产品结构设计要求大全11篇

产品结构设计要求篇（1）

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

一、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。

制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。

(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。

将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。

1.3“构思”—“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。

从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。

1.4矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。

Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

二、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

三、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

3.1编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。

3.2知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

3.4设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

3.5基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

四、智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

五、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

产品结构设计要求篇（2）

引　言

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的 发展趋势。

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

1、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。

制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。

(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段 。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1　设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2　图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接 。

将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。

文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。

1.3　“构思”—“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。

从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1) 获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2) 寻找效应(简称为“效应”)；3) 寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能 。

1.4　矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。

Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5　键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方 法。

2、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风 险十分有利。

提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具 有自调整性的部件；2) 结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接 ；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

3、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

3.1　编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。

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3.2　知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3　利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

3.4　设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

3.5　基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

4、智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述 产品的结构。

在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1) 产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。 2) 开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3) 生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

5、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科 领域知识。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

产品结构设计要求篇（3）

引言

科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

1、系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。

制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：

(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。

(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。

(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。

由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。

1.1设计元素法

用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。

1.2图形建模法

研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。

将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。

文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。

1.3“构思”—“设计”法

将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。

将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。

从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。

1.4矩阵设计法

在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。

Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。

1.5键合图法

将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。

2、结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。

根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

3、基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。

3.1编码法

根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。

利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。

3.2知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。

在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。

3.3利用基于知识的开发工具

在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具NEXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。

3.4设计目录法

构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。

3.5基于实例的方法

在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。

4、智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。

在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。

在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CAD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。

我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。

将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。

5、各类设计方法评述及发展趋势

综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。

结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。

机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。

目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

产品结构设计要求篇（4）

2LLPC产品的多目标体系构建

针对该产品的多个特点及设计的要求，在产品计划阶段我们对该产品的要求进行目标化，构建出多目标的体系，如图1所示，通过目标体系对产品设计的指导，加强产品的设计的方向和过程控制。(1)整体性:该部门要求产品具有整体感的结构与外观设计。产品的复杂性与零件数量多，要求在产品设计过程中，对整体结构进行统一规划，避免产生多个零件群的链接关系，及产品设计装配时考虑都与一个共同体进行链接。另外对产品的外观需要保持整体性，避免结构零件的外露而破坏整体性。(2)维护性:该目标要求是产品应具有灵活的维护性，产品构造上可采用模块化装配方式，每个模块相对独立，如果某个部件出现故障需要维修，只需在对局部该模块进行修理和维护，不改变其他模块的链接关系，无需拆解整体结构，这与传统整体式结构相比体现出了高效性、便利性和较低的成本。著名奥运场馆水立方的外墙设计采用了模块化的结构，整体造型的局部每块覆膜都是独立装嵌的，如果某一个模块受损坏，只需要根据该模块编号更换该模块的一个覆膜即可，维护非常方便。这种理念是设计师在整体风格与系统性因素分析所获得的。导入维护性目标，在大型激光加工中心产品结构上，系统分析功能模块与布局。(3)外观品质:该目标要求是产品外观风格设计具有一定品质感，框架式构造与外壳的加工方式对外观风格影响明显，可利用加工方式获得的造型特点进行整体造型设计，通过外观主型面的造型分割形成设备品质感较强的风格。(4)可靠性:该目标要求是研发流程可控性好，风险低;基于框架式构造的产品设计流程稳健可靠，属于比较规范合理的产品设计流程，通过对功能布局、整体结构、框架结构等几个关键环节的质量控制，确定了整体结构后，该产品设计即可定型，后期的可变因素很小，大大降低了设计风险。在产品周期中，如果那个部件出现问题，可更换或者局部改良，不影响其他零部件品质。(5)拓展性:该目标要求产品的更新换代可行性。对于大型机床产品，产品的系列化与延续性对于品牌的战略尤其重要，单一的产品系列势必导致片面的市场格局。在保证产品品质的基础上可根据市场细分，基于同一平台拓展出不同功能定位的产品。这一策略在汽车品牌的车型开发中常见。模块化结构形式有助于功能的模块化定义，对于影响终端界面的模块可进行更新换代，而共用的基础部分保持不变，即可根据产品的系列化定位进行基于平台架构的不同功能组合延展，在不增加太多成本的基础上实现不同产品系列的拓展。(6)易用性:该目标要求整体产品在人机交互过程中，保证操作人员从尺寸、操作范围、操作过程等方面便于使用。对于体量大的LLPC产品，人机易用性是产品设计重要的目标。

3多目标作用下的产品框架方式创意

在产品设计的工程结构中，一般会采用单体式结构，即每个主体零件都成为结构的一部分，结构上并没独立承重与支持的单体，这种结构方式简单实用。另一种整体式结构是框架式结构，当需要考虑产品的稳定性和扩展性时，可采用这种设计理念，它对产品起整体支撑作用，其他零件则只需设计与它的装配关系。框架式结构的产品具有便于拆卸、维护、更换、重组、升级等优点。LLPC产品设计开发过程将面临着模块布局、人机界面、安全性、操作性、维护性等多个目标要求，多重因素的叠加促使该产品的结构主体成为重要的关键点。提出框架式设计理念对以上目标问题进行整合规划设计，以求获得实用功能布局、友好人机关系、便利功能维护、高效操作性的设计结果，提高产品的品质与形象。

4框架式结构应用的可行性对比分析

基于以上初步讨论，我们需要将两者进行对比性分析，寻找框架式理念的优势与LLPC产品多目标要求的吻合度，同时对比传统单体式结构。大型激光加工中应用框架式结构设计的可行性是LLPC产品自身的产品特点分别与应用框架式与单体式结构设计对比分析，寻找其多元性系统性的关系，根据对比结果评估其应用的对应情况，见表格1。从上表对比可见，框架式结构理念对于LLPC产品的工业设计具有较好的优势，符合多个目标的要求，此对比情况对于产品开发初期的规划与设计定位具有重要的指导作用。

5设计过程验证———框架式结构的应用过程

基于多目标体系的构建，我们综合了相关的产品设计方法，应用该结构形式对LLPC产品进行了工业设计的过程应用，进一步验证其作用，以多个目标为导向，我们应用了功能定量优化设计、人机交互设计、外观特征造型设计、计算机辅助设计等多种设计方法，研究过程包括:(1)产品规划设计初期，我们对所需完成的工作作出一个计划性安排，流程的规划主要包括:功能定量优化法优化功能分区与结构机构———基于结构优化的框架搭接———基于布局方案与品牌形象外化的外观造型设计———基于装配与维护的细节设计———基于计算机辅助评价方法———基于基础零件标准化的生产监控。(2)产品结构机构设计在LLPC产品设计前期，以整体性目标导向，导入框架式理念，对产品进行模块化布局设计，根据优化的模块方案，进行了产品框架结构与机构的设计，设计结果见图2。(3)外观创意设计完成产品整体框架构建后，以外观品质、易用性目标导向，导入生产方式与框架式特指进行外观创意设计。主要完成内容有外观造型的风格化、色彩方案、人机界面、观察门的开合方式等。其中重点是在框架范围内根据合理的人机关系进行功能细化的设计;然后根据生产方式及产品风格进行外观造型特征营造设计，设计结果如图3所示。(4)零件标准化完成外观方案设计及三维数据建立后，则进行结构设计阶段。考虑到产品装配过程中涉及到较多的装配位置及装配误差问题，以可靠性目标导向，基于简化原则。结构零件中的连接零件采用统一标准设计，仅在链接孔位预留装配余地，大大减少了零件数量简化了生产工序与装配流程。连接零件的设计采用可调式设计方案，装配时可根据零件尺寸误差进行局部调整。(5)三维数据的评估完成LLPC产品整体外观结构数据构建后，即可基于计算机辅助软件进行零件装配，图4所示，装配的顺序应根据零件的重要性与尺寸从大到小分别装配。完成产品整体零件模拟装配后即可进行结构分析与装配干涉分析，以验证数据的可靠性与可行性。分析检查过程中，如发现零件的干涉(装配过盈)，则根据零件的重要性进行逐级调整参数。(6)设计完成的产品实物将生产完成的产品结构、外观零件根据预先设计的装配流程进行装配工装。完成装配的产品实物如图5所示，最后根据产品实物进行人机操作验证，见图6。根据系列设计方法的指导与辅助，完成了多目标导向的框架式结构在LLPC产品工业设计中的应用研究与实践，有效验证了多目标作用的效果与框架式结构在大型产品机床设备中的应用设计可行性。

产品结构设计要求篇（5）

一、结构优化的层次与分类

不同的结构优化的方法是在研究对象、目标函数、约束对象、变量和寻优策略的不同要求上派生出来的日。由优化目标的深浅将结构优化划分为三个不同层次:尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和结构选型优化。以上各层次按顺序难度依次增加,收益依次增大。

(一)尺寸优化

在保持组件原有的结构形状与拓扑结构不变的情况下,通过对设计变量的分析重组,寻求最佳的性能组合关系的优化方法。

(二)形状优化

形状的优化设计是指在设计域内的拓扑关系保持不变的情况下求得结构的边界,使得这些边界构成的结构组件达到理想的几何形状,并实现某种性能的最佳表现。

(三)拓扑优化

结构拓扑优化包括了连续结构和离散结构的拓扑优化。连续体结构拓扑优化,包括孔洞个数及形状分布的优化,以及结构的边界形状的优化:离散结构的拓扑优化,就是在给定节点位置情况下,确定各节点的最佳联结关系Ⅲ。

二、产品生命周期的设计制造环节

产品生命周期(Product Ljfecycle,PLC)的概念源于生产管理领域的产品的市场战略。经过半个多世纪的发展,产品生命周期的概念和内涵也在不断发展变化H。并行工程概念提出促使产品生命周期的概念逐渐从经济管理领域扩展到了工程制造领域,将产品命周期的范围从市场阶段扩展到了研制阶段,覆盖了包括需求分析、产品设计、原料采购、制造装配以及销售维护阶段。20世纪90年代以来,全球机械产品市场进入了大规模定制与个性化需求并举的时代。在这种情况下,规模化的生产能力与机械产品的可靠性固然重要,而能否根据潜在客户需求做出快速响应,已经成为未来装备制造企业在激烈竞争中取胜的关键。这里我们将规模化机械产品的设计与生产过程加以分离,重点研究在结构优化的基础上寻求创新产品的设计的思路,以期快速响应客户需求。

三、基于结构优化的产品创新设计方法

产品的创新设计方法是指设计人员根据创造性思维的发展规律,在优化产品结构的基础上总结的一系列的原理、技巧以及方法。这些方法或技巧,可以在各种创造、创新过程中得到借鉴,同时提高人们的创造、创新思维的能力和促进产品设计创新成果的实现效率。产品设计创新的方法对创新有十分重要的作用,它既能产生直接的创新成果提高创新概念到产品实现的效率,同时也可启发设计人员的创新思维,提高创新的能力。机械产品的市场需求是进行产品设计创新的基础,要把产品需求转化为产品的创新设计成果,必须经过在原有的外形、尺寸及拓扑结构的基础上通过创新设计方法来实现产品的创新功能。机械产品的设计创新分为两个层次:一是运用工业设计的技术以及方法,以产品需求为基础,开发出全新的产品,成为原创型设计创新:二是运用现代工业的设计方法对原有产品进行外观以及内部结构的优化与改进,实现局部改进创新,称为次生型设计创新。实际上,人类数百年的工业发展史中,开创性的原创型设计创新产品所占的比例微乎其微,大量实用性高的创新产品都是次生型设计创新的产物。同时,由于无需进行原创型设计创新所需要进行的大量原型设计,因而能够有效提高机械产品的设计效率,减少设计环节所占用的时间。本文所介绍的基于结构优化的产品创新设计方法属于次生型设计创新的范畴。

四、机械产品的次生型优化创新方法

针对机械产品的次生型优化设计创新是指以在原有产品设计的结构基础上,在保留原有产品设计的核心功能与产品优点的同时,对该产品外形、拓扑结构等进行优化和再设计,使得新产品具备原有产品所不具备的 新功能和特征。产品的次生型优化设计创新是建立在产品的结构优化层次分类基础上的创新活动,机械结构的布局包括尺寸、形状、拓扑三个方面的信息,而尺寸优化、形状优化和拓扑优化体现了结构优化中三个不同层次的问题月。针对机械产品尺寸、形状、拓扑结构的优化创新设计,以产品基本架构组成零件之间的装配关 系为前提,结构优化的关注点是有待改进或者进一步开发的结构要素。通常,这些结构要素在设计之初并不明确,隐藏在复杂的形状、色彩以及结构形态之中,只有通过对多变的市场需求、多方面的用户期望以及现有同类产品的优缺点进行深入分析,才能找出最具创新价值的结构优化要素。成功地选择结构优化关注要素,为机械产品的创新思考确定清晰的方向。对机械产品的创新问题包含了优化问题的三个要素,即设计变量、目标函数以及约束条件,机械产品的次生型优化创新方法是TRJz。

产品结构设计要求篇（6）

中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：

前言

随着我国经济的不断发展，我国家电产业也随之发展迅速，这对于一个国家的经济发展和居民生活都具有重要意义。而家电结构设计是一个需要多专业共同参与、合作完成的过程，相对于其他设计要更为复杂。家电结构设计的核心在于创新，设计中也存在许多不确定的因素，所以需要设计者集思广益对家电结构设计进行创新。

1、家电结构设计内容及其特点

1.1家电结构设计的内容

家电结构设计的内容很多，在这里主要叙述家电结构设计的几大重要内容。第一，组装结构设计。随着社会的发展，人们对家电设计又有了一个新的追求，那就是家电设计要追求一种组装简单和零部件简单的目标，家电结构设计就是为了解决组装简单和零部件简单这一问题而存在的，家电结构设计能够使家电产品变得更加的便利和简单，在家电结构设计中，组装结构设计是主要内容之一；第二，家电参数设计。家电产品是一种使用频率比较高的产品，家电结构设计师在进行家电产品的设计时，要注意家电产品的很多参数，比如说家电的受热参数、家电的动态参数和家电的受损参数等等一些参数。家电的受热参数、家电的动态参数和家电的受损参数在很大程度上影响了家电产品的使用寿命，作为一位家电产品设计师，首要的任务就是要做好延长家电产品使用寿命的工作，而除了家电产品的后期维护之外，家电结构设计则是唯一能够延长家电产品使用寿命的途径，我们要高度重视家电参数设计；第三，连接件的设计。任何的设计都有一种特有的连接件，这在我们的家具产品设计别明显，家具产品如果没有连接件的设计，那么这件家具产品则无法投入到正常的使用之中，家电产品设计更要注重这一点，因为家电产品是一种高频使用的产品，家具产品的使用频率相比于家电产品的使用频率要低得多，所以家电产品的连接件必须能够使家电产品很结实，而且要比较简单，家电产品结构设计的连接件设计是家电产品结构设计中的重中之重，不仅仅是家电产品结构设计的重点，而且是决定一件家电产品好坏的主要决定因素，作为家电产品的设计师，要高度重视家电产品结构设计的连接件设计。

1.2家电结构设计的特点

第一，家电结构设计的严谨性。一般情况下，家电产品的大小比起一般的家具产品和建筑产品都不是很大，对于比较大的家具产品和建筑产品都不允许有半点误差，更何况是比较小的家电产品，家电产品的结构设计如果出现了很小的误差，就会在很大程度上影响家电产品的功能和使用，更严重的是，家电产品的结构设计如果出现了很小的误差也会导致家电产品最后无法实现的后果，作为一位家电产品结构设计的设计师来说，要高度重视这个问题，要谨遵家电产品结构设计的严谨性；第二，家电结构设计的功能性。家电结构设计具有双重功能，家电结构设计的第一大功能在于实现自己的连接功能，也就是作为一个连接的身份出现在整个的家电产品中，这个功能是家电结构设计的根本功能。家电结构设计的第二大功能在于实现自己的装饰功能，在具体的家电产品设计中，每一个家电产品结构设计师都要考虑到家电结构设计的双重功能，家电结构设计的第二大功能是实现自己的装饰功能，这在整个的家电产品的外形上来说非常的重要，直接影响家电产品的外形，最终也会成为家电产品的销售量的影响因素之一。

2、家电结构设计原理

2.1家电结构设计应当遵循设计简便的原理

任何的设计都应该遵循设计简便的设计原理，而家电产品的结构设计也不例外，也要遵循设计简便的设计原理，这一点非常的重要。家电结构设计只有设计出比较简便的产品，它才会受到广大消费者的关注和欢迎，但在近些年来，很多家电产品的结构设计师并没有注重这一点，都忽视了家电结构设计应当遵循设计简便的原理这一问题，这在一定程度上也反映了很多家电产品的结构设计师的素质比较低下这一问题。而在家电产品的结构设计领域也存在着这样的问题，很多家电产品的结构设计师进行的家电产品的结构设计太过于追求设计简便，而忽视了家电产品的结构设计具体功能的实现，他们误解了家电产品的结构设计的简便性，他们简单地把家电产品的结构设计的简便性理解成家电产品的结构设计的简单，这一问题直接造成的后果就是家电产品的结构设计的任务没有很好的完成，也就是没有实现家电产品的结构设计的根本目的，没有达到家电产品的结构设计的功能要求。

2.2家电结构设计应当符合人机工程学

众所周知，任何的设计都必须要符合人机工程学，因为设计本身就是为人类服务的，因此，设计必须要达到人的要求以及适应人的基本使用条件，也就是我们所说的“以人为本”。人机工程学就是我们在进行具体的家电结构设计时必须要以人的尺寸去进行设计，因为我们设计出来的家电产品要供人们使用，所以我们必须做到这一点，这一点在家电产品的结构设计中不是很明显，而在我们的家具产品设计中显得十分的重要，如果我们设计一个椅子，而这个椅子不能和我们的基本人体尺寸相符合以及无法符合我们的正常使用习惯，那么这样的一个椅子就不能满足人的要求，它就没有存在的价值，在具体的销售中，它也是卖不出去的。而作为在人机工程学方面要求较低的家电产品的结构设计中，我们也要充分认识到家电结构设计应当符合人机工程学这一原理。

3、家电结构设计规范

3.1家电结构设计的装饰线的规范

每一个家电产品的体积和外观是不一样的，在家电结构设计的装饰线的设计上也是不一样的，而作为家电结构设计的装饰线的普遍的规范，我们在进行家电结构设计的装饰线的设计时要注重和家电产品的体积和外观相结合，只有和家电产品的体积和外观相结合，才能够设计出比较合理和美观的装饰线。作为家电产品的结构设计师，我们要高度重视这一点。

3.2家电结构设计的按钮的规范

每一个家电产品的功能都是不一样的，在具体的家电结构设计的按钮设计中，我们要考虑到这一家电产品的功能和家电产品的外观要求，我们在进行家电结构设计的按钮的设计时，我们要谨遵家电结构设计的按钮的规范，也就是要使家电结构设计的按钮设计既美观又具有很强大的功能性。作为家电产品的结构设计师，我们要高度重视家电结构设计的按钮的规范。

4、结语

家电产品的结构设计中许多设计元素的应用不是停留在元素的形似，而是要追求家电产品的结构设计的功能的实现，家电产品的结构设计并不是各个设计元素的简单堆砌，而是通过对家电产品的结构设计的充分认识，来打造富有强大功能和造型的家电产品。家电产品的结构设计师应当以简练的设计手法，设计出符合人机工程学的家电产品，这些产品不仅有强大的功能，而且要具备比较简便的特点。我们在进行家电产品的结构设计时一定要注意笔者以上提到的几点具体规范和要求。

参考文献：

产品结构设计要求篇（7）

1 设计约束

产品设计是一个有限约束的综合过程，其中一系列相关约束共同构成设计环境的约束系统，是支撑产品生命周期中各个视图的问题解空间。约束C是表示设计变量和设计域的一种关系。它作用于设计过程，并最终影响设计结果。设计约束可以表示为C={X，A}，其中X是与设计相关联的约束变量，具有和设计参数相同的属性和功效，是约束系统和设计之间联系的桥梁；A表示约束的属性，包括约束范围、作用、大小和类型等。约束可分为系统约束与环境约束两类，其中系统约束分为功能约束和结构约束，是贯穿整个设计过程的主要约束路线，而环境约束是指在产品设计过程中所采用的设计手段，方法与设计规则。根据约束所起的作用及其内部属性，又可将约束分为：功能约束、结构约束、关系约束和选择约束。将其形式化表达为如下四元组：C=［Cfn，Cs，Crs，Co］T，其中，Cf表示功能约束类的变量及其约束；Cs表示结构类的变量及其约束；Cr表示关系类的变量及其约束；Co表示选择类的变量及其约束。在设计信息和约束的抽象中，由于设计信息的多样性和复杂性，需要将约束进一步细化。

Cf={Af，Ff}；Cs={Es，Ss};Cr={Fr，Sr};Co={Lo，So}。

其中，Af表示与功能属性相关的约束，表明产品实现的功能；Ff表示与功能行为相关的约束，表明产品具体能实现的行为。Es表示与产品相关配套设施构成的环境结构形式；Ss表示产品本身的详细形状结构约束形式。Fr表示从功能到结构的关系约束；Sr表示从结构到功能变量之间的约束关系。Lo表示逻辑类约束；So表示选择类型约束。具有多种约束变量的约束系统较为复杂，为了便于约束管理和约束运算，将其进行层次划分，约束分层表达将约束分为上层、中间层和下层，这是一种自顶向下的设计思想。其中，上层约束由产品设计过程的前两个阶段需求分析和概念设计中相关信息导出；下层约束表示的是后续定位在零件结构的详细设计视图中的相关信息；而中间层约束主要表达布局设计信息。

2 基本概念

根据布局设计过程中联接与定位的先后关系，将布局方法归纳为如下三种：（1）先定位后联接。先布置各个设计单元，即先将参与布局的设计单元大致位置固定。然后，再根据产品需求分析视图和概念设计视图中所得到的要求，进一步细化定出较为具体的设计单元之间的联接方式，例如，圆柱旋转副、棱柱移动副、球体旋转副等。（2）先联接后定位。先确定设计单元之间的联接方式，然后再考虑其相互位置关系。（3）联接定位。这种方式将定位和联接先后顺序模糊化，即介于上述两种方法之间。联接方式先不严格固定，同时兼顾设计单元之间的相互位置关系，继而最终确定出布局联接定位关系，得到设计单元的布置方式。

3 求解方法

传统的优化求解方法，如罚函数法、复合形法、约束变尺度法、随机方向法、简约梯度法、可行方向法等，都有较为广泛的应用。然而，随着问题规模和复杂程度的逐渐增大，传统优化方法易出现局部最优解等的局限性，为此许多研究人员提出了新的算法。目前研究较多的有专家系统技术，人工神经网络方法以及各种智能启发式算法，例如遗传算法、模拟退火算法和禁忌搜索法等。

4 设计要求

通常布局设计有一定的布局目标和要求，用DR表示。布局设计要求属于产品设计约束中的环境约束，它包括产品空间体积最小，布局密度尽可能大，产品的重心尽可能低，产品装配性好，装配路径的花费经济以及布局设计中的其它限定要求和描述等。

5 布局设计模型

在详尽分析了布局设计所涉及的各种因素的基础上，本文用布局设计模型来描述装配设计阶段的布局设计过程，简称布局模型，并将其形式化表示为如下的四元组：LDM=［DU，LC，LS，DR］T。其中，DU为设计单元；LC为布局约束；LS为求解方法；DR为设计要求。

6 产品多层次表达

从产品发展的全生命周期过程来看，可以得到产品的多层次表达。如下图所示，产品从需求分析阶段到后期行为阶段是一个特征演化过程。同时，诸多特征在各阶段相应视图的层次变化中都具有继承性和不完备性，并且将随着设计过程的细化和推进而逐步趋于完备。其中，由于产品的形态结构可塑性强，用户消费心理、产品的美观性、宜人性等因素在设计中摆在相当突出的地位，因而需求分析阶段的相关特征不容忽视。而功能特征、设计要求则是设计过程进化的动力所在。设计过程的特征演化主要表现在概念设计、布局设计和详细设计阶段特征的产生、继承、变异、抽象、派生、映射以及后期行为阶段的消亡等几个方面。设计方案的选择和循环往复主要发生在这些特征之间。

概括起来，多视图特征在设计过程中主要表现出下列特点：

①分类层次性。设计过程中的特征多视角性主要涉及三个方面，即功能需求、结构特性和制造特点。每类特征又可根据设计过程不同环节的需求进一步细化，形成分类层次结构，最底层即为实际工程应用中面向不同环节的基本元素。

②相互依赖性。在产品的概念设计阶段基本确定产品的功能需求；在具体化设计阶段，根据产品的功能要求，确定产品的结构特性；在详细设计（工艺设计或可制造性分析）阶段则根据产品的结构及功能，产品的批量、技术经济要求及现有的生产条件、包括人员素质，管理方式，制造环境和经验习惯等，确定产品的制造特点。同时，结构设计必须顾及产品的功能性和工艺性，这表现为特征间的反馈性。设计过程的循环反复，正是因果性和反馈性之间协调和统一的具体表现。

③关联多重性。同一功能可以由不同的结构来实现。同一结构又可以表现为不同的功能。如—个外回转面，既可能是一个支承面，也可能是一个导向面，同样，—个导向功能既可由圆柱结构，也可以用槽结构来实现。此外，同一结构特征可以用不同的工艺加工方法来形成；反之，不同的工艺方法可以实现相同的产品功能和结构。这一特点要求设计，制造过程中不断对功能、结构和制造间进行协调和优化。

④表达同一性。尽管特征有功能、结构和制造的多方面含义。其属性类型及其值域也多种多样，但其基本的作用对象都是构成特定形状结构的几何形体，任何的特性归根到底都可具体化为形状的特性以及相应的几何生成方法。

参考文献

产品结构设计要求篇（8）

2机械产品运动方案创新设计

对机械产品运动方案进行设计时，设计人员必须要以客户对产品功能的需求为依据，从机械产品结构的原理出发，构思和设计机械产品功能原理。运动方案的设计是一个系统运动方案的设计，主要包括原动机、执行部件以及传动机构等设计，从而来有效满足机械产品结构功能的运动性能，其能有效解决机械产品在实际过程中存在的问题[3]。一般来说，机械产品运动方案设计的好坏对产品的使用性能、工艺、成本以及结构等方面的能力有着直接的影响，运动方案的设计是对产品的社会效益、环境、经济性、性能以及整体质量的确定，机械产品设计过程使用过程以及后续产品制造的基础就是运动方案的设计。就机械产品结构来说，可以采用不同的运动方案来实现机械产品的具体功能，当然不同的功能需要不同的机构来实现，因此机械产品运动方案的设计是整个设计工作的关键，设计人员必须要从产品功能的实际需求进行具体分析，充分利用创新思维，从而来优化设计产品的活动架构，使产品运动方案更具可行性。如对汽车前驱和后驱的运动方案进行设计，一般传统的后驱运动方案由于存在动力效率较低、牵引力不足、车内空间小、安装复杂、驱动部件多以及较高的生产制造成本等问题，已经无法适应时展的需求。汽车生产厂商为了满足人们对汽车机动性以及舒适性的要求，不断对汽车的运动方案进行创新设计，采用逆反和移植的创新思维方式，前置发动机，促使汽车前轮的传动机构与发动机的输出轴直接相连，从而驱动汽车前轮的运动。这样的驱动方式虽在一定程度上增加了前轮的负载，使得轮胎的磨损量加大，但是能明显简化汽车的驱动机构，减少零部件数量，有效降低汽车的造价，且能有效下降汽车整车的重量，有效改善汽车的加速性能，缩短刹车的距离，降低油耗；另外将发动起前置，能使车内的空间得到大量释放，提高汽车的舒适性。

3机械产品动力能源创新设计

随着能源应用技术、材料加工技术以及制造技术的不断发展和进步，设计人员在选择机械产品动力能源的过程中，一般选择不同的能源，包括太阳能、电能、天然气以及石油等能源。在设计的过程中，设计人员可以将自身的创造性思维进行充分有效的发挥，改进或者重新设计机械产品的各个系统，在机械产品的动力能源中应用更多更好的清洁能源[4]。如以汽车为例，现今公共交通工具中应用较为广泛的就是电动汽车，电动汽车主要使用的就是电能，其相较于传统的燃油汽车，电动汽车不会排放有害气体造成大气污染，在单位电能生产过程中，电动汽车所排放的污染物与传统燃油汽车相比较，电动汽车造成的污染也能得到明显控制。电动汽车的有效使用，能降低大气污染的程度，且其能充分利用晚间用电低谷时出现的富余电力，有效提高发电设备使用效率，降低能耗，达到节能减排的目的，提高其经济效益。电动汽车的应用是创新思维在机械产品动力能源设计中的具体体现。

产品结构设计要求篇（9）

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.11.018

0 引言

机械产品设计的结构优化技术是指在系统优化背景下，采用综合运用设计的方式，以此来实现机械产品的需求和质量，达到最优设计方案和标准。目前传统机械产品设计主要采用机械产品加工工人和其他类型的产品设计为主要的模板，运用长时间的设计经验和观察最后来确定整体的设计方案，在产品加工后期要尽心检测来确定是否符合整体的质量要求和标准。这一设计过程不仅仅需要大量的时间，同时还会给机械产品的设计埋下安全隐患，给机械产品加工过程带来问题和困难。结构优化技术是通过进行拓扑优化技术以及尺寸优化技术，利用科学合理的设计方式，确定整体机械产品设计的最优方案。这样做不仅仅能够保证机械产品设计的效率，同时也能够确保机械加工的精确度，确保效率和质量同时进行，提升机械产品设计加工的水平，利用结构优化技术，实现机械产品的创新发展，满足时代进步的需求，促进企业能够在激烈的市场竞争中占有优势。

1 结构优化设计的方法和层次

结构优化设计可以分成不同的层次和种类，按照优化目的的不同可以分为：尺寸优化技术、形状优化技术、拓扑优化技术。

（1）尺寸方面的优化技术。在尺寸方面的优化技术主要是指通过保证机械产品的形状和拓扑关系不受到改变，通过计算机技术应用，在优化设计过程中使用计算机技术来寻找适合的尺寸变量，并且通过运行过程实现重组，以此来找到最佳的优化设计方案。

（2）形状方面的优化技术。机械产品在设计过程中不仅仅要保证尺寸达到标准，还要确保外观形状能够满足施工工程的要求。由此可见，形状方面的设计要保证机械产品的尺寸以及拓扑关系不变，在进行设计过程中保证形状变量，通过设计不同的结构，在最后保证形状能够符合工程要求，实现使用功能。

（3）拓扑方面的优化技术。拓扑优化技术主要是通过连续结构和离散结构进行优化，连续结构拓扑技术中要主要注意优化孔洞的数量，还包含形状方面以及分布现象，同时也要注重对结构边界进行优化，通过离散结构拓扑技术来保证相关数据的关键，确保每一个关键点能够实现优化的连接方式。

2 结构优化技术的设计方式

（1）要确定目标函数。目标函数是进行机械产品结构优化设计的基本参数，要通过确立目标函数，明确机械产品在技术标准方面进行有效的设定和研究，对工程中提出的具体要求也能够进行设置和整理，并且通过设定目标函数，尽量减少变形所带来的压力和程度。

（2）进行函数变量的设计。在结构优化中确立的函数，下一步要对函数中相关的结构设计参数进行研究和确定，机械产品的参数设定主要有结构组成中的几何参数以及物理参数，比如在设计中设定零件的长度、宽度、厚度等，这些参数都会影响机械产品和质量和效率。如果在参数设计中存在相关不合理数据，会直接对机械产品的质量产生影响，同时也会影响到企业的发展和经济效益的提升。

（3）约束条件的规定。在完成函数变量设计之后，要在机械产品设计中增加一些要求，在设计过程中加入一些约束条件，之后才能够进行加工和制造。约束条件主要是指在计算中要确定函数变量能够处在相对的约束范围内，比如能够设定一些极值的设定和管理。

（4）选择最佳优化设计方式。选择最佳优化设计方案是机械产品优化设计的最后过程也是关键点。面对各种各样，各具特点的设计优化方案，要慎重的进行选择和评价。这就要确定对机械产品工程进行具体分析，结合实际问题和现象进行合理的选择和研究，最后来选择一个适合的机械产品的设计方式，在进行加工制造之前，要让专业技术人员对方案从全方位的监督进行分析和评价，以此来提高机械产品设计的质量和水平。

3 机械产品设计的结构部优化技术应用策略探讨

3.1 提高整体技术人员的综合素质能力

机械产品要能够实现设计优化，首先要保证技术人员具有专业的工程知识，同时还要具有数学建模能力，工程设计人员在设计方面要符合规范，要注重理解功能的体现，运用规范的数学语言来表达存在的问题和设计内容，确定适合的解决问题的模型。设计人员在掌握建模能力的基础上，还要具有解决建模中存在的⑹问题，利用不同的参数变量，在求解过程中要确定得到准确的答案。

3.2 在结构优化设计中要运用各个学科的综合能力

机械产品的优化设计具有复杂性，在设计工程中会包含各个学科的专业知识，比如说数学算法、数据分析方式和计算机技术等。要保证在进行设计过程中注意从各个角度进行分析和运用，以此来考虑方案的可行性。首先要从工程整体角度出发，把整个设计系统氛围不同的设计板块和内容，通过相对应的知识来进行目标函数的设定，优化函数变量，设计好每一个板块，要注重掌握每一个板块的联系，进行整体的组合，保证优化设计方案的完整特点。

3.3 要注重实现结构优化设计的创新发展

要从市场需求的角度出发，要注重创新发展，通过变革传统设计方案，实现机械产品设计的创新发展。在新时期，创新能力是企业发展的源泉，要保证企业在市场中能够占据优势地位，拥有市场优势。在改革创新过程中，要摒弃传统理念，创新设计方案和思维，跟上时展的步伐，满足市场需求。

4 总结

产品结构设计要求篇（10）

工艺是指企业或者个人利用某些生产工具对各种原材料、半成品等进行加工处理，使之成为最终的产成品的方法和过程。结构可以是指植物的结构、原子的结构、语言结构、产品结构以及建筑结构等，而本文所指的结构是工业产品结构，产品结构是指产品的“骨骼系统”、“皮肤与肌肉系统”，即产品外部及连接结构、产品内部股价及安装结构、产品运动机构等，产品结构对于产品主要起到包装、支撑、安装、连接等作用，而产品的机构主要起到完成运动、空间运动以及产生功能等作用。成本控制是企业长久以来探讨的主要问题，在市场竞争日益激烈的今天，企业都在努力的进行成本控制，将成本发展成企业的竞争优势。本文将对工艺、结构的优化设计与企业的成本控制相结合，从全新的角度对企业成本控制进行剖析。

一、工艺、结构的优化设计在企业成本控制中的作用

工艺、结构的优化设计对企业的成本控制有着重要的作用，工艺、结构的设计关系着企业经营的所有方面，不同的工艺工程或者结构会使得企业收入成本发生很大的变化。目前应用比较广泛的成本控制方法主要有作业成本法、VE价值工程成本管理、标准成本法、目标成本法、本—量—利分析方法以及战略成本管理方法等。工艺结构的优化设计与企业成本控制相结合的方法，强调的是企业在保证生产的产品和服务的前提下，对工艺和结构进行相应的优化设计，使企业在成本上获得优势。将工艺结构的优化设计与适合企业的成本管理方法联系起来，是企业进行成本控制的重要途径和方法。

企业进行成本控制的目的是降低产品或者服务的成本，在行业中建立起成本领先的优势，获得更高的利润，也就是说利用更低的成本来获取更大的收益。这是一种双赢的状态，消费者用更少的钱购买了相同价值的产品，而企业则利用更少的钱获得了更多的收益。对工艺、结构的优化设计可以有效的降低企业成本，使企业在激烈的市场竞争中获得优势，所以对企业的发展有重要的作用。

二、工艺、结构的优化设计在企业成本控制中的应用

工艺、结构的优化设计其实在企业中的运用十分广泛，对每一道工序的选择、机器的选择以及结构的选择等都是对工艺、结构的优化设计，也许其目的不仅仅是为了控制成本，但是成本也是其改良的重要方面。

(一)工艺的设计及优化

工艺设计是对某个工业建设项目生产工艺的设计，其主要内容包括产品方案的设计，原料、燃料、动力的来源和用量设计，选用设备的型号和配置，主要经济指标，对建筑物的要求等。工艺设计的种类有基础工艺、改性工艺和后期处理工艺。工艺的范围很广泛，涉及到了各行各业，例如说玉雕工艺、剪纸工艺、机械工艺、化工工艺等。据调查显示，企业将近80%的成本涉及到工艺成本，所以对工艺进行优化设计具有很大的潜力可以为企业节约更多的成本。工艺加工过程既是生产过程同时也是消耗的过程，工艺方法很多，所以具有很强的灵活性。对不同要求、不同批量的零件或者产品，其设计方案的可行与否，不仅取决于技术上的优劣还取决于其经济性。

产品的工艺设计体现在所制定的设计总方案中，设计方案主要包括产品原材料和零件的采购、工艺设备、工艺特点以及工艺流程等的安排，但是对工艺设计必须进行评审，分析其技术性和经济性。产品工艺的设计优化需要对工艺进行技术革新和工艺创新，也需要依据企业自身的实际情况，制定合理工艺设计方案，保证产品质量的同时，达到成本控制的目的。工艺的设计优化应该考虑以下几个方面：合理选择产品设计结构，保证零件或者产品的技术性和经济性的要求；依据产品的设计阶段和批量不同，合理改善毛坯技术状态；采用新工艺和新技术；合理选择机器设备，优化工艺参数，减少辅助时间。

在优化工艺方案方面，为了使得产品成本得到最好的控制，企业必须要找到影响工艺优化的瓶颈之处。与优秀企业相比较，找出自身存在的不足之处，例如设备方面的不足，应该引进行业内先进的设备，来满足行业内的市场需求，提高生产效率。并且应该加强对新工艺的开发利用，改善落后工艺而造成的低效、高耗现象，在不断促进工艺创新的同时，达到降低成本的目的。对工艺的设计及优化既可以降低消耗，又可以完善工艺上的不足之处，对企业有非常重要的意义。

(二)结构的设计及优化

本文所描述的结构的设计及优化主要针对工业企业的产品结构，以下是对产品结构的优化设计以降低成本的描述。

1、工业产品结构的设计流程

工业产品设计流程是先根据客户的要求和提供的资料如产品开发计划书、产品性能介绍以及基本材料结构等进行分析，考核是否需要追加其他资料，制定多种设计方案、选择材料、制定安全标准以及拆分合理的结构装配等。之后进入实践设计阶段，对产品进行外形设计、结构设计和功能介绍，企业还需要进行平面设计和立体设计，然后选择材料、零件拆分、制定安全标准，最后是产品颜色设计、整体的装配说明以及最后的包装设计，到此为止，产品设计完成，但是后面的阶段还要进行审核和改进。

2、工业产品结构设计及优化与成本控制

材料的选择是产品结构设计的开始阶段，材料的选择关系到以后的很多阶段，例如生产、包装、配送等阶段，都会因为选择材料的不同而使得这些阶段也会有相应的变化。影响材料选择的因素有很多，例如说价格、销售情况、品质、装配问题以及完成时间等因素。但是在考虑选择何种材料时不能兼顾如此多的因素，需要依据客户提供的资料以及市场需求等实际情况选择材料的类型。常用的工业材料类型主要有硬胶（GRPS）、不碎胶（HIPS）、超不碎胶（ABS）、透明大力胶（AS）、软胶（LDPE）、硬性软胶（HDPE）、橡皮胶（EVA）、百折胶（PP）、软质（PVC）、硬质（PVC）、尼龙单6（PA-6）、防弹胶（PC）以及酸性胶（CA）等材料。材料的选择直接影响了产品的成本和利润，选择合适的材料保证成本在一定的范围之内，例如PC材料强度较高、价格贵，流动性不好，比较适合强度要求较高的外壳，按键、镜片等。有些产品需要进行厚度的选择，厚度的多少对产品设计也有着举足轻重作用，选择合适的厚度对成本也会影响较大，在不影响产品质量的前提下，减少产品的厚度，若产品是批量生产会节约很大一部分的成本。适度的减少产品的厚度，会节约材料，降低成本，给产品的工艺也带来一定困难。塑件制品的强度和刚度要得到保障，而又不想加厚塑件制品的厚度，就需要放置加强筋，若要求强度较大，可以多放置一些加强筋，企业一般都宁可多放置加强制也不会选择增加产品的厚度，这不仅是为了节约成本，更多的是为了保证产品的强度。外形设计是在进行产品结构设计时需要考虑的重要方面，如果外形错误的话，会导致各种零部件的报废。在现在社会中，外形设计已经越来越重要，对其要求也越来越高，既要求美观大方又要求自然、合理。目前市场竞争愈演愈烈，很多企业都借助外形来增加竞争优势，所以对外形的要求也越来越苛刻，而且在考虑这些的同时还要考虑成本问题，根据市场需求来设计产品的外形，制造出物美价廉的商品。

结构的设计及优化并不只是单纯的对设计找出不足之处，而是选择更加适合的结构以及在保证各方面要求的基础上对设计的改进，进行更有深度的控制成本。对结构的优化设计并不是降低要求，而是减少一些不必要的浪费，以此来控制成本。结构的设计及优化需要对设计人员的水平不断提出更高的要求，只有这样才能设计出更好的结构以及优化。例如，根据产品的具体情况，分析存在的优势与不足，针对不足进行更加严密的思考，亦可以效仿国内外成功的案例进行改良，改良的主要目的并不只是为了削减成本而是在完善产品结构过程中进行成本控制。

通过以上描述可以看出在结构设计及优化过程中需要考虑很多方面，首先要根据信息制定计划书等，详细分析产品资料和市场行情之后，在进行结构设计工作，只有事半功倍才能最大程度的节约成本。

三、结束语

工艺、结构的设计优化的目的之一是进行成本控制，将成本管理方法与工艺、结构的设计优化相结合可以发挥更加明显的效果。但是值得强调的是工艺、结构的设计优化需要在保证产品质量的前提下，优化设计、减少不必要的浪费，使企业具有成本竞争优势。

参考文献：

产品结构设计要求篇（11）

[中图分类号]F273.2

[文献标识码]A

[文章编号]1006-5024(2008)06-0031-03

随着经济的日益国际化，相同的材料、相同的加工技术、相同的产品功能要求，使工业产品越来越同质化。同质化现象的出现必定会很大程度影响整个行业的利润空间，引发激烈的价格战。面对产品同质化，发达国家的企业既重视吸收科学技术的最新成果，又重视本国、本民族文化艺术特色的传承和发展。学科整合、系统集成创新，使工业产品不仅体现出相同的实用美和技术美，而且还表现出本民族或地域的文化特色。由此可见，产品创新设计是解决产品同质化问题的必要途径，是提高制造业价值的重要手段。

一、企业产品创新设计的内涵

产品是人类维持生存的工具和用具，作为人造物，必然体现出人文价值。产品人文价值包含了产品的实用功能和精神功能。产品设计是人类为抵抗严酷的自然延伸自身生存与生产能力改善生活水平，而对工具与用具进行不断地创新的过程。产品设计是人类社会赖以进步的重要文化创造，即一种物质性的文化创造。一切文化现象都是符号现象，所以，产品设计作为文化创造活动，自然是一种符号现象。产品设计作为一个完整的符号传达系统，发信人是以设计师为代表的群体，其背后还有以委托人为代表的产品项目提供方。产品设计符号收信人是广大的使用者群体。产品设计符号的信道是一个产品的大批量生产、销售的渠道。产品设计的符号是由功能、结构、机构、材料、人机和数理(比例与尺度)五要素组成的。因此，产品设计是艺术设计和工程设计的综合过程。现代制造业产品最终必须实现产品的商品化，所以，产品创新设计的根本目的就是实现产品的人文价值和经济价值，即向消费者传达设计师和生产商的信息，通过吸引消费者实现购买行为，达到经济目的。根据多学科研究的成果，我们可以把企业产品创新设计的内容概括为产品技术创新设计、产品文化创新设计、产品人本创新设计和产品人机创新设计四个方面。

1　产品的技术创新设计。技术是构成产品的关键要素，是实现产品实用功能的必要手段，是产品创新设计的核心，企业在激烈的市场竞争中，必须在产品包含的技术上不断创新，以实现生存和发展。产品的技术创新设计常采用技术分解、改进、再重新构成这样三步走的方法，被称之为“技术构成”的方法。技术的发展有着时代的潮流与趋向。当通过技术构成来实现产品创新时，既需要掌握传统优良技术成果，又需要把握产品技术发展的时代趋势。当今，产品技术发展的潮流是数字化、智能化、网络化，下一轮技术突破的浪潮，可能会在信息、生命和纳米科学的交叉之中涌现。

2　产品的文化创新设计。产品的形式是产品人文价值的综合体现。产品形式无疑需要满足实用功能的需求，但产品形式又不能唯实用功能而定。产品形式的精神功能(文化表述)，同样是不可忽缺的。因此，产品形式设计(产品造型设计)必须兼顾其实用功能需求、形式之美和文化之美。产品文化设计的研究称为文化构成设计。提高产品的文化内涵，通过在产品中巧妙地融入文化艺术元素以实现创新，已经成为一种产品设计和创新的主流思想。文化构成设计，需要深入研究与发掘中外文化的内容与特点。中华民族有5000年悠久历史，文化沉淀深厚、内容丰富，是一座用之不竭的宝藏：有阴阳学说为主体，天人合一的道家思想；有以礼仪、中庸为主体的儒家学说；有以强调轮回、因果辩证关系的佛教思想；还有生产实践和地域因素形成的民间文化和民俗文化。尽管这些传统文化常常带有封建迷信的色彩，尽管近代承受过“西方文明”百年史，但祖先创造的灿烂文化并没有没落，它是中华民族持续发展的潜在资源。我们应科学看待，取其精华，去其糟粕。在丰富多彩的文化表象中，含蓄大度、自然和谐、劝人为善的造物原则就是中华民族文化精神的集中体现。产品设计者首先应当努力发掘本国和民族的优秀文化传统，并充分应用到产品的创新设计中去。同时，由于产品市场的国际化，必须了解产品面对人群所属国家和民族的优秀传统文化。使产品设计更有针对性和创造性。

3　产品的人本创新设计。消费者需求是消费者在生理、心理各方面期望得到满足的一种趋向。这种趋向可以引发消费动机，进而产生实际的消费行为，使产品最终实现经济价值。产品人本创新设计，是顺应时展，突出产品的个性化，满足消费者多样化的需求。设计者通过把用户市场进行不同地域及不同用户群体的细分，以及针对细分市场进行用户需求的认真研究，充分挖掘不同用户群体需求的个性特征，设计出满足用户独特需求的新产品。这是产品实行高附加价值的重要手段。现代高技术与电子商务技术的结合，还将为个性化新产品与网络化营销的结合开辟广阔前景。

4　产品的人机创新设计。产品人机创新设计有两个目的。(1)研究人・机・环境之间的和谐关系。人机交流是产品的人机界面，充分了解人与产品进行交流互动的操作方式和认知方式，力求人操作产品的安全性和舒适性，并努力提高产品使用效率。通过绿色设计，确保产品符合可持续性发展的要求。(2)通过研究人的形态与反应特征，仿生设计，为产品技术创新设计和人本创新设计提供元素。

二、企业产品创新设计的主要过程

企业产品创新设计的主要过程可以概括产品概念设计、产品方案设计、产品结构设计、产品材料与工艺设计和产品营销设计五大步骤。

1　产品概念设计。产品概念没计首要任务是产品调研。产品调研是收集产品创新设计元素的过程，是产品定位(产品概念形成)的必要过程。

产品调研具体内容有消费者需求、产品实用功能，结构、材料与工艺、人机关系、市场信息、艺术造型规律、运输、维护、相关法规，行业标准等。消费者需求调研，是产品人本创新设计重要依据。消费者需求是消费者在生理、心理各方面期望得到满足的一种趋向，是引发消费动机，进而产生实际的消费行为。产品实用功能、结构调研，是对现有产品技术的解构，是产品技术构成创新设计(实用功能设计)的必然过程。产品实用功能调研内容主要是指产品的主要功能、辅助功能，功能的识别、使用、操作难易程度等。要求设计者了解从接触产品到使用、评价整个过程中的消费者感受，以及同类产品的优缺点，

以便自己在做设计的同时避免那些已经出现的错误。产品内部结构虽然不能决定产品形态，但是产品内部结构能决定产品形态不能是什么样。一方面，结构影响着产品的实用功能，即使用的舒适性和可靠性；另一方面，在很大程度上影响着生产的工艺性，这里所说的工艺性是指能否用合理的成型方法生产制作所需的形状、尺寸、精度，即工艺的合理性。材料与工艺调研，是产品创新设计物质化的必要手段。一方面，材料是实现产品功能的物质载体，材料的选择恰当与否直接影响产品功能实现的可能性、可靠性和经济性；另一方面，在构成产品造型的形、色、质三大感觉要素中，色彩和质感都与材料有着直接的关系，因此，材料在赋予产品、体现产品的美学和人文价值方面起着同样的关键作用。对现有的生产工艺进行充分的了解，可以为下一步设计当中充分利用生产工艺特点做准备。产品人・机・环境关系分析，是产品人机创新设计确保用户操作安全性和舒适性，确保产品符合可持续性发展的前提。市场信息调查是运用一定的科学方法收集、整理、分析各类市场信息的过程。作为信息载体的产品。除了承载着固有的物质功能外，还承载着重要的品牌文化，对自身品牌及竞争品牌作全面细致的对比分析，对于进一步掌握市场发展变化的规律和趋势有着重要意义，可以为企业进行市场预测和决策提供可靠的数据和资料，进而帮助企业确立正确的品牌发展战略及产品研发计划。艺术造型规律调研，是对产品自然发展史的文化解构，是产品文化构成创新设计(精神功能设计)的必要参考。运输、维护、相关法规、行业标准等调研，是产品商品化的必要手段。

产品定位，即产品概念设计的定案。产品定位往往不是唯一的，但作为一项设计任务，一个最终的产品却是唯一的。因此，产品定位的台理化决定整个产品工程的成败。产品定位必须遵循实用，经济、美观、舒适安全、绿色、文化认同等美学原则，由企业内部管理人员、设计师、用户代表、营销人员和有关专家组成评审组，对产品调研报告进行公正合理的评判，确保产品的科学定位；同时指导确定产品创新设计的具体任务书。这部分工作由工业设计师主持，并在产品开发设计的各类人才和消费者代表的通力合作下完成。

2　产品方案设计。产品方案设计是按产品定位的既定目标，对产品进行形态设计的过程，其主要任务是产品的功能设计。产品功能包含产品的实用功能和精神功能。产品功能设计具体为产品实用功能设计和产品造型设计。产品实用功能设计是产品技术的重构和创新，主要属于工程设计的范畴；产品造型设计是对产品所有创新元素的集成创新，主要属于艺术设计的范畴。产品创新设计成果最终集中体现在产品的形态中，所以，产品方案设计是产品创新设计必不可少的途径。方案设计是在产品符号科学编码的基础上，即满足实用功能最基本的结构、机构、材料与工艺、人机关系、价格等因素的制约，按产品语义学和产品语构学规则，对产品最终形态进行艺术编码。方案设计在对产品最终形态进行艺术构思过程中，一方面要正确面对实用功能；另一方面必须遵循该类产品造型规律所昭示的趋势，正确面对特定使用群的文化背景和生活方式等人文艺术因素的制约。该过程中，必要时还需制作草模型(概念模型)，协调理性与感性、视觉与触觉的关系。人机界面设计在不破坏整体造型风格的前提下，须充分满足实用功能、安全、经济、环保、人文识别、企业形象等因素的要求。针对不同产品，创新设计的侧重点有较大的差异。在保证产品合适的实用功能前提下，消费品制造业更注重产品的精神功能，创新设计偏向产品的造型设计，设计追求品味和流行时尚。装备制造业则更注重产品的实用功能，创新设计偏向产品的工程设计，其产品造型设计有别于消费品制造业，主要特征表现在：1．物质功能明确，不刻意追求艺术表现；2．受技术与成本因素制约，造型可变空间小(由于产品批量小，材料以金属板材、型材等为主，加工工艺以铸、锻、焊、铆、折、弯、剪切等冷热工种为主，造型不像塑料制品那么自如)；3．由于产品一般体积大、工作强度大，对产品操作的人・机・环境协调性要求很高(尽管我国企业对此仍不太重视)。

方案构思初步阶段，工业设计师一般徒手绘制产品方案。随着方案的深入，工业设计师会用相关CAD／CAM软件在电脑中虚拟产品方案的三维效果，结合草模型进行理性与感性的分析。最终方案一般须制作设计评价模型。设计评价模型制作，视产品具体情况确定。体积较小的产品，采用原型制作方法。原型制作是严格按照既定方案的结构、机构、形态、色彩、材质和标识制作样品的过程。装备制造业产品一般体积较大，常常采用仿真模型制作方法。仿真模型制作是尽量按照既定方案的结构、机构、形态、色彩、材质和标识制作等比缩小样品的过程。由企业内部管理人员、设计师、用户代表、营销人员和有关专家组成的评审组，面对产品最终方案的设计评价模型，围绕产品材料与工艺、人・机・环境、生产成本、精神功能、可持续性等重要因素进行深入细致地科学评议。方案认定或修正之后，必须绘制精确的外观三视图，作为产品结构设计的出发点。这部分工作由工业设计师全面负责完成。