联想类比法.docx

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联想类比法

论现代设计技术之传统和现代创新

联想类比法

摘要：

：

本文主要阐述现代设计技术之传统的原理、特点和方法；联想类比法的原理、特点以及在现代创新中的应用；创新性思维的内涵以及创新的过程。

关键词：

联想类比法设计传统创新创新性思维

1概述

传统的机电产品设计是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计，也称常规设计。

而现代机电产品设计方法则是强调创造性，在注重产品整体功能基础上以现代设计方法和计算机技术为工具的机电一体化系统设计。

这种设计不但可以大大提高设计的质量、精度和效率，而且可以将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来，从而高水平、高效率地设计出性能优良、市场欢迎、经济效益显著的新型产品。

本文着重以联想类比法介绍两者相关理论以及它们之间的关系。

2联想类比法

爱因斯坦曾说过：

“想象力比只是更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是只是进化的源泉。

”知识经济时代要求人们特别注重只是创新，而知识创新的思维基础又是创造性思维。

创造性思维在为此，对创造性思维的应用展开研究非常有必要。

思维和感觉都是人脑对客观现实的反映，感觉是人脑对客观现实的直接反映，是通过感觉器官对失误的个别属性、事物的整体和外部联系的反映。

思维是对客观事物经过概括后的间接反映，它所反映的是客观事物共同本质的特性和内在联系。

这种反映是通过对感觉所提供的材料进行分析、综合、比较、抽象和概括等过程完成的。

这些过程就是思维过程。

创造性思维是指有创见的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，且能在次基础上提供新的，具有社会价值的产物。

它是智力高度发展的产物。

创造性思维有独创性、连动性、多向性善于想象、突变性等特点。

创造性思维的核心是创新精神和创新能力，因此它是一种以记忆、联想、感知、理解等能力为基础，以求新性、探索性和综合性为特征的抽象心理活动。

创造性思维方法主要有群体集智法、系统探求法、联想类比法、组合创新法、反向探求法等。

下面着重介绍联想类比法

联想思维法是根据事物之间都是具有接近、相似或相对的特点，进行由此及彼、由近及远、由表及里的一种思考问题的方法。

它是通过对两种以上事物之间存在的关联性与可比性，去扩展人脑中固有的思维，使其由旧见新，由已知推未知，从而获得更多的设想、预见和推测。

联想思维具有启迪性、支配性、逻辑性和扩展性。

通常可以把联想思维分为因果联想、相似联想、推理联想和对比联想四种类型。

①因果联想。

是从已掌握的知识信息与思维对象间的因果关系中获得启迪的思维形式。

②相似联想。

是将观察到的事物与思维对象之间作比较，根据两个或两个以上的研究对象与设想之间的相似性创造新事物的思维方式。

世界上纷繁复杂的事物之间是存在联系的，这些联系不仅仅是与时间和空间有关的联系，还有很大一部分是属性的联系。

利用相似联想，首先要在头脑中储存大量事物的“相似块”，然后在相似事物之间进行启发、模仿和借鉴。

由于相似关系可以把两个表面上看相差很远的事物联系在一起，普通人一般不容易想到，所以相似联想易于导致创新性较高的设想。

③推理联想。

是指由某一概念而引发其他相关概念。

根据两者之间的逻辑关系，推导出新的创造构想的思维方式。

④对比联想。

是将已掌握的知识与思维联系起来，从两者的相关性中加以对比后获得新知识的思维方式。

概念设计决定了设计的方向，是工业设计过程中最具创造性的一部分。

合理地运用创造性思维，不仅能提高概念设计的质量，还能缩短概念设计的时间。

研究表明，在概念设计的时候，善于运用联想思维和直观思维去思考的人，往往更容易得到创造性的结果。

国外的一些设计院校在本科的时候就有把剪开的纸张悬挂着让其形成自然形态的方法来训练设计师的联想思维。

创造性思维本身就是一种全方位的思维形式。

能够引导人们从不同的角度，不同的层面去思考:

一方面，它能突破定势思维，激发设计灵感;另一方面，考虑问题更为全面。

而目前国内不少设计公司忽视了这一点，概念还不成熟就做开始二维或三维的设计表现。

以至于到了模型设计阶段发现问题后，还要回到概念设计进行修改。

联想思维在机械类工业设计中是不可或缺的重要方面，是决定设计创作成功与否的重要条件之一。

联想思维通过赋予若干对象之间一种微妙的关系，从中展开想象而获得新的形象。

因此，当某个对象出现时，人们的大脑会立即兴奋起来，随着它进行一系列的联想，这些联想便导致一种新的形象出现。

以工业产品造型创意训练为例，我们选取自然界中的一片云作为创作题材，通过设计师的观察、思考和一系列的联想，创作出众多别具特色的艺术造型。

由云产生形态的联想，如棉花、海绵和花等;由云产生色彩的联想，如白色、兰色和粉红色等。

通过这样的联想，可以为我们打开设计思路，从而创作出更多、更好的产品。

特别是对机械类工业设计专业的学生来讲更适用，机械类工业设计专业的学生往往抽象思维比较强，形象思维比较弱，更需要掌握联想思维法。

著名设计史专家，洛山矶设计艺术中心学院的王受之教授在重庆大学做讲座的时候曾强调，设计的本质是解决问题。

因此，工业设计的过程也可看作是发现问题分析问题解决问题的过程，而创造性思维倡导的积极地观察思考的思维训练方式在恰好能提高这一过程。

例如，日本一款儿童用的汤匙设计，就是发现儿童用汤匙的时候容易掉，在普通的汤匙的把手上加了一个树枝状的弯曲结构，解决了问题。

这个设计因此获GOMARK大奖。

善于运用创造性思维联想类比法有助于优化设计方案。

工业设计是一个产品从无到有的过程，也是一个对设计方案不断完善的过程。

同一个产品的设计，用不同的创造性思维原理，得到的结果也不同。

在设计过程中，通过对不同的创造性思维原理作用的结果进行比较、筛选就能不断地优化设计方案。

拿椅子的设计来说，运用组合叠加原理可以可得到适用于公共场合的多人座椅；用逆向创造设计原理可以得到摇篮式座椅；用分解移植设计原理可得到可调节座椅；用改变属性设计原理可得到钢管椅、充气椅、折叠椅，几种创造设计原理分别组合作用，又可得到更多的设计方案。

可见，造性思维对优化设计方案有着重要的意义，每个设计的终点都可以看成是下一次设计的起点。

鼓励独创己见、大胆开拓的创造性思维方法，发挥其在优化方案设计的作用已经被国内外的设计公司所采用。

国际一些著名的设计机构，如FrogDesign，IDEO，LunarDesign之所以能在国际设计大赛中获得大奖，一个重要的原因就是他们善于用创造性思维优化设计方案。

3常规设计方法与现代设计方法比较

3.1常规设计方法简介

目前我们所使用的《机械原理》、《机械设计》教材，主要研究的是机构的原理、运动分析和零部件的设计。

当前所采用的设计方法仍是以直觉设计、经验设计、静态设计为基础的常规设计方法。

其不足之处是没有把设计本身当作一门学科来对待，所使用的设计方法主要有:

1）理论设计

根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。

如对简单受拉力杆的强度设计

设计强度计算式

式中

F：

作用在杆上的外载荷

A：

拉杆的横截面积

：

拉杆材料的极限应力

S：

安全系数

可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积，也可以按其他方法先初步设计杆件的横截面尺寸，然后用强度计算公式去校核。

由于实际情况复杂多变，若安全系数选择过大，则产品傻、大、粗，若安全系数过小，则很难保证安全性。

2）经验设计

根据某类零件已有的设计方法与经验关系式，或根据设计者个人的工作经验用类比办法所进行的设计叫经验设计。

随着设计产品的技术系统越来越复杂，技术含量不断提高，产品更新发展速度加快，经验类比的设计方法已不能满足市场需要。

3.2现代设计方法简介

现代设计方法是新理论与计算机应用相结合的产物。

它是以思维科学、设计理论系统工程为基础，以方法论为手段，以计算机为工具的各种技术和程序的总和。

现代设计与传统设计的比较

系统方法手段

传统设计静态经验手工

现代设计动态科学计算机

1）机械零件的可靠性设计

零件的可靠性设计是指在规定的时间内、规定的条件下、完成规定功能的能力。

可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等，看成服从某种分布的随机变量。

然后根据产品的可靠性指标要求，用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸。

根据概率论的观点，再孤立地讲安全系数是没有意义的，必须和对应的可靠性联系起来。

比如：

按常规设计方法，安全系数大于1的零件是不应该失效的，但在实际中，安全系数很大的零件也有发生失效的事件，这种现象从我们常规的设计方法是不能理解的，而从概率设计的观点来讲是完全合乎规律的。

如将引起零件失效的因素统称为“应力”，用S表示，则S可表示为各种失效因素

（i=1，2，⋯，n）的函数

同样将零件抵抗失效的因素称为“强度”，用r表示，则r可表示为各种影响强度的因素

（i=1，2，⋯，n）的函数

在可靠性设计中，由于应力S和强度r都是随机变量，因此，判断一个零件是否安全可靠，是以强度r大于应力S所发生的概率来表示的，其设计准则为

式中

表示零件在运行中的安全概率，即可靠度。

它是指零件在工作时间t内的一种能力。

[R]称为零件的许用可靠度，它表示零件在规定时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力，即许用安全概率。

2）机械零件的优化设计

按传统的常规设计方法，对绝大多数零件（如齿轮模数、齿数、轮齿宽、螺旋角等参数）所设计的结果尽管在刚度、强度两方面可以满足设计要求，但由于经验性和盲目性，而不能达到最优化结果。

优化设计跳出了传统的设计思想，它是在符合一系列限制条件的前提下，求出满足最优效果的设计参数解，由于计算量大，在计算机出现前只是推断，近年来该技术有了很快的发展。

这里借助一个例子简单介绍几个基本概念。

例设计一个积为V的无盖圆柱筒，要求用料最省。

（1）设计变量：

设计中必须最后确定的各个参数。

如上例中圆柱筒底面半径

，桶高

。

（2）约束条件：

各个变量从实际工程出发，其取值范围所受到各种各样的限制和条件约束。

可分为等式约束和不等式约束。

如上例中：

桶的容积

——等式约束

桶底圆半径

——不等式约束

桶高

——不等式约束

（3）目标函数：

目标函数是预期优化目标中各设计变量关系的数学表达式。

如上例中，用料最省

（4）最优化方法：

最优化问题也称数学规划问题，根据数学模型中是否包含约束条件分为无约束优化问题和约束优化问题。

常见无约束化方法有：

一维搜索法、梯度法、牛顿法、共轭方向法。

常见约束优化法有：

约束一维搜索、可行方向法、惩罚函数法等。

如上例即可构造惩罚函数求解

、

3）机械零件的计算机辅助设计

在主要是人工资料检索、手工计算和绘图的传统设计中。

往往需要较多的人力和较长的设计周期。

特别是对一些复杂的计算及绘图，只能采取近似计算及作图，影响了设计的质量。

计算机辅助设计（CAD）可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来，有利于发挥人和机器的各自特长，大大加速设计进程。

借助于CAD系统，我们可以用精确计算代替近似计算，用计算机绘图代替手工绘图，从而使设计理论和结果日趋完善。

3.3总结

由常规设计方法到现代设计方法的转变包括。

从定性分析到定量分析，从静态分析到动态分析，从手工计算向自动设计计算，以及从安全性设计向优化设计等转变。

4创新性设计思维与内涵

4.1创新性设计思维的概念及类型

创造性思维是指突破原有的思维模式，重新组织已有的知识、经验、信息和素材等要素，在大脑思维反应场中激活后，提出新的方案或程序，并创造出新的思维成果的思维方式要创造，首先要有创造性思维，创造性思维是人类大脑的特有属性。

创造性思维就是“想到别人没有想到的观念”。

创造性思维是新颖独到的信息加工艺术，是人脑的各种思维活动形式和思维活动的各个要素之间相互协同进行的有机结合的高级整体过程创造性思维不同于在设计领域常用的逻辑思维，其主要在于创造性思维有创造想象的参与，而且，逻辑思维是一维的，具有单向性和单解性的特点，而创造性思维是一种立体思维，通常没有固定的延伸方向，它更加强调直观、联想、幻想和灵感。

所以创新设计不是靠逻辑推理出来的，而是靠创造性思维的激发所产生的。

创造性思维是整个创造活动中体现出来的思维方式，它是多种思维类型的复合体，把握创造性思维的关键是在认识不同思维类型的特点和功用的基础上，进行思维的辩证组合与综合运用。

创造性思维的类型可如下划分：

（1）发散型思维发散型思维就是在思维过程中，通过所得到的若干概念的重新组合，大胆地向四周辐射，扩散出两个或多个可能的答案、设想或解决方式。

发散型思维既无一定的方向，也没有一定的范围。

不墨守成规，不拘泥于传统方法，对所思考的问题标新立异，达到“海阔天空”，“异想天开”的境界。

发散型思维能力的高低，取决于知识面、想象力，尤其是迁移能力。

发散型思维具体表现形式有立体思维、多路思维、反向思维、相关思维、相似思维、求同思维、求异思维、替代思维等等。

发散型思维所追求目标是获得尽可能多，尽可能新，尽可能独创的，前所未有的设想、方法、形式、思路、解法和可能性。

它为机械创新设计提供了多种可能。

（2）聚合型思维聚合型思维就是以某个思考对象为轴，从不同的方向和不同的角度，将思维指向这个中心点以供选择，达到解决问题的目的。

也就是从众多的信息中确认一个自认为最佳的或最好的方案。

聚合型思维要求思维具有概括性、及时性、正确性，聚合型思维能力的高低，取决于一个人的分析、综合、抽象、概括和判断推理能力强弱。

发散型思维和聚合型思维都是创造性思维的重要组成部分，两者互相联系，密不可分。

任何一个机械创新设计都必然从发散思维到聚合思维，再从聚合思维到发散思维，多次循环往复，直到解决问题，或创造性思维形成。

“多谋善断”的成语就说明这个道理，多谋就是发散思维，善断就是聚合思维，前者体现了“由此及彼”、“由表及里”的发散运动过程，后者体现了“去粗取精”、“去伪存真”的聚合运动过程。

发散型思维和聚合型思维是一个辨证统一的过程，创造性思维的全过程都是为了达到创造、创新的目的，从种种设想中找出最佳的解决方案。

（3）灵感思维灵感是指经过长期的思考和探索之后，受某种现象的启发，在头脑中突然闪现的独创性的意念或设想。

它是人们的创造活动达到高潮后出现的一种最富有创造性的飞跃思维的智能状态。

德墨克利特认为：

“这是一种感情极度狂热或激动的特殊精神状态”。

柏拉图认为：

这是神性着魔，是人与神的沟通!

其实，灵感是思维的迅速升华与高级浓缩，是过程的省略。

灵感既是一种思维形式，又是大脑加工信息的一种高层次功能。

许多科学发现，新产品问世都是通过灵感思维活动创造出来的。

作为机械设计工作者更应注重灵感开发，得到灵感的帮助而大大提高创造、创新能力。

（4）想象思维想象是一种抽象的形象思维活动，想象可以是非理性的凭空想象，也可以是理性的在已有确定性基础上进行重新组合或部分更新性质的想象。

想象思维具有以客观现实为基础，高度概括性和形象性及重新组合与再创造等特点。

想象是人类思维之树上最美丽、神奇的花朵!

没有想象就没有创造，创造离不开想象，想象是创造的精髓。

万有引力定律是从苹果落地充分展开想象翅膀的结果；“嫦娥奔月”的神话想象，诱使人类终于发明创造了飞机!

可见想象有时比知识更重要，想象推动着社会进步，科学发展，并且是知识进化的源泉。

没有想象的机械创新设计是不可想象的，用想象力形成创新成果已成为对现代机械设计人员必然要求。

4.2创新性设计思维的过程

当要对机械零部件提出一些创新性设计或做一些其它的创新性设计工作，一般要经历一下的创新性思维过程。

（1）准备阶段

准备阶段的过程是发现问题→分析问题→搜集问题→形成课题。

（2）酝酿阶段

酝酿阶段的过程是明确创新目标→继续收集资料→从事试验或研究→尝试各种思法可行性。

若问题简单，可能会很快找到解决问题的办法；若问题复杂，可能要经历多次失败的探求;当阻力很大时，则中断思维，但潜意识仍在大脑深层活动，等待时机。

（3）顿悟阶段

顿悟阶段是创造性思维的突破阶段。

创造主题在特定情境下得到特定的启发，被唤醒。

该阶段的作用机制比较复杂，一般认为是与长期酝酿所积蓄的思维能量有关。

这种能量会冲破思维定势和障碍，使思维获得开放性、求异性、非显而易见性。

（4）验证阶段

验证阶段表明创造性思维不仅注重形式上标新立异，内容上也要求精确可靠。

4.3创新性设计思维的特征

创新性思维是一种人类高层次的思维，它有下列特征。

（1）创新思维具有开放性的特点

开放性主要是针对封闭性而论的。

封闭性思维是指于习惯于从已知经验和知识中求解，偏于继承传统，照本宣科，落入“俗套”，因而不利于创新。

而开放性思维则是敢于突破定势思维、打破常规、挑战潮流，富有改革精神。

（2）创新思维具有求异性的特点

求异性主要是针对求同性而论的。

求同性是人云亦云，照葫芦画瓢。

而求异性则是与众人、前人不同，是独具卓识的思维。

（3）创新思维具有突发性的特点

突发性主要体现在直觉与灵感上。

所谓直觉思维是指人们对事物不经过反复思考和逐步分析，而对问题的答案做出合理的猜测、设想，是一种思维的闪念，是一种直接的洞察。

灵感思维也常常是以一闪念的形式出现，但它不同于直觉，灵感思维是由人们的潜意识与显意识多次叠加思维而形成的，是长期创造性思维活动达到的一个必然阶段。

（4）创新思维是逻辑与非逻辑思维有机结合的产物

逻辑思维是一种线性思维模式。

它具有严谨的推理，一环紧扣一环，是有序的。

逻辑思维常采用的方式一般有分析与综合、抽象与概括、归纳与演绎、判断与推理等，是人们思考问题常采用的基本手段

5.总结

机械创新设计意味着艰苦而扎实的工作，而非异想天开所能解决的事。

有创造力是一件好事，但要记住，创造力并非凭空妄想，而是一种行为的综合，即以新颖、新奇的方法把几种东西结合起来。

我们既要发扬新的现代的设计方法，还要不断地在传统设计方法中寻求突破点，获取更多的经验与教训。

创造力是为创新服务的，而无法代替创新本身。

再有就是，要强调创新是一种艰苦的劳动。

对于机械工程来说，创新性思维要应用到生产中，但不是妄想，要有足够的专业知识积淀，机遇总是青睐有准备的人，拥有创造性的想法，要转变为机械创新设计成果，不断实践。

创新性机械设计要积极地应用到社会生产中就会有很大的社会效益。