创造性思维在机械结构设计中的重要应用之一是结构变异设计方法。
结构变异设计方法能使设计者从一个已知的可行结构方案出发，通过变异设计，得到大量的可行方案。
变异设计的目的是寻求满足设计功能要求的、独立的结构设计方案，以便通过参数设计得到优化的结构解。通过变异设计所得到的、独立的设计方案数量越多，覆盖的范围越广泛，通过参数设计得到全局最优解的可能性就越大。
变异设计方法以已有的可行设计方案为基础，通过有序地改变结构的特征，得到大量的结构方案。变异设计的基本方法是通过对已有结构设计方案的分析，得出描述结构设计方案的技术要素的构成，然后再分析每一个技术要素的合理的取值范围，通过对这些技术要素机械创新设计在各自的合理取值范围内的充分组合，就可以得到足够多的、独立的结构设计方案。
图4-1 销连接结构
例如，图4-1所示为一种销连接结构，销的材料、形状、尺寸、位置、方向、数量等参数构成了描述销连接结构方案的技术要素，对这些技术要素在合理的取值范围内进行变异，就可以得到多种新的销连接结构方案。
在构成零件的多个表面中，有些表面与其他零件或工作介质直接接触，这些表面称为零件的工作表面。零件的工作表面是决定机械装置功能的重要因素，其设计是零部件设计的核心问题。通过对工作表面的变异设计，可以得到实现同一功能的多种结构方案。
工作表面的形状、尺寸、位置等参数都是描述它的独立技术要素，通过改变这些要素可以得到关于工作表面的多种设计方案。
图4-2描述的是通过对螺栓和螺钉的头部形状进行变异所得到的多种设计方案。其中，方案a～c的头部形状使用一般扳手拧紧，可获得较大的拧紧力矩，但不同的头部形状所需的最小工作空间（扳手空间）不同；滚花形（方案d）和元宝形（方案e）的头部形状用于手工拧紧，不需专门工具，使用方便；方案f～h的扳手作用于螺钉头的内表面，可使螺纹连接结构表面整齐美观；方案i～l分别是用十字形和一字形螺钉旋具拧紧的螺钉头部形状，拧紧过程所需的工作空间小，但拧紧力矩也小。可以想象，有许多可以作为螺钉头部形状的设计方案，不同的头部形状需要用不同的工具拧紧，在设计新的螺钉头部形状方案时要同时考虑拧紧工具的形状和操作方法。
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图4-2 螺栓、螺钉头部形状的变异
图4-3所示为凸轮挺杆机构中通过将接触面互换的方法所实现的变异。在图4-3a所示的结构中，挺杆与摇杆通过球面相接触，球面在挺杆上，当摇杆的摆动角度变化时，摇杆端面与挺杆球面接触点的法线方向随之变化。由于法线方向与挺杆的轴线方向不平行，挺杆与摇杆间作用力的压力角不等于零，会产生横向力，横向力需要与导轨支撑反力相平衡，支撑反力派生的最大摩擦力大于轴向力时造成挺杆卡死。如果将球面变换到摇杆上，如图4-3b所示，则接触面上的法线方向始终平行于挺杆轴线方向，有利于防止挺杆被卡死。
图4-3 摇杆与挺杆工作表面位置的变换
图4-4所示为V形导轨结构的两种设计方案。在图4-4a所示结构中，上方零件（托板）导轨断面形状为凹形，下方零件（床身）为凸形，在重力作用下摩擦表面上的润滑剂容易自然流失。如果改变凸、凹零件的位置，使上方零件为凸形，下方零件为凹形，如图4-4b所示，则有利于改善导轨的润滑状况。
图4-5所示为棘轮—棘爪结构，描述棘轮—棘爪结构的技术要素包括轮齿形状、轮齿数量、棘爪数量、轮齿位置和轮齿尺寸等。图4-6表示通过对这些要素的变异得到的新结构，其中，图a～c表示对轮齿形状变异的结果，图d和e表示对轮齿数量进行变异的结果，图f和g表示对棘爪数量进行变异的结果，图h和i表示对轮齿位置变异的结果，图j和k表示对轮齿尺寸变异的结果。
图4-4 导轨位置的变换
图4-5 棘轮—棘爪结构
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