上海星四机械成套设备有限公司 上海 200135
摘要：结合各种工业产品的不同造型,指出结构设计中的内部结构、外部结构和整体结构均会影响产品外观,而且连接结构的不同还会带来产品创新,从而印证了结构要素是产品设计诸要素中非常重要的一个.本文分析了产品结构设计的概念、设计过程、功能分析以及结构模型分析，希望能够对读者提供一些借鉴和参考。
关键词：产品结构设计；概念；设计过程；模型
Abstract：A combination of different shapes of various industrial products, noting that the structural design of the internal structure, external structure and the overall structure will affect the appearance of the product, but also the connection of different structures to bring product innovation, which confirms the structural elements are all elements of product design a very important paper analyzes the concept of product design, process design, functional analysis and structural model analysis, hoping to provide some reference for the reader.
Key words：Product Design;concept;designing process;model
一、前言
产品设计是为了满足产品的功能需求而进行的创造性的工作，随着科技水平的不断提升，人们对产品结构设计的要求也在不断提高。
二、产品结构设计概念
产品结构设计是针对产品内部结构、机械部分的设计。设计一个好产品，首先应从满足用户需求的实用性出发，其次才是形状。一个产品合理实现其各项功能，完全取决于一个优秀的产品结构设计。因为结构设计是机械设计的基本内容之一，也是整个产品设计过程中最复杂的一个工作环节。在产品形成过程中，结构设计起着至关重要的作用。
机构虽与结构名词相近，但意义却不同。结构通常指一个或一组部件，总自由度为“0”；机构指一个系统，其自由度通常大于等于“1”。作为一名产品设计者在设计产品时，既要构想一系列关联零件来实现各项功能，又要考虑产品结构紧凑、外形美观；既要安全耐用、性能优良，又要易于制造、降低成本。所以，结构设计师应具有全方位和多目标的空间想象力，而且还应具有跨领域的协调整合能力。这就要求产品结构系统必须包括如下四点：
1、结构元素：包括结构的支承、构件和节点三种元素，具体说就是材料、构成方式和互相作用关系。
2、力的传递：研究外内力在构件中的传递、抵抗、变位、变形等行为，藉以表达产品的律动感、调和或刻意呈现力学矛盾。
3、特殊构造：包含在前二项范围内的一些特殊构造，有时也会特别提出探讨，如早期的平面连杆结构，凸轮结构和间歇运动结构，还有由此演化而成的其它形式的平面四杆结构、曲柄滑块结构、导杆结构、摇块结构和定块结构等。
4、避免灾难：由于当代资源日益匮乏，加之环境污染等诸多问题，产品的结构设计也随之改变。如环保型新材料的功能、可持续性重复利用结构以及产品破损利于更换维修的结构。
三、产品结构设计应考虑的因素
产品结构设计是将设计思想具体化的过程,受诸多因素的影响。在此,主要从材料、工艺、环保等方面阐述产品设计过程中需要考虑的结构问题。
1、材料因素
构成产品的物质是材料,使材料在力的作用下维持一定形态的则是结构,而材料因素的影响很多都体现在外部结构上。不同的材料其特性各异,促使人们在长期的社会实践中学会了用不同的结构连接和组合它们。因此,不少新的结构正是在伴随着人们对材料特征的逐步认识和不断加以应用才发展起来的。木材、水泥、金属和塑料并称四大工程材料,其中,金属和塑料在工业产品中更为常见。
2、工艺因素
在产品结构化的过程中,工艺上的可行性是其必由之路,产品结构设计的工艺性与产品材料及加工方法有很大关系。例如:塑料产品常用的工艺是注塑,鉴于塑料在模腔中的不均匀冷却和不均匀收缩以及产品结构设计的不合理,较容易引起产品的各种缺陷,故设计过程中产品壁厚大小、壁厚的均匀性、脱模斜度、分型面、圆角及加强筋的设计等等,都有适合其工艺特点的设计规则和方法;而金属板材常用工艺为钣金,钣金件的工艺性是指零件在冲切、弯曲、拉伸等加工中的难易程度。因此,边距、孔间距、弯曲半径、预留切槽(口)等等,均应符合相应的设计原则。
3、绿色设计
绿色设计是资源、环境可持续发展的必然要求,产品结构设计理应贯彻这一先进的理念。如:结构设计中,顾及易损件的可更换性,以利于延长产品的使用寿命;不同材质构件的可拆分性,以利回收时的分类处理;在满足功能要求的前提下,产品力求小型化、轻量化、薄壁化,以减少资源和能源的消耗等等。借助科学、合理的造型结构,达到产品及其组成部件能够物尽其用的效果。
四、产品结构设计的重要性分析
1、产品结构与产品造型的相关性
每件产品都有其自身的结构,而结构又深深地影响着产品的形态。毋庸置疑,产品的结构是功能与形态的承担者。产品结构有外部结构、核心结构和系统结构,核心结构是实现产品功能的关键技术,属于内部结构,通常不与人发生直接的关系;而外部结构则与人关系密切,是构成产品形态的一个重要要素,不仅是产品功能的外在体现,也是产品形态的重要载体;至于系统结构,就是相关产品之间的关系设计,注重的是产品的各个环节及相互之间的联系。
（1）内部结构与产品外型的关系
产品的内部结构很大程度上取决于产品的设计原理,可以说,产品的技术要素影响了其内部结构。而内部结构又是外部形态的存在基础,换言之,外部形态是内部结构的外在显现。这种关系在箱(壳)体类零件的外型设计中体现得相当明显。
（2）外部结构与产品外型的关系
除了内部结构外,产品的内部结构与外部形态之间存在着一种包容的关系,有时产品的外形本身就是一种结构设计。鉴于工业设计的主要工作都是体现在产品的外观件上,因此,外观件的结构和造型设计的联系是最为紧密的。产品的外观件主要是箱(壳)体类零件,其结构设计包括组成外观件的零件分块、零件与零件之间的连接以及零件自身的加强等等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆如果在造型设计阶段没有考虑合理的结构设计问题,那么等造型完成后,往往给外型的实现带来诸多困难,不仅延长了开发周期,还会导致外观造型和预想效果图出入很大。
（3）整体结构与产品外型的关系
对于以叉架类零件为主体的产品设计,通常会将整体结构与外型设计统一考虑。结构形式不同,传递的信息也不同,结构将直接影响着产品的使用方式与精神目标的实现
2、连接结构创新带来产品创新
在产品形态所表现出的美感要素中,产品结构形式的新颖与独特占有十分重要的位置。因此,结构创新往往可以带来外观造型上的创新。特别是连接结构的复杂多样,决定了产品的实现方式可以有多种形式,从而为产品的创新奠定了基础。
如前所述,各零部件之间的连接是结构设计的重要组成部分。连接本身又可细分为刚性连接和可动连接,而后者更易成为结构创新的源泉。由于手机产品最重要的两个功能部件是显示(屏幕)和控制(键盘),那么两个功能部件的结构布置,极大程度地决定了手机产品的外观造型。例如:两个功能部件如合并为一个整体,则诞生直板型手机;若将两部分通过可动连接结合,就会带来造型及产品上的创新。以可动连接中的滑动连接和转动连接为基础,能够分别设计出翻盖式和滑盖式手机;使转动连接动静结合,又可创新出旋转翻盖;与其他功能的结合(拍照、摄像等),进一步带动产品使用方式及造型上的创新。基于此,结构创新是进行产品创新的有效途径。充分重视结构设计,就为创新产品设计打下了坚实的基础。
五、产品系统设计过程中的结构设计
在产品企划、造型设计和工艺设计这些前期环节，也是现在产品设计核心部分又可分为几个大阶段：问题确认、调查分析及构想发展，在这些步骤后产品设计再转入生产部门。而在实际作业上，每一阶段都有结构设计的参与，例如调查分析阶段包括技术调研、专利资料收集、竞争产品与厂商分析、使用者分析以及生活形态分析等。在构想发展方面包含产品内部结构概念发展、构想结构修改、结构评估等。如果任务需要，各个设计任务可以再细分，直到所有的相关任务都包含进去为止。
1、产品企划阶段
产品企划阶段的核心是市场调研。结构设计在这一阶段，主要体现在市场调研中的技术调研。技术调研包含结构调研，工艺调研以及材料调研。一个产品能否实现其功能，主要取决于产品的技术，而技术又由良好的结构所支撑，同时结构的实现也需要加工工艺和材料的配合。因此三者环环相扣，不可分割。在前期调研的过程中必须同时考虑。
2、概念设计阶段
产品结构的雏形出现在概念设计阶段。这种出现是不正式的，如草图、功能图和概念开发阶段的早期原型中。通常，基本产品技术的成熟决定了产品结构，在概念开发阶段或系统水平设计时被完全定义。当新的产品是对已有产品概念的改进时，产品结构是在产品概念中定义的。这里有两个原因。第一，由于产品的基本技术和工作原则已预先制定，因此，概念设计工作通常集中于以更好的方式来体现既定产品的概念。第二，当一个产品种类成熟后，供应链（即生产和销售）的考虑和产品多样性的问题开始变得越来越显著。产品结构是对公司有效提供多样化产品能力影响最显著的开发决定之一。因此它是产品概念设计的中心环节。
3、造型设计阶段
为实现产品最终的功能价值和精神价值，在产品造型设计阶段，需要产品结构设计与产品外型设计相辅相成。如果在概念阶段已对产品外观做了定位，那结构设计师就需要配合相应造型，合理配置内部结构以实现产品的功能。但如若是功能趋向型产品，那么造型师必须根据内部结构的配置重新造型。有的产品，造型与结构的配合需要经过多次修改才能完成。
4、工艺设计阶段
工艺设计阶段主要包括工艺设计和产品试制。其内容有人机界面分析、材料分析、加工工艺合理性分析、使用合理性分析以及手板产品的机构验证。这是产品结构不断完善的重要阶段。此时的结构设计不仅要支撑产品功能的需求，更要满足产品本身的需求，如内部boss键的处理、产品外壳的组合方式以及机电产品内部排线方式（通过合理改善排线方式可减少电磁干扰）等。
六、产品结构设计功能分析
产品实用功能分析首先要明确分析目的，“功能”是分析的主要关键，产品的功能一般分为实用功能、审美功能和象征功能。在实用功能中“实用”界定了功能的范畴。产品实用功能分析过程主要是工业设计师撇开精神层面的功能，单纯对物质层面的实用功能进行分析的过程。
1、明确分析内容
产品实用功能分析的内容指产品的主要功能、辅助功能，功能的识别、使用和操作难易程度等。要求设计者了解用户从接触产品到使用至最终评价整个过程的感受，并类比同类产品的优缺点，使自己在做设计的同时避免那些已经出现的错误。对于内部机构比较复杂的产品，有时也可褪去产品外表，剖析其本质属性功能。在此阶段，应尽量避免因过分注重产品的美学特征而忽视产品基本的使用功能的做法。一个产品（装饰品除外）如果不具备实用功能就不能称之为产品；同样，仅仅具备产品使用的基本功能，而不具美学特征的产品将不被消费者喜欢，在众多的同类产品中将失去竞争力，直至最终被市场淘汰出局。
2、建立分析角度
在再制造再设计的前提下，对现有产品升级改造，并建立多角度分析方案。①亲身体验，在仔细研读产品说明书后，亲身体验每一项功能的使用感受，得出体验心得报告；②市场体验，利用问卷调查和使用记录（影像或文字）等多种途径对大量使用者分析研究，得出体验感受以及对产品功能需要改善或增减的需求，最终制得产品功能评估方案（；③环境分析，对产品使用环境进行分析，包括使用地点（室外，室内，酸雨密集地区等），使用场所（政府机关，娱乐场所，家庭，商圈等），为后期外形设计，材料选择提供有效信息。
七、产品部件设计和工艺设计的多级综合结构模型
大型离散制造企业的产品具有品种多、数量少、规格多变、结构复杂等特点，其产品设计一般分为产品的初步结构方案设计、主件的详细结构方案设计、零部件的材料设计和工艺设计等。为了得到用户和企业都满意的产品，在自顶向下的每一设计过程中都要对多种方案进行优化比较。为了进行产品质量和成本的双重控制，减少产品重复设计的次数和设计周期，在产品的结构方案设计中要尽量考虑到零部件的原材料/外购件、工艺等对产品综合性能质量和成本的影响。为此，产品的设计可以表示为一种产品部件设计和工艺设计的多级综合结构模型。
八、结束语
综上所述，产品结构设计是产品的重要组成部分，是产品得到消费者认可的重要形式。因此，我们要重视产品结构设计。
参考文献
[1]苏强，林志航.产品设计中的DFM技术[J].组合机床与自动化加工技术,2014（21）.
[2]闻邦椿.产品全功能与全性能的综合设计[M].北京：机械工业出版社，2015（13）.
[3]刘立红.产品设计工程基础[ M].上海:上海人民美术出版社,2014.
[4]刘国余.产品基础形态设计[M].北京:中国轻工业出版社,2014.
[5]敖进,等.工业设计工程基础[ M].重庆:西南师范大学出版社,2013.
论文作者:卢庆科
论文发表刊物:《基层建设》2016年5期
论文发表时间:2016/6/28
标签：产品论文; 结构论文; 结构设计论文; 功能论文; 阶段论文; 工艺论文; 材料论文; 《基层建设》2016年5期论文;