时间：2023-07-24 17:05:58
摘要：根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能四种类型。指出四种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。
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。
值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。
LLPC产品工业设计中需要满足加工效率高、安全性、良好人机与操控、良好维护性等要求。因此，对应地，设计过程中考虑分析加工各个功能模块的布局，获得高效率的加工方式;考虑在设备加工过程中操作人员的安全性问题;考虑人员操作的易用性，获得良好的精确操作及监视需要;考虑使用后的定期维护需要，需要将控制模块进行独立布局，而不影响其他模块。概括地，该产品的特点有:(1)体量大;基于计算机辅助设计的设计方法容易造成尺度把握不当而造成装配误差。同时该产品的人机尺度与交互关系成为设计要点，设计过程中应注重计算机数据对人机尺度的检测与验证。通过分析确定的人机尺寸数据输入前期的模块化设计中，为后期造型与结构设计作重要参考。(2)零件多;大型机床功能较繁琐，实现功能的零件多，设计过程中需要利用计算机辅助设计软件基于零件的三维数据构建三维模型，佘月明等人对复杂层次关系的造型做了研究［5］，必要时候采用逆向工程方法进行三维数据采集。(3)构造复杂，需要提前进行产品布局设计;大型机床产品功能模块多，因此构造必然复杂，零件装配点多而连接关系复杂，因此，在计算机辅助设计时，应先构建主体零件，次要零件的尺寸、位置及装配关系。(4)生产方式与材料特性对造型风格影响大;确定功能模块的布局后，则需要导入生产方式的考虑，以建立造型设计的基本工程要求。魏专等人研究的造型比例关系在数控机床造型设计中的应用［6］，提供了一定参考。
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。
6结束语
关键词：机械产品；布局设计；建模
中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1672-3198（2009）03-0264-02
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，Af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
［1］郭万林.机械产品全生命周期设计［J］.中国机械工程，2002，（7）.
关键词:工艺 结构 优化设计 成本控制
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：
[1]包乐琪,陈绪坤,潘伟.结构设计中的成本控制.科技致富向导,2011,5
以消费者为导向的设计已经成为一个成功的产品开发过程中的关键因素。消费者的需求不断变化，因此设计师需要更科学有效的方法在设计过程中充分融合消费者的想法，设计的产品才能更好地满足用户的需求。而用户的需求是通过产品属性实现的，目前在需求到产品属性的转化上，设计师和消费者存在认知的差异。通过借鉴方法目的链分析方法，建立设计师的用户需求转化为产品属性的认知结构模型，用户根据认知机构模型运用评分矩阵进行评分，从而得到设计师和用户在需求到产品属性转化上的共识，通过达成的共识指导设计。
关键词：
用户需求；产品属性；转化；方法认知共识
1引言
当前，产品设计提倡以用户为中心的设计理念，因此，设计要关注用户的真实想法。设计师在进行产品设计时应该结合用户的观点进行设计，这需要一种更科学有效的方法，将用户和设计师在需求到产品属性转化上的认知呈现出来，并找到设计师和用户在认知方面的共识，避免设计师通过自己的主观感受进行产品设计。本文的研究目的是得到一种科学有效的需求转化为产品属性的有效途径，以便于设计出满足用户需求的产品。
2方法目的链在产品设计中的应用
MEC理论是综合产品属性、产品结果利益及价值的简单结构，可以有效地帮助我们了解消费者行为[1]。在市场营销中方法目的链理论是研究产品属性，用户使用结果和利益以及价值之间的关系，以此来了解顾客是如何、为什么选购某种产品的，产品设计中，用户的需求是受用户的价值观影响的，用户的需求必须通过产品属性来实现，将这种方法引用到产品设计中就可以回答如何设计产品以及为什么这样设计的问题，在进行产品设计时要以用户的需求为目标，产品属性与用户需求之间存在着很直接的相关性，产品设计的目的是满足用户的需求，用户的需求受用户的价值观影响，并且，用户需求的满足需要通过产品属性来实现，因此用户需求，产品属性和用户的价值观之间形成了一条关系链。在产品设计中借鉴方法目的链理论的研究方法，需要对原有方法目的链的结构进行改进，将使用结果层换成用户需求层，因为在市场营销中用户选购某种商品的目的是实现某种使用结果或利益，而在产品设计中，设计是为了满足用户的需求。
3用户需求到产品属性的转化过程
设计师关注用户的真实想法才能避免设计的主观性，才能使产品设计满足用户的切实需求，因此，在用户需求到产品属性的转化上应该更加科学有效。用户需求转化为产品属性的过程实质上就是将用户和设计师在需求到产品属性的转化上的认知进行呈现，并找到设计师和用户在认知方面的共识的过程。在产品设计中，借鉴联合模板技术，事先确定有关产品属性、用户需求和价值的列表［2］。将思维导图分为价值、用户需求和产品属性这三层，因为在产品设计中，用户的需求是受用户的价值观影响的，用户的需求必须通过产品属性来实现，这三者之间存在着必然的联系。制定认知结构模型，通过进行结构性的，定性的认知导向研究，取得适用于产品设计的方法目的链，并制定指导产品设计的价值层级图。
模型的构建主要分为三部分，首先构建一个呈放射状的思维导图（价值-用户需求-产品属性）去呈现设计师有关产品的认知。其次，创建一个评分矩阵，通过为属性-结果和结果-价值矩阵中的一对元素之间的关系进行评估和赋值来给用户提供一个表达他们观点的机会。再次，设计师和用户之间认知的相似性和差异性将被区分开来。这样设计师可以了解他们的认知结构相比用户有着怎样的差异，同时，也可以得到设计师和用户达成的共识，并以此来指导设计。具体流程如图1所示：
3.1构建设计师的认知结构模型的步骤认知结构模型的建立是由设计师完成的，通过认知结构模型可以了解设计师对于产品属性、用户需求、价值之间的相关性的认识。（1）建立编码——为了方便用户根据方法目的链模型进行评分和赋值，然后将收集到的价值、用户需求、产品属性、邀请3名设计师进行编码和分类，编码要采用数值编码的形式，编码的重点不在于关注各个要素，而是厘清要素间的关系，同时，编码所反映的内容必须清晰而全面。Gutman（1982）提出分类结果要由其他编码人员进行复检，从而保障其一致性［3］。（2）首先把设计主题这个关键词放在纸的中心，然后按照价值、用户需求、产品属性这三个层次从这个中心扩展其范围。（3）主要的分支将扩展出各个较小的分支，只能标注一个关键词在各自分支上。（4）所有较小的分支从主要分支中被扩展出来形成树状图；主要分支和较小分支的分支线粗细递减。
3.2建立综合关联评分矩阵建立综合关联矩阵是为了通过让用户评分的方式获得用户对产品属性、用户需求和价值之间的相关性的认识。通过矩阵，采用量化的方式实现被访用户的数据整理分析。有助于整合和量化消费者的认知取向，并以建立的矩阵来构建出价值层级图，简称HVM，从综合关联矩阵可以看到，横轴和纵轴包含了所有的编码，而矩阵的每格都有自己的含义，表示在阶梯矩阵中产品属性层的各元素与用户需求层的各元素之间的关联程度，或者用户需求层各元素与价值层各元素之间的关联程度。
3.3建构价值层级图通过方法目的链模型和关联矩阵可以得到设计师和用户对于产品属性、用户需求和价值这三层中各个要素之间的关系的共识，得到需求转化为产品属性的方法。由此可以得到几条指导设计的方法目的链，根据所得方法目的链构建价值层级图，在层级图中所涉及的元素都可以采用编码内容作为依据，而连接的线条则以关联矩阵表中的连接顺序为主，价值层级图展现了产品的属性、利益和价值，在MEC中的整体关联关系。
4设计实例应用
以老年人个人移动通信设备为例，确定从用户需求到产品属性的认知结构模型，以实现用户需求到产品属性的转化。案例研究“老年人个人移动通信设备”详细解释了用户如何考究设计师所产生的想法，然后双方达成共识。在研究开始时，设计师使用思维导图构思，并确定由26项“属性”元素13项“需求”元素，和5项“价值”的元素构成的认识结构模型。然后，建立一个关联矩阵让被调研的用户对属性和需求之间的关联度进行评价，以此可以得到消费者和设计师对“老年人个人移动通信设备”的认知异同，以及它们之间的联动关系。最后，精简的价值层级图被用来表示设计师和用户达成一致认知的想法，并利用这些信息指导产品设计方针。
4.1确定从用户需求到产品属性的认知结构模型的三个层次（1）价值是对特定行为或生活的终极状态的一种持续性信念，会影响个人的行为方式或生活目标［4］。依据Kahle（1983）所提出的ListofValues（LOV）中的九项价值并参照马斯洛需求层次理论来确定价值，将价值确定为温馨的人际关系、满足自我、趣味生活、安全感和成就感。（2）通过访谈法、问卷调查法、人物角色建模以及情景分析的方法确定老年人的用户需求层，得到以下用户需求层：（3）通过评语分析法确定老年人个人移动通信设备的产品属性,本文根据在京东商城销售量排前3名以及销售量居后3名的6款老年手机进行属性的分析和获取。选择销售量排前3名的老年手机进行研究，可以获取使用户做出肯定决策的产品属性，选择销售量后3名的老年手机可以获取是用户做出否定的使用决策的关键属性。最后将这6款手机的产品属性进行综合，得到以下产品属性表:
4.2建立关于老年人个人移动通信设备的认知结构模型设计师运用思维导图建立关于老年人个人移动通信设备的认知结构模型，三位设计师使用思维导图的方法花了1.5小时，集思广益。在主要分支价值上收集的要素有“满足自我”，“温馨的人际关系”，“成就感”，“趣味生活”，和“安全感”。子分支被扩展为需求，并从这些子分支到下一级所产生的分支是属性。根据他们的个人经验和知识，以及分层和分类关键字的原则，设计师建立认知结构模型的过程来阐述他们对“老年人个人移动通信设备”的认知结构，如图3所示。
4.3进行认知结构模型的可靠性评价：邀请三位程序员中熟悉方法目的链和内容分析的人对元素进行分类和编码。再对编码信息进行可靠性评价。Wimmer&Dominick提出可靠性评价值要大于0.9，因此当评价大于0.9时设计师所建立的认知结构模型是合格的。可靠性可以通过以下公式获得：经过计算得出：可靠性计算所得数值大于0.9，因此设计师所建立的认知结构模型是合格的。
4.4建立综合关联矩阵研究用户认知关联矩阵中的元素根据图2中的认知结构模型进行AD和DV关联矩阵形式分类。首先，以属性为行，以需求在列，形成一个AD矩阵。被调研的用户对属性和需求之间的关联度进行评价。评价采用五分量表：非常密切相关是5、密切相关是4、次之是3、稍有关联是2、并没有关联是1。类似地，DV表中所列的是需求和价值。建立综合关联矩阵可以通过让用户评分的方式获得用户对产品属性、用户需求和价值之间的关系的认识。阐述用户和设计师对“老年人个人移动通信设备”的认知异同。通过此矩阵可以描述用户所理解的不同要素之间的相关性，并以此构建出价值层级图，得到需求转化为产品属性的途径。
4.5问卷调查并分创建一个评分矩阵，通过为属性-结果和结果-价值矩阵中的一对元素之间的关系进行评估和赋值来给用户提供一个表达他们观点的机会。再次，设计师和用户之间认知的相似性和差异性将被区分开来。这样设计师可以了解他们的认知结构相比用户有着怎样的差异，同时，也可以得到设计师和用户达成的共识并以此来指导设计。具体流程为了干什么的。问卷收集：调查问卷（包括AD和DV），向用户发放问卷98份，收回有效问卷86份，回复率为88％。基于86名受调研者提供的数据建立一个整合后的含义矩阵。通过将矩阵每一个区域中采访数据求和除以采访人数可以计算平均组合值。计算合计AD矩阵每一小区域中的平均组合值公式如下：i是属性的数量，值为1到26；j是需求的数量，值为1到13；N是被访者人数，86人；平均组合值，值为1到5。根据86份问卷调查结果，获得关于属性A1-A26各个名词与使用结果D1-D13各个名词之间的各项评分的平均分矩阵和展示在认知结构模型，用灰色部分标记出来，这些代表设计师的认知。另一方面，参照尼尔森（1993）的研究，如果五点量表的平均值大于3.60，则意味着这个问题有一个“正”的值，用户认为两个元素之间存在重要的相关性。如果表中的数值是灰色底的加粗黑体字，那就代表设计者和消费者达到了正向一致；如果是灰色但不是加粗黑体字，那就代表是设计者的主观意见；如果是加粗黑体字但不是灰色底，就表示代表着消费者的主观意见；如果既不是黑体也不是灰色，代表设计者与消费者意见相反。
4.6得出方法目的链若设计师和用户在某一类需求类别、需求以及属性之间的关联程度上达成了共识，那么就能确定一条需求类别、需求和属性之间的关系链，以此类推，可以获得多条具有较强相关性的关系链。经过计算属性与需求，以及需求与价值之间的相关性，可以得到14条方法目的链，通过这14条链，我们可以清楚地知道各个产品属性与各个用户需求以及价值之间的对应关系。可以明确用户的需求是在哪种价值的引导下产生的，通过哪一种属性来实现需求。
4.7建构价值层级图通过方法目的链模型和关联矩阵可以得到设计师和用户对于产品属性、用户需求和价值这三层中各个要素之间的相关性的共识，从而得到需求转化为产品属性的共识。这些共识是通过得到的方法目的链体现的，因此，根据所得方法目的链构建价值层级图，层级图中所涉及的元素都可以采用编码内容作为依据，而连接的线条则以关联矩阵表中的连接顺序为主，价值层级图展现了产品的属性、利益和价值这些元素在方法目的链中的整体关联关系，这种关联关系就是需求转化为产品属性的途径，利用这些信息可以指导产品设计。
5结论
本文研究一种合理的用户需求转化为产品属性的有效途径，以便设计师设计满足用户需求的产品，实现以用户为中心的设计理念。结合市场营销领域中的方法目的链分析法，建立用户需求到产品属性转化的认知结构模型，通过用户参与，取得需求转化为产品属性的有效途径，可以更科学有效地指导设计。
参考文献
[1]Gutman，Jonathan.AMeans-endChainModelBasedonCustomerCategorizationProcesses[J].JournalofMarketing，1982，Vol.46：60-72.
[2]孙宇彤.方法目的链理论在手机电视消费行为研究中的运用[D]．吉林大学硕士学位论文，2006．
[3]王吉军,岳同启,张建明,王健.客户广义需求分类体系研究[J].大连大学学报,2002,23（6）：48-54.
本课程作为工业工程专业的一门实践性强的专业核心课程，其主要任务是学习产品功能的设定、常用材料的种类和特性以及加工工艺、产品结构设计的原则以及与产品造型有关的通用结构设计知识，使学生掌握与产品设计相关的基本知识，具有产品结构设计的基本技能，能够完成简单产品设计中从功能定义到材料选择以及最终的结构设计。
1.1本课程的知识模块包括：①产品材料与表面处理工艺常识；②塑料件结构设计的基本原则；③钣金类产品结构设计基本原则；④模具基础知识；⑤产品结构布局设计；⑥产品典型结构。其目的是使学生掌握结构设计的基础知识，培养学生的三维空间想象能力，在实际应用中养学生的新产品开发以及应用计算机绘图的能力。
1.2课程的重点内容包括：①常用塑胶材料基本知识；②常用金属材料基本知识；③常用表面处理知识；④产品结构设计总原则；⑤产品结构关系分析与结构绘图的基本要求。
2《产品结构设计》课程的教学思路
2.1选用教材。目前还没有适合工业工程专业使用的《产品结构设计》教材，所以国内普遍做法是选用产品结构设计方面教材，暂定的教材是黎恢来编写的《产品结构设计实例教程》。该教材将作者十几年的产品结构设计经验总结而成，系统、精细、全面地介绍了产品结构设计知识及设计全过程，明确了产品结构设计的概念和岗位职责，并通过讲解一款电子产品的全套产品结构设计的整个过程，帮助学生融会贯通，更加高效地学习和掌握实用技巧。
2.2教学内容。依据工业工程专业的整体人才培养方案和教学大纲的具体要求，将《产品结构设计》分为六大模块，每个模块里面包括若干的章节，各章节之间既自成体系，又互相有衔接，条理清晰，通俗易懂。
①“产品材料与表面处理工艺常识”模块，主要介绍注塑工艺理论、常用塑胶材料和金属材料基本知识，以及注塑件、钣金件表面处理方法。塑胶的定义及分类方面，介绍ABS、PS、PP、PVC等的应用范围、注塑模工艺条件和化学和物理特性，重点是使学生了解注塑件的常见问题分析及解决，比如缩水、飞边、熔接痕、顶白、塑胶变形等。金属材料方面，介绍一些金属的特性和应用范围，比如不锈钢、铝、铜、镍和锌合金。常用表面处理知识方面，主要涉及塑料二次加工的基本知识，学生需要了解丝印、移印、烫印、超声波焊接、喷涂、电镀和模内覆膜等表面处理工艺。
②“塑料件结构设计规范”模块，重点介绍塑料件在设计和修改阶段需掌握的通用设计规范，比如塑料件的料厚、脱模斜度、圆角设计，能够分析塑料件的加强筋、孔、支撑面的使用范围。在细节部分，应了解塑料件文字、图案、螺纹和嵌件设计。
③“钣金件结构设计规范”模块，介绍钣金类产品设计的工艺要求，包括冲裁、折弯、拉伸、成形工艺，并且让学生了解压铸类产品结构设计的工艺要求。在此模块的教学中，应引入企业实际产品案例进行讲解，以便于学生更好地掌握钣金件的设计规范。
④“塑料模和钣金模基础知识”模块，介绍塑料模和钣金模的基本类型及典型结构，包括模具概述，模具的分类、注塑机介绍等，重点讲解的是注塑模结构里面的浇注系统、顶出系统、排气系统和行位与斜顶，以及二板模和三板模之间的区别和应用，以“实用、够用”为度，学生只需了解典型的模具结构，不需要进行后期的模具设计。
⑤“产品结构布局设计”模块，主要介绍壳体形状结构、密封结构、卡扣结构、螺钉柱结构、螺纹连接结构和嵌件连接结构等知识，以及各个特征的定义、作用和设计原则，特别是特征在使用时的相互配合关系。拓展知识方面，要了解塑料零件自攻螺柱及通过孔设计规则，以及模具设计与产品结构设计之间的联系。
⑥“典型产品结构”模块，重点介绍目前国内普遍使用的三大产品（电子产品、家电产品和电动产品）的典型结构设计知识。每类产品选取一款经典的已批量的产品作为蓝本，深入解剖结构知识在产品设计的运用。比如电子产品选手机为代表产品，讲解手机产品各零部件的结构、前壳与底壳的止口设计、LCD屏限位结构设计和电池固定结构设计，以及内藏摄像头结构设计。家电产品则以电吹风为例，学生要掌握电吹风的功能、材料、结构工艺性等，了解CAD软件在电吹风设计中的应用，能对产品塑料件进行结构分析。在此过程中，还要掌握项目管理方面的知识。
2.3教学方法。在教学中，提倡基于工作过程为导向的项目化教学，理论教学与实践练习相结合，增加实践课时的比例，培养产品设计的实践能力。教师引导学生建立实用合理的知识结构，强化学生的自觉体验和掌握知识的迁移能力，淡化理论和实践的界限。在基础知识够用的前提下，采用任务驱动教学法、项目教学法，通过在具备多媒体教学设施的校内实训基地开展新产品和新工艺的开发工作，使学生体会具体产品的外观造型和结构设计过程，提高学生的综合应用能力和实际应用能力。
3《产品结构设计》在工业工程专业总体实训的具体应用
【摘要】可回收性设计作为绿色设计的核心内容之一，是一种再生设计。以产品的可回收性为切入点，着重分析产品的回收成本与回收价值、回收结构造型的设计特点以及回收设计的 时机周期，为优化产品的结构造型设计，提升产品的回收价值提供支持。
【关键词】可回收性 结构造型 成本价值 时机周期
引言
随着经济的高速发展，资源短缺、环境污染等诸多问题已经成为社会经济发展的瓶颈，甚至威胁到人类的健康和生存。快速提升的生产力使得许多国家都面临着一个严峻的问题：产品的生命周期越来越短，这并不是指产品丧失了原先的功能特性，而是有更新、更好的产品迫使其提前结束生命周期 （如通讯设备、计算机设备等），由此带来的后果是产生越来越多的废弃消费品。这就要求生产企业在设计和生产时不能仅考虑产品的收益率，而应综合考虑产品对环境的影响和资源的再利用。可回收性设计作为绿色设计的核心内容之一，是一种再生设计，不仅要求在产品设计时考虑产品的功能、质量和成本，而且还要着重考虑产品的回收处理。由于产品的回收是一个动态不确定的过程，产品的非正常使用或人为因素等都可能导致产品的不同损耗或者损坏，并且产品的回收特性事实上在产品的前期设计过程中就已经确定了，因此，在产品的静态设计过程中从结构造型方面来考虑产品的回收问题和规划产品的回收行为具有非常重要的意义和作用。设计人员在产品设计阶段着重考虑产品的回收特性，对产品回收的可能性、回收的成本与价值、回收的结构造型设计特点以及回收的时机周期进行详细的分析，不仅有助于优化产品的结构造型设计，还有助于降低回收成本提升回收价值。
1、结构造型设计的可回收性分析
在设计产品的结构造型时，对其可回收特性进行分析有助于实现绿色设计的目标。首先，具有良好回收性能的产品结构造型可使资源利用合理化；其次它还可以使废弃物产生减量化，生产对环境无污染或少污染的消费产品；再次它能增加企业产品的竞争力，在激烈的市场竞争中掌握主动权；最后它能使企业更好的协调经济效益与社会效益之间的关系，走可持续发展的道路。总而言之，随着科学技术的迅猛发展和社会的不断进步，人们的环保意识日益增强、客观认识不断深化，逐步从环境和资源等方面对产品提 出了更高的要求。可回收性产品结构造型设计以此为切入点，通过科学合理的方式和手段优化产品的结构造型，创造出更易回收、更环保、成本更低的突破性产品。优化后的回收产品结构造型能够促使产品 的后期回收工艺简化，回收成本减少。
良好的回收工艺大大降低了回收周期和成本，而产品的结构造型设计在很大程度上决定了回收工艺的复杂程度。因此，在进行产品的可回收性设计时必须把结构造型创新设计放在重要的位置上，以有利于提高回收的效益。在面向可回收性的产品结构造型设计中，需要对所设计产品的回收特性进行分析与评价，主要是对回收的成本与价值、结构造型特点、回收时机与层次等方面进行分析研究。
2、可回收产品的结构造型分析
通过改进和优化产品的结构造型使产品获得更优的回收性能是既经济又符合生态环境要求的优秀策略之一。为此，选择对产品的回收性结构造型进行详细的描述和细致的分析，以资源和环境的思想来统领整个设计行为是设计师能采用且易采用的设计方法。产品的结构造型设计是决定产品可靠性高低的关键性因素。产品经过使用、置放等都会不同程度地影响产品的可靠性。在进行产品的可回收性结构造型设计时，通过优化结构造型设计的方法可降产品的磨损程度以提高产品残余寿命，降低对回收的产品检测的复杂程度以便对产品进行功能扩展。结构造型设计要融入语意符号，加强可回收性的联想与理解等。除此之外，还应从装配性和可拆卸性设计考虑产品的可回收性，连接方式的设计与选择是产品性能优良的集中体现。也就是说，在满足产品的使用功能和特定的性能方面，产品的可回收性结构造型设计重点应放在连接结构方式上，因为不同的连接 结构决定着不同的装配性能和拆卸的复杂程度。时机周期分析 产品的回收是产品的整个生命周期中的最终一环，使产品真正形成一个封闭的可再生循环。尽管回收处理处于整个循环的末端，但是产品大多数的回收特性在产品的早期静态设计中就已经确定。因此，在产品开发设计阶段、在设计产品结构造型时，就应更多地从可回收方面来规划产品的设计形态，以降低回收成本，提升回收价值。
产品从设计到回收经历了一定的时间跨度，产品的可回收性受到这一时间内产品的使用情况、相关技术和社会因素的影响，因此存在一定的不确定性。而且随着产品的使用环境不同、人为造成的影响因素不同、本身功能表_的不同等都可致使产品的后期回收过程在一定程度上具有不确定性。尽管如此，产品回收的基本属性却不会因此而得到改变，一个具体产品的后期拆卸和回收处理在产品的初期结构造型设计阶段就已经得到完全的设计和规划。
总之，在考虑产品的回收时机时，应着重从产品的前期设计入手，可回收性设计作为绿色设计的核心内容之一，是一种再生设计，不仅要求在产品设计时考虑产品的功能、质量和成本，还要着重考虑产品的后期处理。在面向可回收性的产品结构造型设计中，需要对所设计产品的回收特性进行分析与评价，主要是对回收的成本与价值、结构造型特点、 回收时机与层次等方面进行分析与研究。在回收价值方面，不仅有资源价值，还有环境价值。选择对产品的回收性结构造型进行详细的描述和细致的分析，以资源和环境的思想来统领整个设计行为是设计师能采用易回收性产品的设计方法。
参考文献：
[1]柴金柱.可回收绿色技术在设计中的应用[J].中外能源.2016（04）
[2]王国强.基于环境保护水平上的产品回收技术[J].中国石油和化工标准与质量.2014（10）
数据是记录客观事物的可以鉴别的符号，信息指关于客观事实的可通信的知识。所谓知识，就其反映的内容而言，是客观事物的属性与联系的反映，是客观世界在人脑中的主观映象。数据在使用中提升为信息，转化为知识，继而积累为企业智力资产，指导产品设计，就是基于知识的设计［1］。目前产品设计知识重用的两个瓶颈问题:设计知识的建模问题和构造高效的检索方法。其中，产品设计知识建模主要归结为:基于功能原理模型的产品知识建模、基于全生命周期的产品知识建模、基于知识的产品知识建模、基于分析模板的产品建模、基于语义网的产品知识建模和基于本体的产品知识建模［2］。基于本体的知识建模描述深度大，具有清晰的层次性和关联性，便于共享重用;基于本体的检索也是基于知识、语义的匹配，查准率和查全率较高。设计知识重用可分为产品重用设计的知识重用和产品创新设计知识重用［3］，前者主要针对智能CAD技术，主要用实体的结构信息和几何信息的重用，但对以语义为主的产品创新设计缺乏有效地支持;后者主要研究了产品需求知识、产品性能—(行为)结构—(映射)知识、专利知识等的重用。这些研究对生成产品创新设计方案有积极的作用，但没有更深入研究如何将产品内外部分散、多类型、动态的多个创新源知识集成到产品创新方法和过程中去。为此，文中针对企业大规模定制的多品种、系列化、大批量生产的单体液压支柱产品，根据客户对产品的个性化性能需求，对现有的单体液压支柱产品进行信息处理，采用物元理论［4］与可拓学［5］方法，建立面向产品性能的可拓集论域配置模型，并进行可拓分类知识挖掘，同时，对产品布局结构的变换阈值知识进行相互匹配与矛盾问题消解，实现产品设计的快速配置。
1设计过程的信息处理
1．1基于知识的设计系统开发在煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作人员的安全和各项作业的正常进行，必须对顶板进行支护，我国主要使用单体液压支柱来完成支护任务。对于煤炭生产企业，其工作面支护密度则根据顶板岩性及冒落带层的厚度，直接顶与老顶的跨落步距等矿压观测资料来计算确定所需要的液压支柱型号、规格，同时可以根据井下作业支护的具体条件，如支护高度、地质条件、温度、湿度等提出液压支柱的性能需求。而对液压支柱生产企业来说，一个成熟的液压支柱产品设计系统能根据客户对产品的性能需求，结合该产品原有的知识与经验，快速配置出所需液压支柱产品型号并大规模定制出相关的系列产品尤为重要。基于知识的设计系统开发是一个综合的过程。开发者将收集产品设计、分析和制造方面的一切信息，包括设计规则、标准及装配和制造对设计的要求，和专家的知识与经验，并将其集成到设计系统中，使得设计人员能在设计的不同阶段得到系统不同程度的在线设计支持。它是CAD/CAM/CAE、知识库、推理机、数据库等的集成，不仅体现了并行工程思想，而且更强调专家知识和经验的继承、传递与共享［6］。
1．2基于知识的设计系统开发过程基于知识的设计系统开发包括知识获取、知识表达、知识推理、输出等内容。首先，基于知识的工程将所获得的知识形成规则库和数据库，而不是在每次设计时分别获得各位专家的指导;其次，所获得的知识要表达成计算机能够识别的符号，并具有某种机制，以便进行修改、删除、添加等管理活动;然后，建立起与知识库分离的推理机，依据所表达的知识进行逻辑推理，以解决设计中出现的各种问题;最后，给出一个带有知识库、数据库和推理功能的设计支持软件系统。基于知识的设计系统体系机构如图1所示。
2基于数据库的产品可拓分类知识挖掘
2．1可拓集定义1:设U为论域，u为U中的任一元素，k是U到实域R的一个映射，T=(TU，Tk，Tu)是给定的变换，称槇E(T)={(u，y，y')|u∈TUU，y=k(u)∈R，y'=Tkk(Tuu)∈R}为论域U上的一个可拓集，y=k(u)为槇E(T)的关联函数，y'=Tkk(Tuu)为槇E(T)的可拓函数。可拓分类是在变换下的分类，它把论域U分为5个域:正质变域E•+(T)，负质变域E•－(T)，正量变域E+(T)，负量变域E－(T)，拓界E0(T)。企业在产品的设计中，产品的性能不能满足客户需求这是一个矛盾问题，在可拓学中解决矛盾问题的关键是变换［7－9］，通过对产品结构的可拓变换，将产品的性能由不满足客户需求变为满足客户需求。当不实施可拓变换时，可把论域U划分为正域、负域和零界3部分，分别代表产品性能符合客户需求的域、产品性能不符合客户需求的域和介于两者之间的临界。当实施某个可拓变换时，论域被划分为符合客户性能需求的产品性能量变域、不符合客户性能需求的产品性能量变域、产品性能由不符合客户需求向符合需求变化的正质变域、产品性能由符合客户需求向不符合需求变化的负质变域、变换临界部分。如图2所示。
2．2可拓分类知识挖掘(1)产品可拓配置集。设论域U={u1，u2，…，um}为某一产品现有实例库中的属性集合，其中元素ui(i=1，2，…，m)表征该类产品论域U中的某个属性。sim(i)(i=1，2，…，m)则为该属性关于现有实例与性能需求之间的相似程度，可取前面所述的区间与区间、点与区间、点与点的相似度计算式，并根据经验由客户及设计师共同确定的某一阈值si来定量判断性能需求的准确程度，Tui为给定的关于元素ui的变换，具体表现为结构改变等引起该产品某一属性值的改变，则E(i)(Tui)={ui|ui∈U，y=sim(i)(ui)∈R，y'=sim(i)(Tuiui)∈R}记为论域U上关于元素ui的产品可拓配置集［10－11］。通过对产品的相似性分析可以实现快速产生定制的产品，降低设计成本。从现有的方案库中找出和客户需求相近的配置方案组成需求相似配置方案集，它是产品配置方案修改的对象。相似性原理中的关键是相似度计算，目前常用的相似度计算方法有:最近邻法;TC(Tversky’sContrastMatching)相似法;归纳索引法(Induction);知识导引法(Knowledge-GuidedInIn-duction);模板检索(TemplateRetrieval)。设区间A=(a1，a2)，B=(b1，b2)，且AB，文献［12］在距的基础上提出了改进距相似度模型，将区此关联函数的值域是(－∞，+∞)，可用此公式计算点和区间套的关联程度。用上述公式表示可拓集中的关联函数，就把“具有性质P”的事物从定性描述拓展到“具有性质P的程度”的定量描述。实际问题中所评价的特征往往有多个的情况，常用综合关联函数来表示，即若某问题中关于对象O的各评价特征。
3基于EDM的产品性能配置方案生成
3．1相关定义定义2:可拓数据挖掘(ExtensionDataMinin，EDM)是可拓学在数据挖掘中的应用，它在数据挖掘获得的静态知识的基础上，通过可拓变换，获取变化知识，即含可拓变换规则的知识。针对客户对产品性能需求，在已有配置方案中的基础上进行变换，使其得到符合客户性能需求的新产品的配置方案，在此过程中有两个问题:(1)找出和客户性能需求相关的产品结构，将这些结构作为变换的对象;(2)如何对这些结构进行变换。将这两问题解决，新的配置方案就出来了。然而，不同的配置方案由于自身的特点，其对应的结构集合变换方案也是不同的，即要变换的结构集和变换方案随配置方案的变换而动态变换。
3．2客户性能需求获取设产品配置方案中有n条配置方案记录，取这n条记录为样本空间x'，Fab(x')或Fcd(x')为样本概率分布，表示产品的性能在区间内样本空间占总样本空间的比例。客户对产品的性能需求分为3种情况:(1)客户对现有产品性能比较满意，可将产品的性能分为好、中等、一般3类供客户选择，设:Fab(x')=β，Fcd(x')=α(13)其中0＜β+α＜1，β和α为现有产品配置库方案中按照性能划分比例，将产品性能值按照从小到大排列，a为产品配置方案库性能最小值，b为第β*n个产品的性能值，c为第α*n个产品的性能值，d为产品配置方案库性能最大值。产品性能划分:一般=［a，b］，中等=［b，c］，好=［c，d］。(2)对现有产品性能不满意，则将定量化性能需求分为要求较高和要求很高两类，其中要求较高的范围为(b，b+γb)，要求很高的范围为(b+γb，b+φb)，γ和φ为性能改善程度。(3)客户对现有某个产品的某些性能提出改进要求，则输入具体的修改参数。客户性能需求输入模型如图3所示。
3．3基于EDM产品传导变换知识的挖掘通过传导变换知识分析产品性能和产品结构之间及产品结构与结构之间的关系，最终将产品性能的描述转化为能实现这些性能的具有具体形状、尺寸及相互关系的零部件描述。基于EDM技术的产品性能配置设计方法为产品设计人员提供一种新的设计方法学，能够有效地进行数据管理及过程管理，使得企业可以充分利用已有的零部件资源，最大限度地提高产品设计开发的工作效率、提高产品质量和降低产品成本等。(1)基于EMD产品传导变换知识的挖掘过程。利用EDM的原理从现有的配置方案库中挖掘出方法事元的传导变换知识，最终得到产品的配置方案，其过程如图4所示。(2)传导变换知识挖掘。产品是一个统一的整体，产品的内部存在装配规则、空间位置等各种联系，配置方案中某个结构的变换除了本身发生改变以外，由于传导作用，导致和其相关的结构发生变换。从已知的产品配置库中挖掘这些传导变换知识，有助于利用传导变换的正面作用，尽量减小负面作用的影响，传导变换知识挖掘流程如图5所示。
4实例应用
以某煤矿机械企业大规模生产的单体液压支柱设计为例，说明文中方法的应用。根据客户对液压支柱产品性能的需求，要求最大支撑高度达到1500mm，质量在32kg左右，工作行程在700mm，工作液压在40MPa之间，油缸直径90mm之间。但在液压支柱配置方案库中，没有完全符合上述条件的液压支柱，故需从配置方案库中检索出和客户需求最相似的配置方案对其进行修改。
4．1原始数据单体液压支柱按供油工作介质方式不同可分外注式和内供油式支柱;按工作行程的不同可分为单伸缩、单行程和双伸缩、双行程支柱;按制作主机材料的不同有普通钢质支柱、高钛合金支柱、铝合金支柱、不锈钢支柱等;根据结构形式可分为活塞式支柱和柱塞悬浮式支柱两大类，其中活塞式支柱按工作行程又有单伸缩和双伸缩支柱。文中通过Access数据库软件，对原有实例数据库进行储存和分类，其部分数据库处理结果如图6所示。
4．2客户需求相似分析对产品配置实例库参数进行无量纲处理，计算客户需求和配置实例库中的相似度后得到相似度矩阵:通过分析比较，可从实例数据库中检索出DZ16－25/80液压支柱为最相似实例，但不是客户所需的型号，需在该型产品的基础上进行可拓结构变换。
4．3基于方法事元的可拓变换在性能需求相似度求解过程中，一个改善性能的行为可由多种方法来实现，这样就会形成多种求解问题的方案，这种方法通过事元模型描述形成方法事元模型。液压支柱产品配置设计过程中，客户提出性能需求可形式化描述为。通过方法事元模型，计算产品配置方案集中每个方案主动变换结构的左右传导度的值，确定各个方案对应的需求结构传导矛盾环，从而实现产品性能到结构的映射，并最终根据需求结构的映射关系修改产品结构可得到产品配置方案的解空间，限于篇幅，文中不再赘述。
4．4基于知识的液压支柱产品可拓配置系统实现原型系统算法实现采用VC6．0++、软件开发平台采用SolidWorks2007，利用SolidWorks提供的基于COM的API对象，在Access后台数据库支持下，实现产品级建模技术和方案修改，构建产品配置的自动化，系统主界面如图8所示。
4．4．2相似度计算根据式(3)计算得到各个性能指标的关联度，为了计算评价指标的优劣，对关联函数进行规范化处理。产品配置结果得到配置方案的各个性能必须达到客户提出的需求，评价指标值可通过式(7)综合关联度来确定。系统给出关联函数计算相关的初始数据，如果客户对这些数据不满意可对它们进行重置并进行相似度计算。如图11所示。
4．4．3性能结构映射通过方法事元模型，得到单体液压支柱配置方法的性能结构映射关系及单体液压支柱再配置方法，如图12所示。
4．4．4配置解空间根据单体液压支柱性能相似性分析及性能结构映射关系，通过不同方法事元对单体液压支柱方案库中的实例进行修改变换得到配置方案解空间，如图13所示。所得到的配置解空间中有DZ14－25/80A，DZ16－25/80A，DZ16－25/80B，DZ18－25/80B等4种型号的单体液压支柱，即为客户可选的产品配置方案解。
4．4．5配置结果产品零部件尺寸参数和约束关系中，可先通过SolidWorks实现单个零部件内各个尺寸的约束关系，后采用Access数据库实现零部件之间的尺寸参数约束关系，最后基于SolidWorks的二次开发API技术，将设计意图转化到零部件三维图中。根据液压支柱性能结构映射关系进入SolidWorks三维图界面后，可以对产品配置结果进行干涉分析，并在此基础上进行适当的修改。图14所示即为经可拓变换后客户满意的DZ16－25/80B新型数字化预装配的单体液压支柱产品三维模型，其相关的技术参数将同时添加到实例数据库中。
关键词：仿生学；产品机械设计；应用
0 引言
产品设计是一门涉及工业设计、数学、物理等多学科交叉的学科门类，它要求设计师加强对工业技术与文化艺术的理解、各类学科的美学设计思想的综合、充分运用现有产品各类特质的能力。产品设计从市场需求出发，通过设计师综合分析归纳，同时经工程师工艺分析和反馈，反复从结构、外形与材料、功能等各方面进行优化的过程。
而仿生设计作为人类向大自然学习的途径，是当前科学界和人文界创新求知的重要方法，人类通过发掘了解自然界各类动植物的结构与生存方式，将研究发现运用到产品设计中，从而实现产品更好的服务人类，并和大自然和谐共存的新型设计理念。
产品设计在运用仿生学设计理念的前提下，要在产品中融合理工科和人文各类学科，通过将自然界生物体的形态、结构、材料和功能等各类要素融入产品设计的思路中，这使得产品设计既提升了艺术品位又满足了用户需求。
随着机械设计方法的更新，其他领域的新技术和新理念也不断向机械领域扩展，而仿生学设计的应用也为产品机械设计提供新的发展空间，本文将着重分析仿生学在产品机械设计中的应用。
1 产品机械仿生设计的理念与内容
机械仿生设计是指工程师在利用现有工程技术的前提下，运用发散性思维，结合仿生设计的理念和方式，设计出创新性的机械产品与结构材料的过程。这和以往的机械设计方法一样，都是基于机械设计的基本理论和方法，但是其又具有独特的创新性，是一种新型设计方法。
1.1 机械结构仿生设计
作为机械仿生设计的关键部分，机械结构仿生设计则需充分理解掌握自然界生物体的结构形式与相应功能原理，并对其结构和功能进行仿生设计而为人类使用。自然界的生物经过无数个岁月的进化，已充分发展形成了各种具有高度复杂的结构形式和功能形态。这些结构形式和功能形态作为机械仿生设计的源泉，提供了各类可供参考的结构形式。例如蜂巢的结构，其截面为六边形，总体为柱体，这种结构通过综合力学分析证明，能够在提高结构的同时而减少材料的使用。该结构已应用到特种飞行器件的结构设计中，在实践中得到了充分的证明。还有例如现已广泛用于包装的复合纸板，花炮架构等，这种机械结构的设计既能满足轴向抗压强度，又能减少材料的使用及重量的减轻，更能起到吸收噪音等辅助作用。
1.2 机械运动机构仿生设计
作为机械仿生设计的关键组成部分，运动机构仿生设计是在全面了解动植物运动的特点和原理的前提下，对运动的基本结构、运动的控制方式、运动功能的实现及运动的各个细节进行全面的模仿。在当前机构仿生设计中应用比较广泛和有成效的是现代机器人仿生设计和路面机械设计这两个领域。
伴随着工程技术的不断发展与人民对于现代生活方式的需求，机器人已不再仅仅局限于服务工厂，在人类的日常生活中已逐渐普及使用。比如在教育等方向的应用，多功能仿生手指的设计是经过复合材料做成的通过气动方式驱动的机构设计，在关键技术参数上，如应力、刚度要求、弹性收缩比率等都与自然界生物体的肌肉相近，我们可以通过机械加工成特殊壳结构从而使其具有良好的运动特性。
在路面机械方面，有关课题组利用牛耕地的基本原理，创造性的建立了“半浮式理论”，该设计的原理是通过改变传统农机驱动装置的承重与驱动的双重功能，从而独创性的设计出新型步行轮机构，使其广泛应用于松软土地等软性地基的工业状况。通过这一仿生设计的原理还指导了很多驱动力大、运动阻力小的新型机构。
1.3 机械材料仿生设计
机械仿生设计主要通过研究生物组织的结构、构成原理和材料的联系，获得所需要的启示并指导材料的设计、制造与加工，最终达到所需要的材料特性，从而满足机械的性能需求。生物复合材料的结构、原理等是现代新型复合材料研究的蓝本，对天然生物材料的表面功能、形成原理进行研究分析，发展出了具有仿生特性的特种工程材料，它代替了现有的金属材料与高分子材料，达到改善产品机械使用性能的目的。
1.4 机械运动控制仿生设计
在产品机械设计领域，机电液一体化及机械人工智能控制是现代机械系统整体运行性能的基本保证。智能控制仿生设计是现代仿生设计中的一个关键研究点，智能控制仿生设计的发展在一定程度上制约了仿生机器人领域的进步。过去的一段时间里，对于规定形状等规范化的对象进行作业的机器人有了快速的进步，而针对各种形态的动植物的工农业机器人也广受欢迎。在各个国家的竞争中，欧美等老牌产品机械设计强国始终保持在世界前列，这些国家目前对于仿生机器人的性能要求有了新的提升，不仅仅满足于路面识别，行走定位，还包括准确识别目标形态，智能纠正控制自身位置，并能实现记忆作业从而达到最大程度的智能化。
2 产品机械仿生设计发展前景（小结）
相对传统的产品机械设计方法，机械仿生设计作为一种新型的设计方法，短期内已经从集合多门学科逐步发展形成更深更广的产品设计理念。随着科技的不断发展，目前还需进一步研究与总结产品机械仿生设计的系统理论，同时必须有效地结合计算机发展技术进行仿生的辅助设计，并在机械控制系统和仿生设计集成方面需更进一步。产品机械仿生设计是未来产品设计的一个方向，它符合未来科技发展趋势，它是产品机械设计理念的一次跨越性的进步，它为产品设计的多元化发展提供了新的可能，它的发展与进步使得产品设计的道路越走越宽。
参考文献：
关键词：工业设计 产品设计 教学
一、概述工业设计与产品设计的特性
工业设计是一门需要较强的逻辑思维能力，是介于工科与艺术门类之间的学科，不仅需要了解工业设计的基础，也需要懂得和熟悉视觉传达方面的艺术知识，然后在创造工业造型上要有人文艺术的感觉，简单的说，工业设计师人机交互艺术的创造门类。
产品设计是以生活用品、装饰用品、生产用品等作为主要的设计对象，运用文化、经济、技术、社会等方面的知识，创造出满足用户的物质需求和心理需求的相关产品。产品设计主要是以用户为中心，以市场为导向，目的是在产品发展的整个过程中建立多方面的更高的品质的一门学科。
二、工业设计与产品设计的区别
（一）专业课程上的区别
由于工业设计和产品的学生基础不的同，其专业课程上有一定的不同（表1）。
就课程分析，工业设计与产品设计在基础课程上面基本相同，在基础之后，其差异性开始出现，工业设计更加偏向于结构、机械方面的设计，而产品设计更偏向与外观、造型方面的设计。
（二）就业和深造方向的区别
由于工业设计与产品设计的专业课程上有一定的不同，其就业的方向也会有区别（表2）。
工业设计与产品设计深造方向（表3）。
通过对比可以看出在平面设计和外观造型设计方面两个专业学生适合从事，而工业设计的学生在机械、结构方面更有竞争力，而产品设计的学生在家具、皮具设计、室内设计方面竞争力更加明显。
（三）授位性质的区别
工业设计的学生大学本科毕业后会授予工学学士学位，而产品设计的学生大学本科毕业后会授予文学学士学位。
三、工业设计与产品设计专业共同教学的优点
（一）提高工业设计专业学生的美感和感性思维能力
在我国，前期工业设计教育分为艺术类和理工科类两个方向，现在将工科和艺术方向分别叫做工业设计和产品设计。大多数工业设计的学生美术基础和能力相对较弱，但理性思维能力是相对较强的。工业设计与产品设计共同教学可以使两个方向的学生有了更多交流和合作的机会，通过交流和合作让学生发现的不足，有更好的对比和努力的方向。
（二）提高产品设计专业学生的理性思维和结构能力
a品设计的学生在美术基础方面相对较强，而在结构和理性思维方面相对较弱，在与工业设计的学生接触的过程中提高产品设计学生的理性思维能力，在做外观造型设计时能够考虑到产品的结构，让其设计的产品更符合顾客的需求。
工业设计与产品设计方向共同教学可以使两个不同方向的学生相互弥补其较弱的方面，学生的能力会得到很好地锻炼，学生的能力更加全面，更加能够满足现代市场对于工业设计师的要求。
（三）扩宽学生就业方向
工业设计与产品设计所学的的课程的不同，使两个专业的学生在就业方向也会有所不同，课程目标是帮助工业设计和产品设计专业的学生树立造型设计的构成观念，培养学生创造性的思维能力以及造型和构成的美感把握能力，为今后专业技能在社会中的运用打下良好的基础。工业设计和产品设计共同教学，可以让学生学到更多的更全面的知识。对工业设计的学生而言，更好的培养其美感，提高审美的能力，同时将其相对较薄弱的美术基础得到一定的补充，让工科类的学生在产品的外观和造型方面能力有较大的提升，毕业后工业设计的学生也可以从事家具、皮具、外观设计等方面的工作，同时在深造方面可以选择艺术设计相关的专业。同时对于产品设计的学生来说，一定的结构和机械能力，对于外观的设计也有很大的好处，让其设计在产品上能够更好的得到实现，而不是空有其表。在以后就业时机械结构方面也可以涉猎，当然，其美术基础和能力也是有很大的优势。工业设计有了审美和外观，产品设计有了结构，这才是现代工业设计师应该具有基本素质和能力。共同教学对于扩宽学生毕业后就业的好处是十分的明显的。
四、工业设计与产品设计专业共同教学的缺点
（一）专业区分不明确
工业设计和产品设计不仅要求学生需要拥有较强的理性思维能力，而且必须要具备较强的创新能力与想象力，共同教学对于学生的理性思维能力、创新能力、以及其外观和造型设计能力有中和发展的帮助，让学生能力更加全面。但是在这同时，可能会使学生失去其本来的优势，比如对于工业设计的学生而言，开始考虑外观的美感，可能失去其结构的合理性，对于产品设计学生而言，以前在纯外观的设计方面也许会更加具有创造性和想象力，但当他们在外观的基础上加入结构后，在外观的设计上就会有所顾虑，就导致创新很想象能力的下降。由于这样的原因，工业设计学生和艺术方向的学生在做设计时都会有更多的顾虑，其设计的能力会有所下降。工业设计本应该就是艺术和技术的结合体，但当艺术和技术不能够很好地结合时，就会既失去了艺术的美感，又失去了技术的作用。
（二）学生对未来的发展感到迷茫
工业设计与产品设计的共同教学的确能够让学生学到的东西更加的全面，但是全面的同时也可能让学生对于学到了东西不够精通，很多东西都会只是表面上了解或者勉强会使用，并不非常的熟悉和精通。全面的能力，而又没有突出点和优势的能力，可能会让学生觉得什么都可以做，而又什么都不会做的情况，学生会对未来该从事什么样的工作感到迷茫。
（三）对于教师有更高的要求
在工业设计与产品设计共同教学的情况下，工业设计方面的老师就得拥有更高的素养和个人能力，他们得兼顾工业设计与产品设计的能力，才能够教授两个方向的学生，同时又要让工科和艺术方向的学生在得到全面发展的同时还要有自己的突出点，这对于工业设计专业的老师是非常高的要求的。在现今情况下，还很大的需要改进和进步的空间。在市场经济迅速发展的今天，工业设计与产品设计共同教学是十分必要的，其优点是大于缺点的，只是这样的模式还需要改进和提高，做到让学生全面发展的同时，也能够拥有自己的优势，真正做到理性与感性的结合，能够适应现代市场对工业设计师素质的要求。
参考文献：
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[3]王受之.世界现代设计史 中国青年出版社.2002
虚拟制造的本质是以计算机仿真技术为前提,对设计、制造等生产过程进行统一建模,在产品设计阶段或产品制造之前,就能实时地并行地模拟产品的制造全过程及其对产品设计的影响,预测产品的性能、成本和可制造性,从而有助于更有效、更经济灵活地组织生产制造,以达到产品的开发周期和成本的最优化、生产效率的最高化等目的。
1虚拟产品性能的分析
1.1产品的性能
通常所说的产品性能,实际上是指产品的功能和质量两个方面。功能是构成竞争力的首要要素。用户购买某个产品,首先是购买它的功能,也就是实现其所需要的某种行为的能力。质量是指产品能实现其功能的程度和在使用期内功能的保持性,我们把质量定义为“实现功能的程度和持久性的度量”,使它在设计中便于参数化和赋值。因为用户对产品的要求是从性能出发的,是设计的起点和完成的标志,性能特征应当成为整个设计过程的基本特征,或者称为由性能需求驱动的设计。而制造则是通过工艺特征实现功能特征和质量特征所依附的几何特征和材料特征。产品开发研究如何从性能特征到几何特征、材料特征和工艺特征的映射。对于一个性能上的需求,可以由多个结构、多种材料、不同的工艺来实现。性能分析就是用必要的方法去检验或验证结构、材料和工艺是否实现了求解的性能及其实现的程度。在产品开发各阶段,通过一定的准则和标准对产品进行全方位的、实时的性能分析,并及时将分析评价结果反馈给设计环节,使产品各性能在一定程度上得到协调优化,并根据产品综合性能最优化原则选择一个设计方案予以实施,使开发出来的产品达到用户(设计者)所追求的最佳性能组合。
1.2虚拟制造中产品的性能
虚拟制造是产品从概念设计到投入使用的全过程在计算机上构造的虚拟环境中的“虚拟”实现,是产品开发的实验床。其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化,而且是对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。开发符合用户需求的全性能优化的产品是虚拟制造的根本任务之一。
虚拟制造“生产”的虚拟产品(VirtualProduct,VP),具有真实产品所必须具有的特征。通过对VP实时的仿真,设计人员或用户能够像对待真实产品一样移动、碰撞、使用VP,在生命周期的各个阶段对VP性能进行各种实时分析,如有限元分析、人机工程分析、干涉分析、加工过程分析、装配分析等。通过分析、修改,使产品达到整体性能优化。这能使用户和制造商更快、更全面、更真实地了解想象中的产品。VP将成为最为流行的信息交流方式,完全交互式的VP正在替代销售手册、安装手册、甚至是维护手册,使顾客和设计者在决定购买和制造之前能够首先看到并了解产品的先进性
2虚拟产品全性能模型
当今机械产品功能日益增强,结构日益复杂,产品性能涉及多个领域。这使产品性能分析工作变得日益复杂。因此有必要建立产品全性能模型来描述产品性能及其产品各性能之间的关系,进行性能综合分析评价。在虚拟产品开发中,用面向对象的方法构造具有层次结构的产品全性能树,结合产品树一起对产品性能进行分析。
2.1产品全性能树
产品性能包括技术性能、经济性能、实用性能和社会性能等四个主要方面。
技术性能产品技术性能包括产品可加工性、可装配性、结构与工艺性等。
使用性能产品工作性能、产品质量、人机工程等。
经济性能指产品上市时间,设计制造费用。
社会性能考虑使用产品时对人体健康的影响、对环境的污染、资源的利用,满足绿色制造的要求。
2.2产品结构树
为了满足对产品全方位的分层次、分阶段的性能分析的需要,设计者首先要确定产品的层次结构,按照产品系列、整机、零件、部件和特征等建立产品树。
结构属性层
对机械产品进行性能分析时,其对象可能是零件、部件、组件或整机。每个对象都有其上一级的结构所属层。对于零件而言,其上一级结构所属层即为该零件装配所属的部件。对部件而言,其上一级结构所属层即为该部件装配所属的组件。这种所属关系逐级向上,直到整机。整机的结构所属层,即为该机的使用条件与环境。在进行性能分析时,首先应该清楚分析对象所处的结构层的位置,从而明确与分析对象相关的环境约束因素。
性能属性层
性能属性层主要反映设计对象在整个产品实现过程中的性能。要得到有竞争力的产品,设计对象在性能属性层的因素至少应该包括如下一些方面:设计对象的功能性、制造工艺性、经济性、资源利用率、人机适应性、使用安全性、质量可靠性、环境友好性、易于服务维修及回收利用等。传统设计中,对于人机适应性、环境友好性、服务维修方便性以及可回收利用性往往没有给予足够重视,从而影响了产品的竞争力。产品全性能树就是对产品性能的分类归纳总结,其目的是为了便于性能分析评价工作的进行。
结构属性层与性能属性层的关系
结构是性能的载体,性能是结构的反映。但是同一设计对象在整机结构层的位置并不一定完全对应于该对象在整机性能层的位置。一个具体对象在整机性能层中的位置,取决于它对整机性能的影响程度。而不是它在整机中的结构位置。
整机的某一特定性能可以由全部结构对象反映,也可以由某些结构对象反映。如汽车整机的经济性是由所有组成件的经济性来反映。而汽车的安全性却并非与其所有组成件有关。
结构属性层中,隶属关系是下层属于上层;而性能属性层中,隶属关系则是上层属性取决于下层属性。于较低结构层位置的零件,当其失效后,将引起其所有结构上层。如汽车制动系统中制动摩擦片这一位于较低结构层位置的零件,当其失效后,将引起所有结构上层(如制动系统、底盘)直至整机(整个汽车)在制动性能这一性能属性的失效。
[关键词]产品创新设计；概念；程序
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”百年凌辱史，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，是顺应时代发展，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，转贴于 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。
