，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)和新型機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新構(gòu)思已逐步提上議程并日益受到重視。

　　機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大多是結(jié)構(gòu)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)極富創(chuàng)造性，是形象思維和抽象思維綜合作用的結(jié)果。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)探索機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)明的機(jī)理、模式及方法，描述創(chuàng)新過程，將之程序化、定量化、符號化、算法化。而機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過程不僅涉及大量的理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)計(jì)算，而且需要專家系統(tǒng)和智能工程的支持，完成知識庫的設(shè)計(jì)，推理機(jī)及人機(jī)接口的開發(fā)。利用運(yùn)動仿真，精確反映機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)，及時(shí)將參數(shù)改變對運(yùn)動帶來的影響顯示在屏幕上，為設(shè)計(jì)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(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并己取得顯著的成果，形成了獨(dú)特的設(shè)計(jì)體系和風(fēng)格。美國Johnson PC.教授于八十年代初較早從設(shè)計(jì)方法學(xué)的觀點(diǎn)總結(jié)出機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過程和方法，認(rèn)為必須在結(jié)構(gòu)形式綜合上投入創(chuàng)造性力量以及在材料和尺寸的優(yōu)選上投入大量技術(shù)支持。他運(yùn)用連桿機(jī)構(gòu)分類法、邏輯模塊法、蘊(yùn)含綜合法、線圖法以及人腦智暴法、自行質(zhì)疑法、形態(tài)矩形法、比擬法等創(chuàng)造性思維法進(jìn)行了大量的工業(yè)事例創(chuàng)新設(shè)計(jì)并獲得成功。

　　國內(nèi)肖云龍教授結(jié)合大量機(jī)電新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，對創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本特征、設(shè)計(jì)原理與創(chuàng)新方法等做了方法學(xué)上的較系統(tǒng)而通俗的闡述。

　　目前，機(jī)械方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)支持已取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。國際上，以發(fā)明創(chuàng)造方法學(xué)為理論基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)目前在歐美國家有著廣泛的研究與應(yīng)用;智能技術(shù)廣泛應(yīng)用于這一領(lǐng)域。國內(nèi)專家已研制出智能化的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，但它主要針對桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型綜合、擴(kuò)大設(shè)計(jì)空間、優(yōu)化方案選擇。華中理工大學(xué)機(jī)械CAD中心、清華大學(xué)等院校。在產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)方面做了大量的工作，先后實(shí)現(xiàn)多個(gè)方案設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)和開發(fā)工具，對總體方案設(shè)計(jì)思想、知識表達(dá)、求解策略和控制結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了詳細(xì)的描述。總的來說，目前，對于機(jī)械創(chuàng)新技術(shù)，雖然進(jìn)行了許多相關(guān)的理論方面的研究或探索，但是在實(shí)用化方面尚有許多工作待做。

　　1.2自行車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

　　自行車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究主要包括以下幾個(gè)方面:生物力學(xué)、結(jié)構(gòu)功能、造型設(shè)計(jì)、傳動系統(tǒng)、新型材料、能源驅(qū)動等。

　　(1)自行車的生物力學(xué)研究

　　近年來，自行車創(chuàng)新以人機(jī)工程學(xué)為出發(fā)點(diǎn)，主要集中在生物力學(xué)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(shí)蹬踏力可達(dá)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(xué)，用五桿平面機(jī)構(gòu)模擬具有圓鏈輪驅(qū)動的腳蹬自行車系統(tǒng)，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(jié)奏的關(guān)系。RayP.S .Han著眼于非圓鏈輪驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析與研究，并對人體作用進(jìn)行評估，包括關(guān)節(jié)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(jī)構(gòu)，再求解兩鏈輪臂連桿頂部的位置，得到非圓驅(qū)動鏈輪的形狀。同時(shí)建議將橢圓鏈輪和圓鏈輪結(jié)合起來運(yùn)用:在低速狀態(tài)下，使用前者，在高速狀態(tài)下，切換到后者。Redfield對腳踏數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，估計(jì)出曲柄轉(zhuǎn)角和腳踏角的關(guān)系。國內(nèi)研究人員鄧國光從力學(xué)角度較為詳細(xì)地研究了自行車運(yùn)動員的蹬踏方式，并用微機(jī)控制閉環(huán)系統(tǒng)—自行車運(yùn)動訓(xùn)練測試臺得出的數(shù)據(jù)，研究出曲柄旋轉(zhuǎn)角與蹬踏角的關(guān)系。

　　(Z)自行車的多種創(chuàng)新形式

　　在造型設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)代自行車創(chuàng)新更注重色彩設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝的應(yīng)用以及多功能的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(fēng)格上表現(xiàn)出多樣性和仿生性，出現(xiàn)“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(qiáng)視覺效果的“流線型”結(jié)構(gòu)和改變駕駛者姿態(tài)的“躺式”造型是自行車造型發(fā)展的新趨勢。

　　在能源驅(qū)動方面，出現(xiàn)太陽能驅(qū)動、蒸汽驅(qū)動、夜光型、以及很有發(fā)展前景的電力驅(qū)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(huán)保交通工具，在減輕或消除城市環(huán)境污染方面發(fā)揮作用。

　　碳纖維、復(fù)合材料、鎂合金、鋁合金等新型材料因其優(yōu)良的材料特性而被有效地運(yùn)用到自行車特別是賽車上。開發(fā)生產(chǎn)碳纖維自行車和鎂鋁合金自行車是當(dāng)今自行車工業(yè)領(lǐng)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(dú)到特性而運(yùn)用于自行車上。國內(nèi)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(shè)計(jì)的新型自行車。

　　自行車的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，封閉式、獨(dú)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(jié)構(gòu)簡便、攜帶方便成為行業(yè)人士的關(guān)注焦點(diǎn);全懸臂式前后叉避震賽車成為運(yùn)動比賽的亮麗風(fēng)景線。

　　多功能自行車是高科技發(fā)展的結(jié)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(yù)測，電動、環(huán)保、折疊、鎂合金材質(zhì)為特色的自行車將成為二十一世紀(jì)市場的先鋒產(chǎn)品，有取代登山車及避震車的趨勢。

　　1.3動畫仿真技術(shù)

　　無論是從自行車設(shè)計(jì)本身，還是從創(chuàng)新軟件開發(fā)的角度，動畫仿真技術(shù)都是一個(gè)有利的工具。系統(tǒng)模擬以及動畫技術(shù)常用于表現(xiàn)真實(shí)對象或模擬對象隨時(shí)間變化的行為。利用計(jì)算機(jī)造型和仿真技術(shù)，構(gòu)造出產(chǎn)品或裝置的幾何模型和功能模型，對它們進(jìn)行運(yùn)動學(xué)及其他性能的分析和模擬，可以使設(shè)計(jì)思想更加直觀清晰，設(shè)計(jì)過程更加合理，從而降低制造成本和試驗(yàn)強(qiáng)度，避免危險(xiǎn)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(shí)體圖動畫。二維實(shí)現(xiàn)不存在消隱和陰影處理;三維實(shí)體動畫效果最形象、最生動，但要進(jìn)行消隱和陰影等復(fù)雜處理，畫面刷新的計(jì)算量很大。當(dāng)仿真軟件用于系統(tǒng)性能分析時(shí)，一般不考慮實(shí)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(shí)間，加快模型執(zhí)行速度;當(dāng)仿真用于處理設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)過程時(shí)，三維實(shí)體動畫是最佳選擇。從性質(zhì)上看，動畫仿真主要有如下兩種方式叫:

　　(1)關(guān)鍵幀動畫。在這種方式下，先運(yùn)行仿真程序，實(shí)體運(yùn)行軌跡連同仿真時(shí)鐘全部保存，仿真運(yùn)行結(jié)束后，作為動畫的驅(qū)動數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)動畫畫面與模型的不一致性。另外，也不能在仿真運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能及時(shí)根據(jù)動畫顯示的仿真結(jié)果修改仿真模型，不具備動畫與仿真的交互能力。

　　(2)實(shí)時(shí)動畫。在這種方式下，動畫刷新與仿真模型在時(shí)間上、數(shù)據(jù)上同步執(zhí)行，仿真運(yùn)行結(jié)果及時(shí)通過動畫顯示出來;兩者交互，用戶可中斷運(yùn)行中的仿真程序，修改模型，運(yùn)行仿真程序時(shí)，直接看到修改處引起的變化。因此，相對于較傳統(tǒng)的動畫技術(shù)，實(shí)時(shí)動畫仿真保證了由實(shí)體的狀態(tài)、事件、活動、進(jìn)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(lǐng)域比較先進(jìn)，但相關(guān)文獻(xiàn)大都針對特定問題進(jìn)行單項(xiàng)動畫仿真研究，有關(guān)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(shù)上卓越的體現(xiàn)是波音777飛機(jī)的設(shè)計(jì)。波音公司采用法國達(dá)索/IBM的CATITS三維設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，用并行方式處理，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化定義，用三維實(shí)體模型數(shù)字化預(yù)裝配檢驗(yàn)干涉情況，其精度達(dá)到前所未有的程度。

　　我國在計(jì)算機(jī)動畫和動畫仿真方面的研究及應(yīng)用起步較晚，主要處于引進(jìn)、吸收和消化階段。目前主要應(yīng)用領(lǐng)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(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與國外相比，無論在研究開發(fā)還是在應(yīng)用的普及范圍上都存在較大差距。我國引進(jìn)的三維計(jì)算機(jī)動畫有法國的Explofe、美國的Advanced Visualiger, Softmage 3D和加拿大的Alias Animator，微機(jī)上運(yùn)行的3D MAX三維動畫系統(tǒng)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(xué)自動化系和航天航空部204所共同研制，用于制造系統(tǒng)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(xué)自動化系、華中理工大學(xué)機(jī)械工程系以及精密儀器系合作開發(fā)，以機(jī)械加工中心加工過程為仿真對象，具有三維實(shí)體圖的動畫功能。