现代产品设计技术及其发展

・技术纵横・孙林夫现代产品设计技术及其发展’) ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

现代产品设计技术及其发展

孙林夫

（西南交通大学! 四川成都$）" #工程中心，%&&’%

摘要：通过对产品功能需求的发展、产品设计特点和设计方法学的分析入手，论述了设计问题的建模、集成设计技术、协同设计技术和创新设计技术的发展和现状，从而总结出现代产品! " #技术、! " (技术、

设计技术的发展趋势。

关键词：产品设计；计算机辅助设计（）；创新设计! " #中图分类号：；! " #$$! %&’#() $

文献标识码：*

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#产品设计特点和方法

设计是人们在认识世界的基础上改造世界的重要活动。随着人类社会的进步和科学技术的发展，人们对设计对象（即“产品”）的要求越来越高，要提高“产品”的功能，自然要求设计方法和手段的创新；而设计方法和手段的进步往往会带动产品的革新，从而形成良性发展的循环。

#(#产品的功能结构

产品功能随着时代的发展而发展，如图%所示。我们可以将他们分为初级产品、产品和艺术品’

个层次。

尽的问题分析后才转向解的搜索，而是在设计问题形成

收稿日期：*&&*+%*+&. ! " 造系统技术。

的早期，就对设计的解有了概念，这种概念一直指导和影响着以后的求解过程。

而是诱导和产! ! 设计行为的逻辑不是演绎或归纳，生。设计者在一个具体的设计过程中，并不是对这一设计的所有可能情况都进行考虑之后才决定如何进行，得出的设计往往未必是最优的，但有经验的设计者大体上能知道各种因素的彼此关系。这时，设计行为的逻辑并不是演绎或归纳，而是诱导或产生，专业领域知识起着关键的作用。

可见，产品设计是一个综合问题，需要考虑经济、政治、社会和自然等诸多因素，必须综合运用力学、材料、经济和管理等各个领域的知识；设计也是一个社会问题，他伴随着人类社会的发展而发展，其产品反映了各个历史时期社会经济、文化、科学、技术发展的水平，以及民族特征，设计者时刻感受着社会的脉搏；设计需要做到技术、经济和艺术上的统一，人们力求以较少的投入来实现各种产品，以满足预定需要，其中包括审美要求，这和各项技术活动密切相关。

却是有限的。因此，人们只能“认知”产品的部分属性，

" #$

系统是”等内表几何

" #$设计方法学

“实证派”和“现象派”是本世纪以来西方哲学家中出现的两个学派。“实证派”主张对客观事物从实际的经验和预定的理论原则进行定性及定量的分析，通过对事物的解释找出其因果关系，做出必要的预测；“现象派”主张做总体的、非定量的阐述，撇开各种预定的原则和常规观念，承认世界的模糊性和不确定性，通过理解事物找出其意义。

这两种方法在某种程度上具有排斥性，但他们是相辅相成和互为补充的。设计时我们用“实证派”方法对设计做出预测，而用“现象派”方法去解决模糊和不确定的问题，使设计更具有意义。与之相对应，产品设计需要将逻辑推理和非逻辑推理协调运用，是抽象思维和形象思维综合的结果。设计者靠抽象思维用科学理论进行严密的逻辑推导，而靠形象思维决断许多靠逻辑无法决定的问题，并使设计富有创造性。

%现代产品设计技术及其发展

%#" " #$技术

%#" #" 产品模型与设计技术

模型用来表示实际的或抽象的对象，是对被处理对象进行计算、分析、模拟和研究的基础。计算机设计系统中的模型是产品在计算机中的具体体现，是计算机

“

・技术纵横・孙林夫现代产品设计技术及其发展) -! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 特征和参数化功能还可以更加准确表达设计者的设计意图，使设计过程更加符合设计者的设计习惯和思维方式。三维! 能够" #系统具有更高级的曲面造型工具，构造各种复杂的产品形状；三维的产品模型还可以进行产品的装配设计；通过赋予零部件一定的物理属性，如材料等，就可以进行产品结构分析和各种物理计算；产品的三维模型可以直接通过投影自动生成二维工程图，同时设计结果也可以为后续设计模块，如工程分析、数控加工等应用。由于三维! " #系统的模型包含了更多的实际结构特征，使用户在采用三维! " #造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造或加工制造过程。

三维! 能实现“自顶向" #系统有较好的造型工具，底”和“自底向顶”等设计方法，使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统具有相对丰富的属性，能方便地将设计与分析、工艺和辅助制造系统相联结，成为实现! " #／! " $／! " %%／! " &集成的基础。可见，三维! 实证派”设计方" #系统是’() 介绍的“法的基础，也为“现象派”方法和形象思维提供了实际的设计工具。

三维! " #为设计领域创造了一个新的空间。三维

从而使! ! " #的模型包含了! " $系统所需的属性，" #

系统能进行! 将信息方便地" $工作的前处理和后处理，

实现! 极大与! " $系统进行交换，" #与! " $的集成，

地提高了产品的设计水平和设计质量。

! " #／! " %%／! " &在过去的几十年中得到了迅速发展，并在工业界得到了较好的应用。三维! " #能为

通过特征技术! " %%和! " &系统提供设计的基础信息，

等实现! 、" #与下游! " %%! " &等应用系统的信息集成。

。%*产品数据管理技术（%#&）

! " #／! " $／! " %%／! " &技术的应用为产品设计带来了全新的面貌，但各个系统本身的发展是局部的，所产生的数据涉及产品的不同方面，系统之间缺少联系；企业各部门之间存在的业务上的差异，也使应用系统之间难以沟通和交流。

他以产品%#&是管理产品相关数据的一门技术，

为核心，对产品数据进行有效组织，实现对产品相关的数据、过程、资源的一体化集成管理。与其他的信息管

）不同，理系统（如&+, %#&以制造业产品为管理的核

心，实现分布式异构信息的集成。他以数据、过程和资源为管理信息的) 大要素，架起了面向设计制造的信息流和面向生产管理的信息流之间的桥梁，从根本上解决

、、、! " #! " $! " %%! " &等单元技术之间的数据交流和“信息孤岛”现象。

! " ! ! " $技术

实证派”基础上的设计方法。! " $技术是建立在“

他将连续的结构离散化，! " $一般以有限元法为基础，

利用变分原理进行求解。有限元法求得的是近似的数值解，其精度与单元的大小密切相关。划分的单元越小，精度越高，单元数也越多。因此，有限元法是随着计算机的发展而发展起来的，只有与计算机的高速和大容量相结合，有限元法才能发挥有效的作用。

尽管! 但各个专" $技术的发展较! " #技术更早，业对! " $的态度是不一致的。土木设计专业往往将由于大多土木结构属于单个、大型结构，! " $放在首位，

施工和运行过程中的每一状态都需要十分清楚地进行预测，因此! " $变得十分重要。一般的机械产品一方面由于批量大，可以在运行过程中不断改进并积累经验；另一方面由于产品的形状和受力复杂，不能用一般的结构力学方法进行分析，! " $技术的采用相对较晚。随着“产品”向“艺术品”发展以及对产品经济、社会和环境效益要求的提高，今天的产品设计已离不开! " $技术的支持，! " $技术本身的发展也促进了产品设计水平的提高。实证派”为! " $高度的逻辑推理功能使其成为以“代表的设计方法的基础。

! " &虚拟设计技术

结合虚拟现实技术，通过虚拟样机逼真地观察产品

内部的每一个细节，并能迅速进行修改。在设计过程中，在头盔和数据手套等辅助下，能方便地进行零件设计、虚拟装配和仿真，达到随心所欲的设计境界，为“现象派”设计方法提供了重要的设计手段。

! " ’协同设计技术

协同设计技术是实现分阶段、分步骤的设计，解决开放的复杂设计系统的重要手段。我们知道任何一个产品的设计都不是孤立的，他们是整个环境中的一部分，需要进行分工协作。协同设计系统是实现社会的分工协作，支持专业化的社会产品设计协作体系的重要工具。协同以人们协同工作方式为背景，计算机和通信技术的发展和融合为基础，是地域分散的一个群体借助计算机及其网络技术，共同协调与协作来完成一项任务。他包括群体工作方式研究和支持群体工作的相关技术研究等。协同设计强调设计者采用群体工作方式，以改善传统设计中项目管理与设计之间、不同设计阶段之间和! " #集成设计技术

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P " " H 年! 月中国制造业信息化第H P 卷第! 期O "

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! " #设计与创新

创新是设计的灵魂。虽然产品设计时间不足生产周期的! 但决定了产品成本的$" #，" #。随着产品向“艺术品”方向的发展，设计的创新已成为产品的生命。

$%设计手段的更新与产品创新。&’(／&’) ／

使产品的设计手段和方法得到&’**／&’+技术的应用，

了很大的提高，特别是以三维&分析’(为代表的设计、和仿真等集成技术，“自顶向下”和“自底向上”的设计方法的应用、产品的预装配、数字样机技术的应用等均为产品的设计创新打下了基础。

%%概念设计与产品创新。概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。广义上的概念设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程，包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。从工业设计角度看，概念设计则是指在产品的功能和原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程，主要包括布局设计、形状设计和人机工程设计。产品设计过程中，创新性表现最为集中和突出的就是产品的概念设计阶段，概念设计的质量与效率将直接影响到整个产品的开发周期、上市时间、生产成本等重要因素。概念设计需要模糊的、非常规的设计思维，是“现象派”设计方法的重要方面，需要运用形象思维进行产品的设计。

&%知识的应用与产品创新。创新设计的核心是领域设计知识、设计经验在设计各阶段的应用。在前面的论述中我们已经知道，产品设计过程并不是一个必须从低层几何造型开始的设计过程，设计者在设计过程的初期就对“设计”有了概念的认识，这种概念是专业领域思维模式作用的结果，一直指导着整个设计过程。由于产品设计问题本身是一种病态结构，设计过程无法用完整的数学公式为他建模，即“设计”不是纯逻辑推理过程，设计知识和经验起着关键作用。规划控制下的两个阶段设计方法是其中的有效方法，规划是一种问题分解技术，设计者用长期设计实践中形成的领域思维模式对问题进行分解，建立起设计问题的类层次结构；再采用两个阶段的设计过程来求解设计问题，其中第一阶段是利用设计经验和知识产生设计初始解，第二阶段是利用设计原理进行设计的逻辑推理过程。

’%基于发明创造方法学的设计创新。近年来以发明创造方法学（）研究为基础，结合现代设计方法, -. /学、计算机技术、多领域科学知识综合而成的创新技术得到迅速发展。, -. /是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。, -. /的基本原理是：企业和科学技术领域中的问题和解决方案是重复出现的；企业和科学技术领域的发展变化也是重复出现的；高水平的创新活动经常是应用专业领域以外的科学知识。因此技术系统的进化遵循客观的法则群，人们可以应用这些进化法则预测产品的未来发展趋势，把握新产品开发方向。基于发明创造方法学的设计创新是从设计原理上进行的创新。

(结束语

产品的设计过程是一个创造性思维的过程。现代产品设计技术应用于从产品设计构思、概念表达、结构设计、性能分析，到最终的技术要求和制造工艺的编制等各个阶段，在设计的各个环节运用设计知识，经过计算、分析、综合等创造性思维过程，将设计要求转化为对产品结构、组成、性能参数、制造工艺等定义和表示。通过论述，我们可以看到：

认知”为$%现代产品设计技术以计算机对产品的“

基础。产品本身能表现出来的属性是无限的，但可用的计算机资源、人们的认识知识是有限的。因此，人们只能“认知”产品的部分属性，每一个计算机辅助设计系统也只能解决产品的部分设计问题。

可以包含约%%三维&’(系统以三维模型为基础，

束、特征等多种设计属性，是实现各类设计系统集成，支持产品各个阶段设计的基础。

由多人共同协调与&%协同设计系统以网络为基础，

协作来完成产品设计任务，是建立设计的分工协作，支持社会设计制造的分工协作体系的重要工具。

是产品的生命。创新设计需’%创新是设计的灵魂，

要设计手段的创新；要利用领域设计原理、设计知识和经验，也要应用模糊和非定量的感性的认识，是逻辑思维和形象思维综合运用的结果；创新设计同时也需要设计原理的创新，要集成应用包括发明专利在内的各类资源。

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