产品结构设计理论精选(九篇)

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第1篇：产品结构设计理论范文

【关键词】 结构；动态特性；试验模态分析；有限元

1 结构动态分析的研究对象

机械动态设计是正在发展中的一项新技术，它涉及到现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学等众多学科范围，目前还没有形成完整的动态设计理论、方法和体系，许多问题尚需进行深入广泛的研究。以下结合文献[1～4]的论述，对机械动态设计发展与现状作简要评述。

目前,国外在结构动态分析设计领域的研究十分活跃，特别是美国、西欧等一些发达国家，十分重视关于结构动态分析设计问题的研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。结构动态设计的主要内容包括两个方面：①建立一个切合实际的结构动力学模型；②选择有效的结构动态设计方法[1]。机械结构动态设计的一般大体过程是：对满足工作性能要求的产品初步设计图样，或就需要改进的产品结构实物进行实体建模，并作动态特性分析。然后，根据工程实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态特性目标，再按结构动力学“逆问题”方法直接求解结构设计参数，或按结构动力学“正问题”分析方法，进行结构修改与修改后结构的动态特性预测，其结构的修改与预测往往需要反复多次，直到满足各项设计要求为止，从而得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案。

2 结构振动系统的建模

2.1 有限单元法。结构振动系统的建模问题是结构动态设计的基础，目前建模的一种常用的方法是采用有限元法，这种方法首先将连续的弹性体离散化，然后从能量原理出发建立起整体控制方程，利用数值方法求解，得到结构的参数。该方法的优点是可在结构设计之初，根据设计图纸，预知产品的动态性能，预估振动、噪声的强度和其它动态问题，并可在图纸阶段改变结构形状以消除或抑制这些问题。该方法是一种近似解法，但就其计算精度来看，基本能够满足使用者的要求。对复杂结构，这是一种较为有效的分析方法。随着计算机技术的发展，建立在有限元原理上的结构分析软件已经相当成熟（如：IDEAS、ADINA、NASTRAN、SAP、ANSYS等），它们已卓有成效地应用于航空、航天、船舶、汽车和机床等工程结构的动态分析。

然而，对大型复杂结构而言，由于材料物理参数的不确定性，边界条件的近似处理、接头及连接处的连接参数估计不准确，以及缺乏阻尼参数等原因，要想直接依据图样资料建立一个能准确反映结构动态特性的有限元模型是比较困难的，其计算精度也难以保证。

2.2 试验模态分析法。近10多年来，由于动态测试、信号处理、计算机辅助实验等技术的迅速提高，试验建模技术也得到了很大的发展，因此结构动力学分析的另一种有效的方法是试验模态分析法。该方法是建立在实验基础上的确定系统动态特性的一种更为有效的方法。它是在结构上选择有限个试验点，在一点或多点进行激励，在所有点测量系统的输出响应，通过对测量数据的分析和处理，建立结构系统离散的数学模型。

这种模型能较准确的描述实际系统，分析结果也较可靠，但该法客观上要求有一个实际模型，因而提高了建模成本，同时由于实测信息的不完整，导致模型的不完备，往往只能反映真实系统的低阶模态特性，难以适应大型复杂结构。

2.3 基于试验数据的有限元模型修正法。鉴于上述两种方法的优缺点，现代的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机结合起来，用有限元方法建立先验模型，而用实测的动态数据通过不同方法对其先验模型进行修正，利用修正后的有限元模型计算结构的动态特性和响应，进行结构的优化设计[1,5]。目前，一些较复杂结构系统的实验模态分析和动态特性有限元分析在国内外都已取得了一定的成果[5]。用实验模态分析结果修正机体有限元模型的方法，在机体有限元建模上已得到实际应用，从而为进行机体动力响应计算奠定了基础。

基于实验数据的结构有限元模型修正，近30年来国内外学者提出了大量的修正方法，这些方法从修正的对象来说，大体上可分为矩阵型与设计参数型两大类。矩阵型方法的基本思想是：根据一定的准则和结构动力学关系来修正有限元模型的质量矩阵和刚度矩阵，使修正后的有限元模型计算的模态参数与实验结果一致。这类方法首先由Berman等人于1971年提出，而由Caesar（1986）、Kaba（1985）和张（1988）等设法改进。虽然在数学上该方法可达到由修正后的有限元模型计算的模态参数与实验结果相一致的目的，但其修正后的质量与刚度矩阵已失去了明确的物理意义，因此修正后的模型很难用于结构的动态设计；而设计参数型直接对结构的材料、截面形状和几何尺寸等参数进行修正，该类方法可直接应用于结构动态设计，例如Colluins(1974年)、曾（1991）、陈（1994年，1996年）等人曾用实验模态参数辨识结构的设计参数，Ewins（1990年）、Link（1992年）等人曾用频率响应函数进行过结构设计参数的识别。该方法属于基于“逆问题”直接求解的动态设计方法。关于结构动态设计的“正问题”，即结构修改与修改结构的重分析，是目前较为广泛的一类动态设计方法。例如：有关结构修改的灵敏度分析（Fox1968年提出），修改结构重分析中用到的基于小参数的矩阵摄动法（Rayleigh为先驱）等等都得到了广泛应用。

3 结构动态分析在工程领域的应用

目前对结构进行动态分析时，应用较为广泛的是利用有限元的方法，建立模型后，在对结构静态分析的基础上，进行模态分析、冲击载荷作用下的结构分析等等。这种分析方法已成功地应用于航空、航天、船舶、汽车和机床等工程结构的动态分析。

参考文献

[1] 陈新.机械结构动态设计理论方法及应用.北京:机械出版社,1997

[2] 张连山.关于国内抽油机发展趋向的几个问题.石油机械，2003，24(2)

[3] 萧南平.对游梁式抽油机节能问题的探讨.石油机械，2000，25（3）

[4] 彭勇，史足民，徐建宁.异形抽油机支架静强度及刚度分析[J].石油机械，2002，30（6）

第2篇：产品结构设计理论范文

关键词：自然散热；外壳设计；压铸；铝合金；锌合金

随着三网融合的推进，在广电传媒领域，数字化的新媒体带来了一场深刻的革命[1]。有线电视网络双向化数字化改造是广电业占领新的信息产业版图的重要实施举措。有线带宽的提高、高清视频、IP数据业务、语音业务、数据点播等的开展，对有线电视传输设备提出了更高的要求，热问题在产品的研发过程中越来越突出，特别是传输干路和支路上的野外型和室外型设备的设计研发。这类设备以自然散热为主要散热途径，使用环境复杂多变，所在的网络平台历史较长，各地运营商对设备的要求和标准也参差不齐，产品结构方面可变的设计条件也有限，所有这些限制因素都增加了结构设计的难度，提出了更高的要求。本文以有线电视网络传输数据监控模块（简称DOCSIS 模块）的设计为例，探讨了以自然散热为主的设备的外壳热设计要素和方法。

1.挑战和机遇

DOCSIS模块是配合DOCSIS网络而产生的新模块，是代替现有HMS应答器的产品。该模块普遍应用于CATV传输网络的光站和放大器设备中，这些设备基本都是野外型或是室外型。由于HMS模块已经应用在诸多的光站和放大器平台中，因此，DOCSIS模块的外形尺寸和连接器位置都不能改变。但由于DOCSIS模块功能的极大提升、新的集成芯片的使用，模块的功耗有成倍的增长。在有限的空间范围内，模块热设计遇到了极大的挑战。

近十年，传统的锌、镁、铝合金的加工技术有较快的发展，导热材料的热导率有很大的提升，有限元热设计分析工具更是被广泛应用，这给外壳热设计提供了强有力的技术支持。

2.热设计理论分析

为了达到理想的散热效率，将主要发热芯片与产品外壳通过导热材料相连，从而有效降低从芯片结到外部空气的传热热阻。将产品的导热简化成下图，在此仅讨论稳态场产品的散热：

其中t_j为芯片的结温，t_c为芯片的表面温度，γ是导热材料的厚度，t_TIM是导热材料的温度，δ是外壳设计厚度，t_h是外壳的温度，t_a是模块工作的外部环境温度，h是机壳表面自然对流换热系数。

稳态场指产品达到热平衡时，各部件的温度几乎不变的热场分布。稳态场性能反应了电子产品正常工作情况下的热学性能。

t_a为恒定外界温度，自然散热条件下表面换热系数h为小于10的某一数值。由（2.4）式，芯片的选型，外壳材料的特性、厚度和表面积的设计，导热介质的材料选型、厚度和接触面设计都决定了t_j的值。因此，选用耐温高、内部热阻低的芯片，选用热导率高的金属做外壳，增大外壳有效散热面积，选用热导率高、厚度薄的导热材料做介质，设计合理的接触面，能有效避免产品过热问题。

辐射换热效率与自然散热产品效率相当[6]，可以增加表面处理（如喷漆、氧化）来强化辐射效果，增强自然散热能力。

3.DOCSIS模块结构设计比较

模块的外形尺寸限制为 长×宽×高=78mm ×38mm ×12mm，FPGA芯片大小为长×宽=23mm ×23mm 。

下表为模块结构设计选项：

设计选项1和设计选项2比较了不同合金材料的选择对产品热性能的影响；设计选项2和设计选项3比较了发热芯片接触面积和导热介质对产品热性能的影响；设计选项3和设计选项4比较散热面积和表面辐射效果对产品热性能的影响。

下图为设计选项1和设计选项4的设计效果图：

4.仿真结果比较

使用Flotherm软件进行仿真比较。设置外部环境温度为85°C，模块总功耗为1.7w，FPGA芯片功耗为0.8w。按下表设置铝合金和锌合金材料的基本参数。

下表是各条件的仿真结果。

其中，t_j和t_h与章节2中对应的芯片结温和壳体外表温度意义一致。

比较设计选项1和设计选项2的结果，选用铝合金比选用锌合金，FPGA结温下降0.23°C，壳体温度下降0.25°C。结果显示，Zmark3和A413散热能力相当。因为锌合金比铝合金具有更好的铸造性能，能铸造出更薄的壳体，在PCB布板空间紧张、对模块重量不敏感的情况下，选用锌合金比铝合金更有优势。

比较设计选项2和设计选项3的结果，增大导热介质和FPGA芯片的接触面接、选用导热率更高、更薄的导热材料，使得FPGA结温下降了0.69°C，壳体温度下降了2.57°C。结果表明，导热介质的优化可以带来一定程度的温度降低。但是热导率为5w/m.k的导热介质成本是2.5w/m.k的一倍以上，且越薄的导热介质对产品的加工精度要求更高。因此，在成本和公差允许的情况下，选用更大、更薄、导热率更高的材料能有效降低芯片结温。

比较设计选项3和设计选项4的结果，增大表面积和辐射率，使得FPGA结温下降了3.08°C，壳体温度下降了2.01°C。结果表明，增大表面积和表面辐射率是自然散热条件下最为有效的降低温度的方法。而表面涂镀是增加表面辐射率的有效途径，它既增加了产品美观性，又增强了表面耐腐蚀性，缺点是增加了成本。因此，在产品尺寸大小不敏感，成本压力小，表面要求高的情况下，加强表面处理是解决散热问题的有效途径。

综上所述，导热率相当的铝合金和锌合金合金材料对模块温度的影响不大；增大芯片与导热介质的接触面积，增大导热材料的热导率、降低其厚度可以有效降低温度；增加表面散热面积，加强表面处理是最有效的提高散热效率的方法。

5.结论

自然散热的电子产品外壳设计中，选用耐温高、内部热阻低的芯片，选用热导率高的金属做外壳，增大外壳有效散热面积，增强表面辐射强度，选用热导率高、厚度薄的导热材料做介质，设计合理的接触面，能有效避免产品过热问题。

参考文献：

[1]韦乐平.《三网融合的思考》[J].《电信科学》，2010年03期：1-6.

[2]章亦农，杨俊.《基于三网融合的HFC网络现状与前景分析》[A].《2007国际有线电视技术研讨会论文集》，中国浙江杭州：中国广播电视协会，浙江省广播电视局，2007年.

[3]张凤莉.《基于DOCSIS3.0的HFC双向网络设计》[D].南京：南京理工大学，2012年.

[4]包雪松.《铝合金压铸散热模块结构设计研究》[D].上海：上海交通大学，2011年

第3篇：产品结构设计理论范文

关键词：再制造 产品的再制造性 绿色模块化设计

中图分类号：F27 文献标志码：A文章编号：1673－291X（2011）26－0270－03

一、面向再制造的产品设计

20世纪80年代以来，一种更加顺应可持续发展要求的废旧产品处理方式――绿色再制造（Green Remanufacturing）引起了全社会的广泛重视。绿色再制造是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品性能提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造产品的优势十分明显，其性能可达到或超过原型机新品，而成本仅为新品的50%左右，节能60%，节材70%以上，经济效益和社会效益突出。

各大率先进行废旧产品回收和再制造加工的企业在实践中认识到，如果早在新产品的设计阶段就考虑产品使用寿命到期后的回收和再制造阶段的相关要求，融入新产品的可再制造性的设计理念，就可以显著地提高再制造的效益，更好地实现资源的可持续发展战略。

面向再制造的产品设计（Design for Remanufacturing），是指按照再制造的目的设计产品，在产品设计阶段对产品的再制造性进行充分考虑，并提出再制造性指标和要求，使得产品到达寿命末端时具有良好的再制造能力。

（一）LCA在面向再制造的产品设计中的使用

LCA，Life Cycle Assessment，简称生命周期评价。国际标准组织（ISO）给出的LCA是：汇总和评价一个产品或服务体系在整个寿命周期所有投入与产出对环境造成的和潜在的影响的方法。可见，生命周期评价主要用于评估产品在它的生产、使用到回收整个过程中，对环境造成的影响。包括所耗费的原材料、能源以及所产生的排放。

面向再制造的产品设计应该在新产品设计阶段就考虑产品服役周期结束后需要进行拆解和回收利用，运用LCA的方法对产品从原材料的选择、设计加工、销售运输、回收清洁、拆解检测、再制造加工、再制造成品组装等各个环节充分考虑对资源的消耗和对环境的影响，尽量提高产品的再制造性。

面向再制造的产品设计完成了由传统的“被动解决问题”向“主动预防问题产生”的方向的转变，是产品设计思想的一次创新和变革，大大节约了资源和能源，并将带来巨大的经济和社会效益。

（二）设计重点是提高产品的再制造性

面向再制造的产品设计的重点是提高产品的再制造性。再制造性（Remanufacturability）也称为可再制造性，是产品本身的一种属性，是决定废旧产品进行再制造的前提，是面向再制造的产品设计中的重要内容。其定义可描述为：再制造性是产品设计过程赋予产品的一种固有属性，是指由于各种原因产品退役后，综合考虑各种因素，该产品经过再制造加工后达到规定性能时，获取原产品价值的能力。

再制造性评价具有明显的阶段性，主要包括新产品设计开发阶段和废旧产品再制造前的决策阶段。其中，新产品设计开发阶段十分关键，产品在新产品设计阶段就已经将材料性能、各零部件的连接方式、产品结构等因素确定了下来。废旧产品的再制造性的影响因素，既包括该产品在新品设计阶段就确定下来的那些因素，又包括产品服役期满后的产品状况、当时的再制造技术的发展状况、环境和经济状况等因素。所以，产品的再制造性具有动态性、个体性、地域性和时间性等特点，即使同一产品在不同情况下的再制造性也是不同的。可见，在新产品设计阶段就考虑其后期回收和再制造的需要，尽量提高产品的再制造性是十分必要的。

二、实施绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径

面向再制造的产品设计需要同时解决这样一些难题：使产品在设计之初就全面考虑该产品在其多生命周期内的环境属性及零部件的重复使用性，无论是所选用材料还是产品的结构，连接方法设计都能方便其日后的维修、升级，以及产品废弃后的拆解、回收和处理，同时保证与环境得有更好的协调性。显然，原有的传统设计方法不能满足这些要求。面向再制造的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出来的，绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径。

（一）面向再制造的绿色模块化设计的含义

绿色设计（Green Design）是指在产品整个生命周期内优先考虑产品环境属性，如可拆卸性、可回收性、可维护性和可充分利用性等，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命和质量等。在产品的设计阶段就考虑其回收、拆解等需要，才能最终实现产品的回收和再制造效率。

模块是产品的子结构，它与产品的功能元素子集有一一对应的关系。产品的模块化设计，就是在产品设计时，根据原材料属性、产品的结构，以及日后的使用功能、升级、维修，废弃后的回收、拆卸等因素，将产品划分为不同的模块单位，把离散的零件聚合成模块。产品的模块化设计，既可以在产品生产时大批量生产模块化的半成品，降低生产成本，获得规模效应；又可以根据顾客的个性化需要，将不同功能的模块进行组合，提高了产品对市场差异化需求的响应能力。

绿色设计和模块化设计密切相关。绿色设计要求产品易维修与升级，不易轻易淘汰；绿色设计要求产品具有可拆解性和易回收性，经简单再制造加工后就能恢复或超过原品性能并能被再次利用。这些正需要模块化设计思想来实现。模块化设计方便失效模块的简易替换和产品的快速升级，延长产品的使用寿命，减少产品的丢弃和环境的破坏，与绿色设计的某些理念不谋而合。通过绿色模块的构建，产品比传统产品具有更好的多方面效益，产品的功能属性和环境属性能同时满足，效果十分显著。

面向再制造的绿色模块化设计方法是将绿色设计和模块化设计进行有机结合后，运用于产品的再制造性设计阶段中，使产品同时满足易于拆解和装配、易于修复和升级、环境友好性等再制造性的指标和要求。在模块化的设计时，考虑产品的再制造性，让产品在寿命末端回收之后，能容易地拆卸为不同的模块，且尽可能减小各模块内的可再制造性的差异，则可提高产废旧产品回收利用率。这种设计方法是一种顺应时展的崭新的设计方法，有助于实现制造业的可持续发展。

（二）面向再制造的绿色模块化设计的优点

1．能有效提高产品的易拆解和装配性

再制造加工过程包括前期对回收产品的拆解环节，和后期将再制造后的零部件装配为再制造成品的环节。所以，面向再制造的产品设计一定要考虑零部件的易拆解和装配性，这既影响再制造过程的效率，又影响再制造产品的质量。

再制造的拆解不同于再循环，需要确保拆解过程中尽可能少地损坏零部件。因此，产品结构设计，连接件的数量和类型，以及拆解深度的选择成为面向再制造的产品设计的重点内容。不同的产品结构将导致不同的拆解方法和拆解难度。常见的拆解方法有两种：有损拆解和无损拆解。常见的有损拆解是机械裂解或粉碎。机械产品中常见的连接方式有四种：可拆解连接、活动连接、半永久性连接和永久性连接。前三种连接一般都可以拆解，第四种则只能采用有损拆解的方法。

产品结构设计时应改变传统的连接方式，零部件之间尽量不采用焊接或粘接的连接方式，代之以易于拆解的连接方式。扣压和螺钉的方式便于拆解，前者较后者又更容易拆解、更省时。连接件方面，卡式接头和插入式接头更容易拆解和装配，已经有越来越多的企业在产品设计时就采取了这些类型的连接方式。尤其是一些易损零件，由于更换次数较多，在设计其安装结构时就考虑其易拆性，较多采用插入式结构设计、标准化插口设计等。如计算机主板上的插槽与上面插装线路板的连接方式。

采用绿色模块化设计既能明显简化产品结构，又能大量减少连接件的数量和类型，大大提高产品的易拆解和装配性，并减少产品的破损率，提高产品的拆卸和装配效率。

2．有助于提升产品的易分类性

同一部机器上往往有钢、铁、铝、铜、塑料、木材等不同的材料，它们的表面常常有油漆覆盖，不易区分，应加强标识，便于拆卸和分类存放。同一材质、不同形状和尺寸的零部件，由于加工方式或使用机床的不同，也要进行标识和分类，提高总的再制造效率。

采用绿色模块化设计有助于大量减少零部件的数量和种类，使拆解后的零部件更易于分类和识别，将使再制造生产加工时间大为缩短。

3．能显著提升产品的易修复性和升级性

再制造工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。前者主要针对报废的产品，把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯，采用表面工程等先进技术使其性能恢复，甚至超过新品。后者对过时的产品通过技术改造改善产品的技术性能，使原产品能跟上时代的要求。所以，对原制造品进行修复和技术升级是再制造过程中的一个重要部分。

实施绿色模块化设计，可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的产品结构并预留模块接口，以备升级之需，在必要时即可通过模块替换或增加模块实现产品修复或升级，减少拆解中的破损，增强再制造加工和产品升级改造的效率。

三、面向再制造的绿色模块化设计的具体实现步骤

在进行产品的再制造性设计时要兼顾产品材料的合理性、易运输装卸性、易拆解和装配性、易于分类性、易清洗性、易修复和升级性。面向再制造的绿色模块化设计方法将绿色设计和模块化设计进行了有机结合，其具体实现步骤归纳如下：

1．进行用户需求分析

面向再制造的绿色模块化设计活动首先从分析用户对产品的需求开始。在调查、了解用户对产品的功能、使用寿命、价格、需求量、升级性能等具体要求后，考虑该产品采用绿色模块化设计的可行性。如果经过分析，在满足环境属性的前提下用户对该产品的要求均可满足，则该产品的绿色模块化设计的可行性获得通过，面向再制造的绿色模块化设计活动可以进入下一环节。

2．选取合理的产品参数定义范围

面向再制造的绿色模块化设计活动的第二步，是选取合理的产品参数定义范围。通常，产品参数分为三类，即动力参数、运动参数和尺寸参数。合理地选取产品的参数定义范围十分重要。如果参数定义范围过高，将造成能源和资源等的浪费，有悖于绿色模块化设计的思想；如果参数定义范围过低，又满足不了客户的要求。通常的做法是先定义主参数，然后在参数满足用户需求的基础上实现尽可能高的绿色化和模块化。

3．确定合理的产品系列型谱

面向再制造的绿色模块化设计活动的第三步，是系列型谱的制定，即合理确定绿色模块化设计的产品种类和规格型号。型谱过大过小都不好。如果型谱过大，则产品规格众多，市场适应能力强，环境属性好，模块通用程度高，但工作量也相应增大，人力资源能耗大，成本上升，总体来说效果并不好；反之，则又会走向另一个极端，效果也不好。因此，产品系列型谱的制定至关重要。

4．产品的模块划分与选择

面向再制造的绿色模块化设计活动的第四步，是产品模块的划分与选择，这是模块化方法最重要的内容。通常根据产品的功能，将其分为基本功能、次要功能、特殊功能和适应功能等，然后划分相应的模块。模块的划分使得产品的设计过程思路清晰，并有利于产品报废退役后的零部件回收、重新利用或升级换代。

5．绿色模块的组合

面向再制造的绿色模块化设计活动的第五步，是模块的组合。划分完模块后，将这些模块按照直接组合、集装式组合或改装后组合等方法组合成系统。组合时要考虑今后的易拆解性、不易损坏性及产品的节能省时等环境友好性特征。

6．对设计好的产品进行分析校验

面向再制造的绿色模块化设计活动的第六步，是用机械零件设计软件包、优化设计软件包、有限元软件包等现代设计工具对设计好的产品进行分析、计算和校验。如果分析校验不合要求，就要回到模块选择上进行修改、完善，重新整合模块，直至产品符合要求。

7．产品设计的绿色度与模块度指标评价

面向再制造的绿色模块化设计活动的最后步骤，是采用层次分析法（AHP）及模糊综合评价法等数学工具对产品再制造设计的绿色度和模块度指标进行计算及评价，再根据计算结果对产品的有关参数加以调整或进行重新设计。

收稿日期：2011-07-22

作者简介：吴小艳（1972-），女，湖北云梦人，副教授，硕士，从事企业管理与市场营销研究。

参考文献：

[1] 朱胜， 姚巨坤. 再制造设计理论及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2] 苏和平，等. 绿色产品及绿色设计[J].哲里木畜牧学院学报， 2000，（2）：75.

[3] Ijomah W L， et al. Development of design for remanufacturing guidelines to support sustainable manufacturing[J]. Robotics & Computer Integrated Manufacturing， 2007，23（6）：712－719.

Research on the remanufacturing products green modularization design

WU Xiao-yan

(Management college,Wuhan science and technology university,Wuhan 430070,China)

第4篇：产品结构设计理论范文

引言

经过多年的快速发展，我国的高等教育已经由精英教育进入大众化教育的时代。随着本科招生力度的逐年加大，本科生的整体数量在逐年增加，但整体质量呈现下滑趋势，传统的人才培养模式已经不再适合大众化的高等教育，这就对高等教育学校提出了新的要求，特别是一些民办院校，由于其办学历史短，招生质量参差不齐，师资力量以中青年教师为主，如何寻找一套合适的培养模式显得更为重要。

应用型本科重在“应用”二字，要求以体现时代精神和社会发展要求的人才观、质量观和教育观为先导，以在新的高等教育形势下构建满足和适应经济与社会发展需要的新的学科方向、专业结构、课程体系，更新教学内容、教学环节、教学方法和教学手段，全面提高教学水平，培养具有较强社会适应能力和竞争能力的高素质应用型人才。应用型本科教育对于满足中国经济社会发展，对高层次应用型人才需要以及推进中国高等教育大众化进程起到了积极的促进作用，同时也为民办院校提供了一个新的发展方向。

工业设计专业人才培养模式存在的问题

工业设计作为一门新兴的学科，是一个非常强调应用性的专业，学生毕业以后能不能根据客户的需求设计出相应的好的产品是衡量学校教学效果的一个重要指标。工业设计专业在我国的发展时间较短，还没有形成一套完整的、适合工业设计专业自身特点的培养模式，目前大多数院校工业设计专业的人才培养模式基本还是延续传统专业的培养模式，即先学习基础理论知识，然后逐步深入学习基础专业知识，最后学习专业知识。教学模式基本上是先学习理论知识，再布置课堂作业，最后以课程考试或者课程设计的方式来检验教学成果，在课堂内容当中虽然有一定的实验项目，但大都以单纯的验证性实验为主，用以验证理论知识，并没有很好的与实际设计项目和设计课题相集合，对于学生的实际设计能力的提高作用不是特别明显，这种人才培养模式会产生一系列的问题：

1.课堂教学目的性不明确

理论知识的学部分是比较枯燥、乏味的，在学习理论知识的时候无法引起学生的学习兴趣，特别是对于民办学校来讲，生源质量参差不齐，录取标准相对公办院校偏低，学生整体的学习积极性偏低，再按传统的授课模式来讲课，势必造型学生上课注意力不集中，不认真听课，睡觉、玩手机等现象的产生，最终影响课程的最终教学效果。在前期的学习过程中如果不去思考理论知识的具体运用环境，机械的接受知识，不去分析、消化，在整个课程体系学习结束之后要做课程作业的时候，很有可能就发现不知道如何将所学到的知识用到设计当中。产生这些现象的原因之一就是学习的目的性不强，学生在接受专业理论知识的时候没有明确的目标，不知道学习这些理论知识对于设计活动有什么作用，如何利用所学的理论知识来丰富设计，产生理论与实践脱节的现象，与“应用型”本科的培养初衷相

背离。

2.课程之间的交叉不足

人才培养体系是一个完整的整体，每一门课程关注和解决某一个或某几个方面的问题，人才培养的主要目标是通过各门课程的学习来提高学生的整体设计能力。工业设计专业所涉及的知识面比较广泛，其课程内容包括美学、社会学、心理学、消费行为学、工程学、工艺学、材料学等学科内容，横跨艺术与科学，课程之间的跨度较大，工业设计专业由于发展的时间较短，一部分教师并不是工业设计专业科班出身，对工业设计设计专业整体了解不足，在讲授一些基础专业课的时候不能很好的把握课程之间的交叉关系，容易将各门课程分割肢解设计的主体，学生需要学完大部分的课程并且要花费相当的精力弥补各门课程之间的裂痕，才能从总体上把握设计的综合性。

工业设计专业人才培养模式优化改革

目前国内工业设计主要服务的领域集中在消费分析和产品市场定位;产品工业设计;产品结构、工艺设计等三个主要的方面，这体现出了目前我国的经济对设计的需求水平，也是我们目前人才培养方案建立和优化的依据之一。

应用型本科强调学生的应用能力，我们提出工业设计专业的课程体系的制定应以提高学生的实际设计能力为最根本前提，目前大多数高校的课程体系的设置都是先分门别类地学习和研究各门课程，每门课程完成特定的学习任务和目标，然后再通过课程设计等实践将之综合，这样的设置方式缺少对学生的综合设计能力的锻炼，即使有一定比例的课程实验和课程设计，学生真正做的完整的设计也不多，不利于学生综合设计能力的提升，在应用型本科的背景下，必须对这种传统的人才培养方案进行改革和优化。

工业设计专业的全部课程主要包括基础形态研究类课程、设计理论类课程、设计表现类课程、人文及商业类课程、设计边缘类课程、与产品生产相关的工程类课程和实习实践类课程等七个主要部分，概括起来可以分为“怎么做设计”和“怎么做好设计”两大类。针对应用型本科的培养理念，我们对工业设计专业的人才培养模式提出以下改革措施：

第5篇：产品结构设计理论范文

[关键词]注塑模具；模块化设计；CAD/CAM

中图分类号：TQ320.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0083-01

1、开发和构建注塑模具产品模块化设计平台的重要作用

在当前的模具行业已经属于技术和资金密集型行业，其在工艺装备制造中形成了一个重要的分支。随着塑料材料性能的提高以及塑料用品类型的增加，注塑成型工艺得到了快速的发展。但是，由于注塑成型工艺相对复杂，在模具设计过程中需要考虑诸多的问题，不论是在模具的整体结构布置还是在零件设计构造过程中，都没有一成不变的设计方法，需要根据具体的产品要求进行具体设计。而不同的设计人员根据对应的设计因素会形成对应的结构设计方案，存在着较大的灵活性。同时，注塑模具多采用订单式生产方式，具有品种类型多、批量小、工期短等特点，所以在注塑模具设计过程中急需一种自动化程度高的集成设计开发技术平台。而当前国内外广泛采用的是智能化、集成化程度较高的设计技术和方法来提高模具设计的效率和质量。面向注塑产品的设计方法能够最大程度的实现设计资源共享，从而实现对相关产品设计的统一集成管理，最终构建一个成熟而通用程度高的模具产品设计平台，能够快速响应市场对产品的需要，从而提高模具涉及企业的竞争能力。

2、模块化产品平台的基本组成

通常，一个具体的模块化产品平台是针对具有共性特点的产品族而开发设计的，通过将既有的模块化设计理论作为根据，构建一个具有较好通用性能的的大型设计平台，其基本原理如图1所示。

一个完整的模块化产品设计平台包括零件、部件以及接口等部分，其具有较好的通用性，其对应的模块能够进行组合和更换。同时，各个模块之间又具有对应的独立性，其有多个零件构成一个相对独立的部件，通过标准接口与其他的部件相互连接，具备对应的互换性。因此，可以将模块化产品平台定义为：以提高设计效率为目的，将模块作为基本单元，面向具体的具有通用性的产品族，基于模块化设计的基本理念，并使用多种设计知识与经验，在CAD系统支持下构件完成的一个综合性设计系统。

3、模块化产品平台的构建的基本方法

采取模块化思想进行产品平台的设计过程中，模块化产品平台的构建方法是基本内容。一个科学合理的产品平台构建方法不但影响到与之相连接的专门模块的具体功能划分和设计，还与整个产品族是否能够满足市场的需要以及后续的更新和改进潜能直接相关。通常，采取由顶向下和由底向上两种方法构建产品平台的设计系统。本文在此基础上，基于由底向上方法提出一种基于功能分析的模块化产品设计平台构建方法，将产品的功能按照对应的单元进行布置和具体排列，然后从分析得到的功能映射到具体的零部件，然后在零部件之间进行连接、耦合。在整个过程中需要解决的关键问题在于产品族中选择合理的结构作为产品模块基础，那些特征可以提取出作为个性模块。通过这种设计方法能够对产品族的基本结构进行优化，提取出可以作为产品平台的通用性模块，从而满足市场中不同类型的个性化产品需要。

在具体的设计过程中，就是在产品结构以及功能分析的基础上，形成完整的产品功能图，采取模块划分的方式得到具有模块属性的矩阵，并在此基础上构建产品平台。整个产品平台分为通用部分和可调节个性部分。对于注塑模具设计人员而言，可以根据订单的实际需求对其中的可调节个性部分进行对应的修改，通过添加对应的产品个性特点快速得到不同类型的注塑模具产品。

4、基于Pro/e的注塑模具产品模块化设计平台构建与开发

4.1 注塑模具产品模块化设计平台构建与开发系统架构

当前，针对注塑模具设计的CAD系统多维通用机械设计与制造软件，包括常见的Pro/e、CATIA、UG等软件。其都没有针对注塑模具的设计和开发进行具体设计，所以直接使用这些既有的软件进行开发和设计将导致涉及效率较低、人机界面不友好等问题。因此，需要对这些软件进行二次开发，根据注塑模具设计的实际需要开发对应的扩展功能，形成一个专门的注塑模具设计系统，使得注塑模具设计的标准化程度以及设计效率得到显著提高。

4.2 设计与开发系统的总体架构分析与设计

注塑模具通常包括成型零部件、浇注系统、合模导向机构、推出机构分型抽芯机构、温度调节系统、排气结构、支承零部件等几个主要结构。从这个角度来看，注塑模具的设计工作涉及的零部件类型较多，而且重复性较强，因此需要将模具设计人员从大量的重复劳动中解脱出来。因此，设计的模块化设计平台应该能够实现模具结构数据的查询、计算、修改、图像显示以及图形绘制等功能。为了实现上述基本功能，必须建立对应的注塑模具三维零件库，设计人员只需要在界面输入对应的设计参数之后，通过主程序运行就能够得到具体的设计参数，然后使用Pro/TOOLKIT程序直接驱动Pro/e生成得到新的零件模型。

基于上述分析，一个完整的注塑模具CAD系统应该包括这样三个主要的构成部分：参数化零件模型库、用户管理界面以及系统主程序。其中，参数化零部件模型库使用Pro/e的特征建模与族表功能予以实现；系统主程序基于VC++的Pro/TOOLKIT进行编程得到；用户设计与管理界面则分别使用Pro/TOOLKIT以及MFC类进行具体构造。

4.3 标准零件库的开发

标准零件库的开发是注塑模具产品模块化设计的主要内容，因此本文单独进行论述。其主要功能在于设计定位元件、复位元件、导套等重复性较强的零部件，在设计过程中只需要选择对应的零部件插入即可，其基本原理如图2所示。

为了实现注塑模具中标准化产品库的生成，采用族表方法进行零件模型标准库的建模。其中，族表使用Pro/e软件进行标准化和系列化的设计，基于相类似的结构和特征尺寸开发和构建一个通用的模型，然后将不同系列的尺寸以数据形式存储于数据表中，而在数据表中只需要针对对应的零件重新驱动、更新即可，不需要重新建模。最终实现了注塑模具的模块化设计，提高模具的设计效率。

参考文献

第6篇：产品结构设计理论范文

关键词：城市客车；轻量化；有限元分析；优化设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.10.198

汽车排放已成为我国大城市空气污染的主要来源。汽车直接排放的颗粒物，以及排放的氮氧化物和碳氢化合物反应形成的二次颗粒物，均是环境空气中PM2.5的组成部分。随着汽车保有量的上升，机动车各类污染物排放分担率每年上升1至2个百分点。

国际各大汽车生产商都投入大量的科研经费来寻求车身轻量化设计的有效措施，车身轻量化已成为汽车发展行业中的一项关键性研究课题。然而，我国很多中小型客车企业常常采用传统的方法进行客车车身骨架的设计，比如采用经验或者类比的方法，，可是这些方法缺乏建立在力学特性如强度、刚度等分析基础上的依据，使材料得不到充分利用。

1 轻量化

1.1 轻量化与环保

随着汽车保有量的迅速增加，汽车在带给人们方便和快捷的同时，也带来了许多负面的影响，如交通事故、噪声和有害气体排放等。其中汽车尾气是一种流动分散污染源，在建筑物比较密集的居民集居地和繁华地带，不能得到及时的稀释和扩散，另外，由于汽车尾气的排放高度在地面附近，正处在人的呼吸区域，因此人类生活空间及呼吸层会受到严重污染。为了减少汽车排放对环境的污染。

无论是从国家政策还是从企业对环境与社会的责任方面考虑，汽车工业要想发展就必须想办法解决汽车尾气问题。降低排放有多种途径，但是最根本的方法是釜底抽薪，即减少石油的石油，汽车轻量化可以达到降低油耗的目的，可以有效地减少排放量。并且，汽车质量轻了，便减少了对道路的冲击载荷，缓解对道路的破坏。

1.2 轻量化与整车性能

近年来随着人民生活水平的提高，汽车越来越高档次，为提高舒适性，许多客车已经安装了空调、车载电视等，使客车质量增大，导致客车的碰撞惯性增加、重心高度提高和油耗增加等。客车轻量化与整车性能改善的关系主要体现在以下两点：第一，轻量化可以提高客车的比功率，在客车发动机输出功率不变的情况下，降低客车的整车质量，必将增加单位质量的输出功率，从而使客车的后备功率和加速能力得到提高；第二，轻量化可以改善汽车的操纵稳定性，客车的质心高度降低，行驶更加舒适，汽车的抗侧倾能力也将得到提高[1]。

2 有限元分析

2.1 有限元概述

有限元法又称为有限单元法，是结构工程师和应用数学研究人员共同智慧的结晶。有限元法是将物体即连续的求解域离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成离散的有限自由度问题。

20世纪40年代有限元法起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析，其基本思想和原理是“简单”又“朴素的”。发展初期，许多学术权威都不承认这种方法的学术价值，国际著名刊物Journal of Applied Mechanics 许多年来都拒绝刊登关于有限元的任何文章，认为其没有新的科学实质，然而经历了几十年的发展，有限元法研究范围已经由杆件问题扩展到弹性力学乃至塑性力学问题，由平面问题扩展到空间问题，由静力学扩展到动力学，由固体力学扩展到流体力学、热力学和电磁学。目前，CAE技术作为有限元法的代表，已被广泛运用到现代汽车设计的过程中。

2.2 有限元方法的一般过程

有限元分析是模拟物理现象，近似真是情况的数值，将分析对象划分网格并且求解通过求解有限个数值来近似模拟真实环境地未知量。其分析过程包含了建立模型、加载求解、查看分析结果三个主要过程。

（1）建立模型：根据实际情况建立有限元分析的计算模型。其中心任务是离散即划分网格，其它相关工作包括创建或读入几何模型、材料属性定义、单元质量检查、单元特性定义、编号顺序优化以及模型边界条件模拟等。

（2）加载计算：完成与有限元方法有关的数值计算。包括选择分析类型并设置分析选项、施加载荷、设定约束条件、执行求解。计算分析往往需要计算机具备足够的内存，并且需要耗费大量时间。

（3）查看分析结果：有限元计算得出的结果必须经过合理的处理，结果打印或显示出来，分析计算结果，评估结构性能及结构设计的合理性，为结构的改进和优化提供数据支持。

整个分析过程的关键是有限元模型的建立，所有实际结构的原始数据都通过有限元模型表现出来，模型的质量直接影响计算结果的精度；有限元模型既能保证计算结果的精度，又不会对计算量和计算机存贮容量有太高的要求。

3 轻量化研究的基本方法

目前汽车轻量化一般有三种途径，第一是利用轻质材料进行材料轻量化；第二是利用革新制造工艺实现轻量化；第三是从结构入手，进行合理的结构优化设计进行轻量化。

3.1 材料轻量化

世界汽车用材研究表明，轻质材料是汽车轻量化的重要部分。汽车材料选择的好，一定程度下可以提升汽车设计、品质及竞争力，直接影响了汽车技术的发展。目前有两大类轻量化材料在汽车上应用较多，一类是高强度材料；另一类是低密度的轻质材料，如铝合金、镁合金、塑料和复合材料等。

虽然汽车新材料可以在很多方面起到降低汽车自重的作用，但是由于部分新材料价格较贵，且各种应用于车身的轻质材料都存在着不同于目前普通低碳钢的成型工艺问题，所以在汽车上的应用还不是很广泛，目前主要集中在轿车上，而在大客车领域则较少应用。

3.2 新制造工艺

在利用结构优化设计和轻型材料进行汽车轻量化的同时，常需要革新制造工艺，从而进一步减少质量，降低成本。革新制造工艺进行轻量化的研究主要集中在以下三个方面：

（1）轻型结构件的创新制造工艺：主要有管件液压胀形新工艺和塑料中空成型工艺。德国大众汽车公司成功开发出铝合金液压胀形的B5缸BMW汽车的后桥，减重效果明显。美国福特公司在Mondco轿车上采用液压成形技术制造的发动机支架，与传统的加工技术相比，零件个数减少了5个，制造工序减少了29道，构件质量减少了6kg，成本减少了10英镑[2]。在采用塑料中空成型工艺这上面最成功的例子就是用聚乙烯塑料中空成型轿车的燃油箱，在我国已经成功地用在捷达轿车上。另外，用轻金属基复合材料制造壳体类零件和功能零件的压铸与冷锻工艺业已取得了突破，达到了产业化程度。

（2）轻型结构件新的优化连接工艺：将内高压成型的管件，按优化的尺寸加工好端面并清洗后，采用激光焊接将构件连接成轻型结构件，有的还可采用超塑性扩散连接新工艺[3]。

（3）产品开发中的集成创新工艺：对于汽车的某个总成件如车身或驱动桥都应贯彻采用轻型结构的原则。此时的最佳产品设计是将选择材料、确定核心工艺等综合起来考虑。即在产品结构设计阶段，事先就把新选定的材料与减少质量的工艺集成到设计中去，这样不仅可以缩短制造过程工艺链，还能显著减小质量并降低生产成本。这种方法最成功的典范就是整体无缝式汽车驱动桥壳与轿车副车架的设计。

3.3 结构优化设计

汽车结构优化通过一些现代化的优化软件，比如Ansys，对汽车的整体结构进行优化，既满足了强度、刚度等各项性能要求，又去除了冗余材料，使车身部件中空化、薄壁化、小型化和精简化，从而在根本上减轻整车质量。目前，可用于客车车身结构轻量化的研究方法主要有拓扑优化、形状优化和尺寸优化，需要依据具体的设计要求、设计目的和设计约束限制加以选择。

拓扑优化的原理是依赖于有限元方法，找到结构刚度在设计空间最佳的分布形式，或者在设计域空间找到结构最好的传力路线，从而优化结构的某些性能或者减轻重量。

形状优化主要关注结构的具体形状，包括整体形状和零部件形状，设计变量一般选择控制结构形状的边界节点的几何信息或者可以描述结构边界的基函数，工程中常选用B- Spline，NURBS曲线或者曲面中可以自由变化的参数。连续体结构形状优化，使用适当的曲线、曲面方程或是一组基函数加上自由参数来描述结构边界形状，其设计变量为这些自由参数，运用数值法和解析法进行计算，或者先用解析法将所要优化的问题公式化，再用数值法进行搜索寻优。

尺寸优化是在不改变现有结构布局和拓扑关系的情况下进行的优化。将单元属性如梁单元的横截面积、壳单元的厚度、质量单元的质量和弹簧单元的刚度等作为设计变量；质量或体积最小作为目标函数。尺寸优化不仅可以确定拓扑优化后的结构构件的尺寸，最重要的是可以对现有的结构进行轻量化设计，在满足技术要求的前提下，选择最优的尺寸参数降低结构重量；在利用有限元方法时，不需要改变结构的有限元模型就可以进行优化计算，故已广泛使用于汽车的轻量化研究项目中。

总之，汽车车身轻量化是一项有利于设计理论、工程设计、工程制造、实践验证的重要手段，必将有一段努力的探索过程。经过努力，汽车必然是清洁、强大、轻量的代步工具，必然引导新一代的潮流。

参考文献：

[1]张屹林，王洪民，王海涛等.汽车轻量化与铝合金[J].内燃机配件，2004（05）：37-40.

第7篇：产品结构设计理论范文

作者简介：吴智慧（1963－ ），男，汉，江苏扬中人，日本岛根大学工学博士，南京林业大学家具与工业设计学院院长，教授，博士生导师，南京林业大学家具与室内设计研究中心主任，南京林业大学林业工程博士后科研流动站（木材科学与技术）合作导师，中国室内设计师学会会刊《室内设计与装修》id+c杂志社总编辑，日本东京大学客员教授，教育部高等学校林业工程类专业指导委员会委员，教育部高等学校木材科学与设计艺术学科教材指导委员会副主任委员，中国家具协会常务理事，全国工商联家具装饰业商会常务理事。研究方向：家具设计与工程。)

（南京林业大学 家具与工业设计学院，江苏 南京 210037）

摘 要：家具是一种丰富的信息载体与文化形态，其类型、数量、功能、形式、风格和制作水平，以及社会家具的占有情况，反映了一个国家和地域在某一历史时期的社会生活方式、社会物质文明水平以及历史文化特征，因而家具凝聚了丰富而深刻的社会性和文化性，一件或一套精品家具必然会体现出其具有的技术含量、艺术含量和文化含量。本文主要论述了家具的概念、家具的特性、家具文化的内涵与意义、家具文化的特性、家具文化的功能、家具文化的构成要素、家具文化的设计表现。

关键词:家具；文化；设计；构成要素；表现特征

中图分类号：J505文献标识码：A

一、家具的概念与特性

（一）家具的定义

家具，又称家私、家什、砭摺h等，是家用器具之意。其英文为furniture，出自法文fourniture，即设备的意思。西语中的另一种说法来自拉丁文mobilis，即移动的意思，如德文mbel，法文meulbe，意大利文mobile，西班牙文mueble等。综合几千年来世界各地对家具的描述，可以得到一个较为完整的概念，即家具是可搬移的家用器具［1］。

现代家具的概念已带有广义性，即家具不一定局限于家中使用，用于公共场所或户外者也可称之为家具；家具不一定可移动，它也可以固定在地面或建筑物上；可移动的家用器具不一定就是家具。因此，要完整而确切地定义家具是困难的，至今尚无严密的标准释义。本书根据传统意义上的家具含义及其现代合乎逻辑的延伸，给出了如下家具的定义［1］：

广义地说，家具是指供人类维持正常生活、从事生产实践和开展社会活动必不可少的一类器具；狭义地说，家具是日常生活、工作或社会交往活动中供人们坐、卧、躺，或支承与贮存物品的一类器具与设备。

随着人们生活水平和生活质量的改善和提高，对家具的造型、品种、款式和质量均提出了更高的要求。家具是室内的主要陈设，既具有使用功能，又具有装饰功能，它与室内环境构成了一个统一的整体。因此，在设计和选用家具时，除了从人体工效学考虑在外观尺寸上符合人体各部分的生理尺度、在款式造型上符合人的心理需求之外，还应与室内尺度和室内环境相协调。

（二）家具的特性

（1）使用的普遍性

在古代家具已得到了广泛的应用，在现代社会中家具更是无所不在，无处不有。家具以其独特的功能贯穿于现代生活的方方面面，与人们的衣、食、住、行等生活方式，或工作、学习、生活、交际、娱乐、休闲等活动方式密切相关，而且随着社会的发展和科学技术的进步，以及生活方式的变化，家具也处在发展变化之中。如我国改革开放以来发展的宾馆家具、商业家具、现代办公家具，以及民用家具中的音像柜、首饰柜、酒吧、厨房家具、儿童家具等，便是我国家具发展过程中产生的新门类，它们以不同的功能特性，不同的文化语汇，满足了不同使用群体的不同的心理和生理需求，它充分显示出家具使用的普遍性［1-3, 6］。

（2）功能的二重性

家具不仅是一种简单的功能性物质产品，而且是一种广为普及的大众艺术品，它既满足某些特定的直接用途，又能供人观赏，使人在接触和使用过程中产生某种审美和引发丰富联想的精神需求。它既涉及材料、工艺、设备、化工、电器、五金、塑料等技术领域，又与社会学、行为学、美学、心理学等社会科学以及造型艺术理论密切相关，所以说家具既具有物质性，又具有精神性，这便是人们常说的家具二重性特点［1-3, 6］。

（3）文化的综合性

文化是一个有着狭义和广义之别的词汇。狭义的文化是指人类社会意识形态及与之相适应的制度和设施；而广义的文化是指人类所创造的物质和精神财富的总和。文化一词是一个发展的概念，时至今日，人们多采用规范性的定义，即把文化看作是一种生活方式、样式或行为模式。人类的一切文化都是从造物开始的。中外家具的发展史便是人类造物活动的一个重要组成部分，也是人类文化在家具产品上的充分显现。首先，家具是一类社会物质产品，作为重要的物质文化形态，表现为直接为人类社会的生产、生活、学习、交际和文化娱乐等活动服务。同时，家具又是一门生活艺术，它结合环境艺术、造型艺术和装饰艺术等，以特有的形象和符号来影响和沟通人的情感，形成特定的精神文化形态［3,6］。

二、家具文化的内涵与特性

（一）家具文化的内涵

家具是一种丰富的信息载体与文化形态，其类型、数量、功能、形式、风格和制作水平，以及社会家具的占有情况，反映了一个国家和地域在某一历史时期的社会生活方式、社会物质文明水平以及历史文化特征，因而家具凝聚了丰富而深刻的社会性和文化性。

家具文化是物质文化、精神文化和艺术文化的综合［6］。

（1）物质文化

作为物质文化，家具是人类社会发展、物质生活水准和科学技术发展水平的重要标志。家具的品类和数量反映了人类从农业时代、工业时代到信息时代的发展和进步；家具材料是人类利用大自然和改造大自然的系统记录；家具的结构科学和工艺技术反映了工业技术的进展和科学的发展状态；家具发展史是人类物质文明史的一个重要组成部分。

（2）艺术文化

作为艺术文化，家具是室内环境构成的一项重要内容。它的造型、色彩和艺术风格与室内空间艺术共同营造特定的艺术氛围。家具的设计原则、文化观念与表现手法是和建筑艺术以及其它造型艺术一脉相承的。

（3）精神文化

作为精神文化，家具具有教育功能、审美功能、对话功能、娱乐功能等。家具以其特有的功能形式和艺术形象长期地呈现在人们的生活空间，潜移默化地唤起人们的审美情趣，培养人们的审美情操，提高人们的审美能力。同时家具也以艺术形式直接或间接地通过隐喻或文脉思想，反映当时的社会与宗教意识，实现象征功能与对话功能。

（二）家具文化的特征

从一定意义上说，家具是某一国家或地域在某一历史时期社会生产力发展水平的标志，是某种生活方式的缩影，是某种文化形态的显现。而且随着社会的发展，这种文化形态或风格形式的变化和更新浪潮，将更加迅速和频繁，因而家具文化在发展过程中必然或多或少地反映出社会性特征、地域性特征、民族性特征、时代性特征等［6］。

（1）社会性

家具的类型、数量、功能、形式、风格和制作水平，以及社会家具的占有情况，反映了一个国家和地域在某一历史时期的社会生活方式、社会物质文明水平以及历史文化特征，因而，家具凝聚了丰富而深刻的社会性。

（2）地域性

不同地域地貌，不同的自然资源，不同的气候条件，必然产生社会生产力水平、生活方式、文化形态、人的性格差异，并形成不同的家具特性。因而，反映出地域性。

（3）民族性

不同的民族有不同的传统文化和生活习俗，从建筑造型到室内、家具均有着自己的特征。如日本民族榻榻米席地而坐，椅子则无腿；中国地处高寒地带，家具也是低矮型；北欧森林丰富，追求自然美，流行实木家具。

（4）时代性

与整个人类文化的发展过程一样，家具的发展也有阶段性，即不同历史时期的家具风格显现出家具文化不同的时代特征。如古代、中世纪、文艺复兴时期、浪漫时期、现代和后现代均表现出各自不同的风格与个性。如英国传统（安娜）式家具、法国哥特式家具、巴洛克（路易十四）式家具、洛可可（路易十五）式家具、新古典主义（路易十六）式家具、美国殖民地式（美式）家具、西班牙式家具、中国明式家具等。

三、家具文化的构成要素

社会创造了家具，家具诞生于社会。任何一个时代的家具都必然受着当时社会的制约与影响。家具与社会的政治制度、经济发展、文化艺术，以及人们的、生活习惯、民俗民风、科技工艺等方面，都有密切的联系，浸透着历史痕迹。家具记录了本民族特定历史时期的价值观念、伦理道德、思想模式、行为模式和审美情趣等。数千年来，家具伴随着人类历史已经建立起自己的“独立家族”与理论体系。数千年的人类历史，已经孕育了一个独立而富有的家具文化学科。胡文彦先生在《中国家具文化》［4］一书中，已经从家具与礼、家具与佛教、家具与民俗、家具与文人、家具与绘画、家具与诗词、家具与百工、家具与乐舞、家具与建筑、家具与社会等十个专题，探究家具与这些领域的关系，家具在这些领域里的作用和地位，家具本身在这些领域的影响下所形成的特质，家具从中吸收的文化含量，也可以说是，是家具被社会各个领域所赋予的文化内涵。

（1）家具与礼制［4］

礼，是奴隶社会的政治法规、上层建筑，道德规范和行为准则。礼，距今的确是十分遥远，在我们追寻古代家具的踪迹时，幸然发现家具与礼有密切的、直接的关系，从而知道在古代的奴隶社会，家具具有特殊的价值与地位。礼，决定了家具的政治性和社会性。家具，体现了礼的核心思想――等级制度。

（2）家具与佛教［4］

中华汉土文化，在历史发展进程里，不断吸收外来民族的营养，不断地在融会中壮大自己。历史证明，吸收外来文化最多、最广，影响最大的莫过于佛教文化了。佛教文化的输入，不仅给中华汉土的社会生活、思想观念，文学、音乐、美术等等方面都带来了新鲜活力。天竺佛国大量的高型家具，随之也来到了汉地。这对汉地的生活习俗，特别是对华夏几千年来席地而坐的起居方式是一个极大的冲击，促进了家具的发展。伴随高型坐具而来的垂足而坐方式，也自然地进入了汉地生活。

（3）家具与民俗［4］

民俗，简之就是民族民间风俗。民俗是随着人类生活而诞生，又随着社会的前进而发展的一种文化现象。民俗的形成，首先受着一定历史时期的政治、经济类型，以及宗教等其他方面的影响。家具在民俗（节日风俗、家宴婚俗）事象中，处处可见家具的参与，扮演着十分重要的工具、手段――载体的角色。它投身于民俗活动，与民俗活动融为一体。在道器统一的中华传统观念里，它的价值远远超越它自身的本能，浸含着民族感情、民族心理的特质――民俗文化的内涵。

（4）家具与文人［4］

中国几千年来都是以儒家思想为统领，历来是重文轻技，尤其木工家具方面的技艺，被视为“梓人”、“工匠”。然而，中国的历史文人，对木工家具是情有独钟。如南宋黄伯思的《燕几图》、明代戈汕的《蝶几图》、作者不详的《匡几图》、明朝官方的《鲁班经》、明代曹明仲的《格古要论》、屠隆的 《考盘余事》、文震亨的《长物志》、清代李渔的《闲情偶寄》等。《燕几图》可谓中国第一部家具设计专著，创造出中国家具史第一部组合家具设计图。《蝶几图》也是一部组合家具设计图。

（5）家具与绘画［4］

家具是形象的历史；绘画是无字的史记。绘画中有家具；家具中有绘画。中国传统家具和绘画在造型语言、色彩、章法等形式上是充满密切联系的：中国传统绘画中的家具图像不仅为研究家具史和家具文化带来了便利，而且作为画中实物，它们还为一些在断代上有争议的绘画解开迷团带来了重要佐证；中国传统家具上装饰有不同的绘画，这些绘画对于传统家具的美化和意蕴的提升发挥了重要作用。

（6）家具与文学［4］

家具与文学的关系，可以说是历史渊源。翻开中国古典文学作品（如小说、诗词等）的历史，处处可见家具的踪迹。从那些与家具有关的文学作品（如小说、诗词等）中，可以探寻家具在作者或诗人眼里的形象，在小说、诗词中的地位，作者或诗人赋予家具的感情寄托等，从中可以探寻家具与文学的关系，家具在文学作品发展中自身所形成的文化内涵。

（7）家具与百工［4］

从奴隶社会到封建社会，几千年来以农业为基础的经济形态，构建了庞大的手工业队伍――“百工”、“一百二十行”、“三百六十行”。这支队伍由于专业的需要，形成了特殊的家具――百工家具。百工家具又因其特殊的职能而形成了自己的特点。现代家具行业已经形成为一个包含制造、流通、零售、展览、配套（材料、机械、配件、饰品）、教育、咨询（设计、管理、技术、人才）等相互合作、并与国民经济和人民生活密切相关的制药行业，其工种和职业类型已经完全超出了传统意义上的“百工”，为解决社会劳动力就业做出了巨大贡献。

（8）家具与乐舞［4］

从周公的“制礼作乐”始，中国历史上的乐舞活动――包括宫廷乐舞和民间乐舞，就一直贯穿于历朝历代。我们从现存的乐舞文物和乐舞史料中得知：在这些乐舞活动中，处处可见表演道具――家具的踪迹。乐舞中的道具――家具的使用，可探求这些道具――家具在乐舞中的地位，以及对乐舞表演的形成和发展所起的影响、作用等。

（9）家具与建筑［4］

家具与建筑始终是相伴而生，互为依靠，并携手共同为人服务。家具与室内空间及其它物品构成了人类生存的室内环境，又与建筑物、庭院、园林又构成人类生存的室外环境。家具与建筑的关系主要表现在：环境、造型、材料、榫卯结构、腿脚架柱、门窗围子、窗格窗花、装饰纹样、制作与造作工艺、工具等相通与相似之处。

（10）家具与社会［4］

家具与社会及社会主体的人是紧密相连的。可以说，家具是以人的需求而诞生、而变化，又以社会的前进而发展。社会创造了家具，家具反映出社会。

家具设计的目的是为人类服务，是运用现代科学技术的成果和美的造型法则去创造出人们在生活、工作和社会活动中所需的特种产品――家具。就人而言，既属于生物的范畴，又属于社会的范畴。人的需求具有双重性，作为生物的人，要求家具满足人的生理需要和不断发展的工作方式和生活方式的需要；作为社会的人，对家具和由家具构成的环境的要求则是审美功能、象征功能、教育功能、娱乐功能等。

（11）家具与学科

现代家具产品再也不是一种无足轻重的简单的生活用具，它对提高人的工作效率与休息效益，增加生活的便利和安适程度有着十分重要的作用。因此，现代家具的设计牵涉到许多学科的知识。在家具艺术内涵方面：包含诸如美学、艺术学、美术学、色彩学、绘画艺术学、造型艺术学、环境艺术学、装饰装潢设计学、符号学、图学等专业学科的成分。在家具人文内涵方面：包含诸如哲学、人类学、社会学、民族学、伦理学、历史学、考古学、经济学、管理学、营销学、物流学、心理学、生理学、人体工程学、生态学等专业学科的成分。在家具技术内涵方面：包含诸如材料学（木材学、金属学等）、数学、物理学、高分子化学、力学、工艺学、机械学、电工电子技术、计算机技术、建筑学、环境工程学等专业学科的成分。

（12）家具与科学技术

家具史的发展始终是融科学、技术、艺术与一体，随着科学的发展、技术的进步、材料的变化而不断达到新的高度。随着新技术、新材料、新工艺、新设备的变化，科技对现代家具的设计和制造产生了直接的影响，带来了现代家具的新设计、新造型、新色彩、新结构、新功能。近年来，随着以工业设计理念为代表的新设计方法运用和以信息技术为代表的新技术革命，给现代家具设计和制造带来了一系列重大影响，现代高新技术正在全面导入家具行业，引起了家具设计与制造管理和销售模式划时代的变革和进步。目前，家具行业正在根据科学技术发展的规律和应用现代先进的材料、设备、工艺和加工手段，考虑可持续发展的原则，使家具从简单的手工业产品转化为一种具有高度科学性的生活和日常工作用的有效“机器”。

四、家具文化的设计表现

（1）家具设计的概念

家具设计是为满足人们使用的、心理的、视觉的需要，在投产前所进行的创造性的构思与规划，并通过图纸、模型或样品表达出来的全过程。家具是人们生活、工作、社会活动不可缺少的用具。家具设计的任务是以家具为载体，为人类生活与工作创造便利、舒适的物质条件，并在此基础上满足人们的精神需求［3］。从这一意义上来说，设计家具就是设计一种生活方式。家具是科学与艺术的结合、物质与精神的结合。家具设计涉及市场、心理、人体工学、材料、结构、工艺、美学、民俗、文化等诸多领域，设计师需要具备专深、广博的知识以及综合运用这些知识的能力，同时还必须具备传达设计构思与方案的能力。

（2）家具设计的性质

现代工业的发展使得家具成为艺术设计与工业设计高度发挥的结晶，艺术与工业的融合是现代家具的特色。所以，现代家具是一种工业产品，它是一类利用现代工业原材料，通过高效率、高精度的工业设备而批量生产出来的工业产品，因此家具设计属于工业设计的范围。现代家具以功能与美观并重，在功能方面与其他消费品一样可以根据消费者形态而改变机能，依照个别的需求适应生活特点与个人美感的要求，使家具能适应与发挥其室内空间安排。在美观方面能表现出自然的材料趣味，线条简洁而富韵律，比例优美，给人一种优雅、新颖和真实的品质感。这样的家具设计符合现代生活、人类生理心理与活动需求的多面性［3］。

因此，家具设计研究包含以下几个方面［3］：

1）家具设计研究的第一个方面就是设计技术

家具设计是一项纯技术工作，在人类文化发展初期虽然没有这个名称，但作为技术可以说潜藏于设计之中。设计技术不一定是手头的工作，也不一定是依靠手的灵巧工作，而是靠动脑筋进行理智处理的成分占主要地位，不过多数还是由手和眼这些肉体器官的灵活动作所承担的，在这个意义上，可以把其称作设计的技法或者实用技术。在学习搞设计的初期阶段，必须在肉体的感觉活动方面下很大的工夫，为了提高并加强这种感觉或判断力的敏锐，无论如何都必须反复进行实际技术的练习。

2）家具设计研究的第二个方面是设计理论的研究

从近代设计的本质来看，可以说不应考虑没有理论保证的设计技术。理论研究最基本的领域是关于形和色的研究，前者应该叫做形态的理论或形态学，后者应该叫色彩理论或色彩学。以上两个方面的设计研究应首先齐备。

3）家具设计研究的第三个方面则必须扩展到历史领域

因为在社会的发展中人类造型活动是连续进行的。对有关历史进程是如何进行的就不能完全无知。纵观历史上的东西都是跟随时间的演变在变动，这样就要研究继承和发展古今中外家具的形式与内容。特别是在国际贸易、科技、文化交流比历史上任何时期更为频繁的今天，不论是古今的，还是中外的，为了我们今天的需要，我们应当吸收其中一切有益的东西，使它融化在我们民族的家具设计里，达到融会贯通，从理论和实践的结合上掌握家具设计的基本规律，作为我们设计新家具的借鉴。

4）家具设计研究的第四个方面是制造技术

家具设计要通过研究家具语言的“群众性”、“民族性”，家具式样的“时代性”、“多样性”，家具技巧的“装饰性”、“适应性”等特点，来了解家具的功能使用要求，熟悉家具生产的新材料、新工艺、新技术、新设备等，以充分发挥家具艺术的独创性。

5）家具设计研究的第五个方面是消费市场的研究

家具设计工作者除了掌握本专业的业务技能知识、基本的设计理论、方法、手段及其相关知识外，同样必须深入生活，细心地去观察、体验生活，了解市场、熟悉消费群体，进行消费市场的调查研究，这是设计师不可缺少的态度。家具本无生命，本无感情，但人是有生命、有感情的，设计师可以通过作品传达自己的关怀与呵护，以自己的激情来感染他人、美化环境、造福人类。

（3）家具设计的内涵

家具设计和一般工业产品设计一样，是对产品的功能、材料、构造、艺术、形态、色彩、表面处理、装饰形式、工艺、包装以至成本等诸要素从社会的、经济的、技术的、艺术的角度进行全面设计和综合处理，使之既满足人们的物质功能的需求，又满足人们对环境功能与审美功能的需求。它的设计内容是多方面的，具体包括功能设计、造型设计、结构设计、工艺设计、包装设计和经济分析等［3］。

1）家具的功能设计

就是根据家具的使用功能与用途，合理地确定家具的比例与尺度。

2）家具的造型设计

是指运用一定的手段，对家具的形态、质感、色彩、装饰以及构图等方面进行综合处理所构成完美的家具形象的过程。

3）家具的结构设计

是在功能设计和造型设计的基础上，根据结构力学的要求，进行家具材料的选用，产品、部件和零件尺寸的确定，接合方式的选择，特殊零部件的力学强度校核计算等。

4）家具的工艺设计

是指通过一定的加工工艺路线和先进技术手段改变材料的形状、尺寸和表面状态，甚至改变其性质，使之达到设计目的，满足设计要求的过程。

5）家具的包装设计

是根据家具的性能，用适当的材料对产品采取的一种保护性措施，以保护产品的内在质量和使用价值，便于流通、运输、装卸、存贮保管和销售，起到宣传和推销的作用。

6）家具的经济分析

家具的生产成本、企业经营管理费用、产品经济指标进行合理的分析和预算，为家具的生产和销售提供准确的经济指标数据。

（4）家具设计的原则

家具设计的目的是为人类服务，是运用现代科学技术的成果和美的造型法则去创造出人们在生活、工作和社会活动中所需的特种产品――家具。而家具与室内空间及其它物品构成了人类生存的室内环境，又与建筑物、庭院、园林又构成人类生存的室外环境。人与人、物与物、人与环境又构成了社会。从广泛的概念出发，家具设计的目的是使人与人、人与物、人与环境、人与社会相互协调，其核心是更好地为人类服务。就人而言，也有双重属性，人既属于生物的范畴，又属于社会的范畴。人的需求也具有双重性，作为生物的人，要求家具满足人的生理需要和不断发展的工作方式和生活方式的需要；作为社会的人，对家具和由家具构成的环境的要求则是审美功能、象征功能、教育功能、娱乐功能等。此外，家具作为一种工业产品和商品，必须适应市场需求，遵循市场规律［3］。

从家具工业发展近况来看，现代家具正朝着材料多样、造型新颖、结构简洁、品种丰富、加工方便、节省材料、易于拆装或折叠，具有实用性、多功能性、舒适性、保健性、装饰性的方向发展。因此，完美合理的家具设计，原则上应兼顾使用和生产两方面的要求。对使用者来说，家具必须实用、舒适、方便、安全、外形美观、结构稳定、价格合理，对生产者来说，家具必须具有较好的工艺性，先进的生产效率，合理的经济指标，使家具在质量、性能、品种和规格等方面，符合使用上可靠、技术上先进、生产上可行、经济上合理的标准。也就是说，现代家具的设计应遵循实用性、艺术性、工艺性、经济性、安全性、科学性、系统性、创新性和资源持续利用等九项基本原则［3］。

1）实用性

家具的实用性体现了家具的使用价值。它要求所设计的产品首先应符合它的直接用途，能满足使用者的某种特定的需要，而且坚固耐用；并且，家具的形状和尺度，应符合人的形体特征，适应人的生理条件，满足人们的不同使用要求，以其必要的功能性和舒适性来最大限度地消除人的疲劳，给工作和生活创造便利、舒适的条件。

2）艺术性

家具的艺术性体现了家具的欣赏价值。它要求所设计的产品除满足上述功能使用之外，还应使人们在观赏和使用时得到美的享受。家具的艺术性主要表现在造型、装饰和色彩等方面，造型要简洁、流畅、端庄优雅、体现时代感，装饰要明朗朴素、美观大方、符合潮流，色彩要均衡统一，和谐舒畅。因此，家具的设计要符合流行的时尚，表现时代的流行性特征，以便经常地及时地推出适销对路的产品，满足市场的需求。

3）工艺性

家具的工艺性即要求所设计的产品应线条简朴、构造简洁、制作方便、在材料使用和加工工艺上，需满足以下要求：

①材料多样化（原材料与装饰材料）；

②部件装配化（可以拆装或折叠）；

③产品标准化（零部件规格化、系列化和通用化）；

④加工连续化（实现机械化与自动化，减少劳动力消耗，降低生产成本，提高劳动生产率）。

4）经济性

家具的经济性要求开展市场调研与市场预测，在不断了解国内与国际家具生产的形势和家具市场行情的基础上，必须从产品的材料、结构和加工等方面考虑所设计的产品有较低的成本和合理的经济指标，设计出适销对路的家具产品，达到质优、价廉、物美、低耗、环保的要求。

5）安全性

家具的安全性既要求产品具有足够的力学强度与稳定性，又要求产品具有环保性。即在满足使用者多种需求的同时，有利于使用者的健康和安全，对人体没有伤害与毒害的隐患。也就是说，应按照“绿色产品”的要求来设计与制造家具，使其成为“绿色家具”，除了产品本身能够符合标准中规定的力学性能指标和满足精心设计的使用功能和精神功能外，应能通过从产品设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期的全过程实施，使产品最大限度地实现资源优化利用、减少环境污染和满足人们需求，在其生产、使用、回收处理全过程中，都不会对环境产生污染或对人体健康产生危害。

6）科学性

家具的科学性是要深入研究和应用生理学、心理学、人类工效学、技术美学、环境学、工业设计等相关学科的基本原理，根据科学技术发展的规律和应用现代先进的材料、设备、工艺和加工手段，考虑材料的可持续利用的原则，使家具从简单的手工业产品转化为一种具有高度科学性的生活和日常工作用的有效“机器”。

7）系统性

家具的系统性体现在三个方面，即：

①配套性，是指应考虑家具与室内环境以及其它家具或陈设制品配套使用时的协调性与互补性，将家具设计与整个室内环境的整体效果和使用功能紧密结合在一起；

②综合性，是指家具设计应属于工业设计范畴，家具设计工作不是只绘制出产品效果图或产品结构图，它是对产品的功能、造型、结构、材料、工艺、包装以至经济成本等进行全面系统设计；

③标准化，是以一定数量的标准化零部件与家具单体构成企业的某一类家具标准系统，通过其有效组合来满足各种需求，以不变应万变，将非标产品降到最低限度，以缓解由于产品品种过多、批量过小给生产系统所造成的压力，并能把设计师从机械的重复劳动中解放出来。

8）创造性

家具的创造性是指家具新功能的拓展，新形式的构想，新材料、新结构和新技术的开发都是设计者通过创造性思维和应用创新技法的过程。一个有创新能力或创造力的设计师，应掌握现代设计科学的基本理论和现代设计方法，应用创造性的设计原则进行新产品的开发设计工作。

9）可持续性

家具的可持续性是指在设计家具时必须考虑木材资源持续利用的原则。具体说就是要尽量利用以速生材、小径材为原料，减少大径木材的消耗。对于珍贵木材应以薄木的形式覆贴在人造板上，以提高珍贵木材的利用率，对珍贵树种应做到有节制和有计划的采伐，以实现人类生存环境的和谐发展和木材资源的持续利用。

总之，对于家具的设计，就是要做到以下主要三个方面［6］：

第一，讲求功能效果，运用人体工效学的理论和“以人为本”的理念来设计家具，不但要重视人的生理功能，而且要研究人的心理状况，设计要满足人的生理和心理两方面的需求与健康；

第二，考虑合理使用多种材料，以最贴近自然的、对人体无害的、节省能源的材料，满足产品功能需要，以最少的用料，实现最佳的效果；

第三，设计产品要高品位，应有深厚文化内涵和科技含量，高品位是没有模式的，通常是指家具审美格调上的艺术品位。

简单地说，家具的设计，在家具界就是这样的三句话，即：“讲求功效求其真，慎惜用材至于善，提高品位崇尚美。”（责任编辑：楚小庆）

参考文献：

［1］胡景初.现代家具设计［M］.北京：中国林业出版社，1992.

［2］胡景初、戴向东.家具设计概论［M］.北京：中国林业出版社，1999.

［3］吴智慧.室内与家具设计――家具设计［M］.北京：中国林业出版社，2005.

［4］胡文彦.中国家具文化［M］.石家庄：河北美术出版社，2004.

［5］张福昌.中国民俗家具［M］.杭州：浙江摄影出版社，2006.

［6］吴智慧.绿色家具技术［M］.北京：中国林业出版社，2006.

Component factors and design philosophy of furniture's cultural characteristics

WU Zhi－hui

(College of Furniture and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037)