结构设计任务与重要性探讨

1.关于结构设计所要解决的基本矛盾与相关要素

为深入理解结构设计所要解决的基本矛盾，首先分析下面的实例。【案例6-1】关于自行车的功能与结构分析（图6-1）

图6-1 自行车的外形和功能与结构分析

要想设计出一台深受用户欢迎的自行车，首要问题是吃透其功能。其主要功能可分为能量转换、传动装置、行走装置、控制系统以及支承与连接系统等。接着就是要根据功能原理作用方案，绘制自行车的运动简图，进行自行车总体设计和结构设计，以及确定各功能部件的具体结构方案等，如：

1）可通过回转的脚踏板输入骑车者的能量且采取后轮驱动方式，由于踏板轴离后轴较远，需要采用链传动。

2）为使得自行车既有承载能力，又有良好的缓冲、弹性、附着性能，并尽量减轻自重，故其行走装置宜采用外胎带有凸起花纹的充气橡胶轮胎和钢圈辐条结构。

3）而自行车的运动方向与速度的控制则完全凭借骑车者的眼睛观察和大脑反馈信息，并通过双手操纵车把和车闸来实现的。

4）为了使得坐垫乘坐尽量舒适，将其设计成马鞍形，下部具有减振弹簧，上部带有软垫的结构等。所有这些就是结构设计所要解决的基本矛盾，即如何实现从原理解到结构解的转化。

通过第5章我们已经解决了如何求得能够满足产品功能的原理作用方案解的基本问题。而现在面临一个新的基本问题是如何把原理作用方案解变成能保证功能实现的、可加工的、且优质价廉的产品结构方案，实现从原理解到结构解的转化。

结构设计牵涉到许多复杂的基本要素，是一项技术密集型的工作，故又称为技术设计。

图6-2描述了与结构设计相关的基本要素。首先，结构设计的宗旨是保证实现产品功能；其次，任何结构都必须通过某种材料和制造来实现；再次，产品结构的生成包含着空间约束、构造、性能、连接与部件等基本要素。

空间约束是指设计对象与其他实体的界面，包括从整个产品、到各个系统、直到零部件的空间约束。

构造是指产品中零件及部件的形状、结构及组成方式。(www.xing528.com)

图6-2 与结构设计相关的基本要素

性能是指产品使用中表现出的各种使用性能（包括力学和物理化学等项性能）。

连接是指零件连接中零件之间的界面，它起着保证功能实现和确定零件间相对位置与方向的重要作用。因此，连接设计是将概念设计具体化过程中的一个关键步骤。

部件是指组成产品的各种结构件。它具有承受载荷、传递运动与力、保证有关零部件的相对位置或运动轨迹等项功能并达到预期的性能。

2.结构设计的任务和重要性

综上所述，结构设计的任务就是将原理方案结构化，确定完成功能所要求的零部件的材料、形状、尺寸、加工和装配。它是涉及到材料、工艺、强度、精度、设计计算方法、制图、公差与配合以及实验与检测技术等多学科的一项复杂而综合性的工作，是工作量最大的重要设计阶段。

结构设计的重要性体现如下：

1）基本体现了产品设计的基本成果，并且是加工和装配的依据。

2）是一切计算工作的前提和基础，因为任何计算公式都只能适用于某种特定的结构。

3）关系到整机性能、零部件的强度、刚度、寿命以及产品的工艺性、安全性、与环境的协调性等。

因此，合理的结构设计是保证产品满足功能要求、确保产品质量、提高可靠性与寿命和降低成本的关键环节。