概念设计论文范文
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第1篇
（1）虚构模型的产生阶段
由于并行工程等设计方法和手段的进步，产品概念设计与设计研发中的其他步骤相互串联、反复、交错，但就产品设计前期的概念开发工作而言，产品概念设计依然是一个相对独立的过程。产品概念设计的相对独立性决定了其具有一个较完整的设计过程。从各种方式的调查研究或寻找新科技，得到初步的想法，把想法整理成清晰的要解决的问题。对这些问题提出创造性的解决方案，得到众多的解决方案，即概念设计方案，这时提出的可行的概念越多越好。
（2）虚构模型的选择阶段
制定评判标准，从产生的众多概念中，选择出最好、最可行的方案。概念选择是产品概念设计中非常重要的一个环节。在这一过程中，新产品开发小组中各专业人员要共同工作，并努力达成一致意见。前面步骤产生的众多概念，每个概念从表面上看似乎都能满足要求，但我们必须从中选择出最有发展潜力的概念，进行接下去的设计工作。概念的选择将决定以后工作的方向，正确的方向可以节省时间和开支，而错误的决定则导致时间、人力、财力等资源的浪费。概念的选择是概念的产生和概念的验证密切相关的重复的过程。概念选择进行时可能会激发新的概念产生，对这些新产生的概念，也应该像前面产生的概念一样进行概念选择。
（3）虚构模型的实现阶段
把选择出来的概念细化，做出概念产品或模型。概念的实现是概念设计的第三个步骤。对于企业，产品概念设计一般以概念产品的出现而结束。对于个人或学生由于技术及财力方面的原因要做到这一步就比较困难，往往只能做到概念模型或动画演示，以及对概念设计的详细说明。
（4）虚构模型的评价阶段
第2篇
关键词：概念设计；非理性因素；设计实验
1概念设计的内涵与特征
“概念”一词的本义在《中国大百科全书》中的解释是“怀孕，孕育的意思，即经过十月怀胎之后生成的一种新事物”。概念设计是设计师对建设场地进行实地考察后，有意识的针对场地中的环境构成元素进行深入分析，提炼，浓缩而成的一种可以统领全局，贯穿设计过程始终的构思主线。它一般以抽象的形式出现，追求神似而非形似，具有非理性因素的思维特征，往往是设计师的一些顿悟、灵感就可能形成一些重要设计项目的原始创作意念。同时，概念设计具有很强的实验性，有时甚至纯粹是一种尝试，完全在从事探索性活动。
2概念设计的重要性与意义
概念设计自从上世纪问世以来，已经被许多世界建筑大师在一些重要建设项目中恰如其分的运用，其重要性是不言而喻的。在建设项目的前期阶段，概念设计的主体地位是不可辩驳的。倘若没有优秀的创作意念作为引领整个设计的主线，策划方案设计就会一团散沙，缺乏整体性、有机性，让人有随意拼凑，抄袭之感。另外，重视概念设计有利于激发创作灵感，增强设计师的原创意识，不致步人后尘，而走上自主创新的道路。
3概念设计的策略与方法
首先要对场地的环境因素进行有意识的分类与整理，分析各个条件之间的内在联系与制约关系。从宏观的角度进行分析，不拘泥于细小的实际工程问题，着眼于大局。其次，要充分运用联想的方法，辅助于文学，艺术等学科的知识，使头脑中朦胧，散乱的想法明晰准确地表达出来。在当今建筑全球化背景下，把握地域性，坚持功能性，重视形式性，考虑经济性是建筑创作的核心所在。建筑创作的突破口往往在学科边缘或者交叉学科中。再次，要摆脱自身的思维定式，对于掌握概念设计来说这种思维定式非常不利。因为如果设计者从自身已有的知识出发来进行概念设计，必然会受自身思维定式的影响，所设计出来的成果必然不太理想。设计者需要抛弃传统的为了做某个设计而进行资料收集，文献阅读的不良习惯，在平时就要有意识的阅读一定量的理论方面的文献，积累一套行之有效的设计手法和解决实际问题的策略。最后，要学习已有的优秀作品的概念设计过程，做深入的设计分析与表达，因为设计分析与表达作为一种学习方法对于初学者来说是大有裨益的。
4概念设计的应用举例
4.1这是一个改建项目，位于南京幕府山脚下，原为长安汽车制造厂，现在破产了，改为艺术家村租给艺术家使用。我们一行8人对场地进行数次实地调研。最后我从场地的地形特征——象一条小船，以及场地的环境特征——背山面水，左右围护，三面环山的特点出发提炼出整个区域的设计概念“船”。后来联想工厂破产的情景，以及艺术村将来经营的状况决定再加入风险因素“渡”，因而我的设计概念变为“渡船”。接下来又融入了文学因素，考虑艺术村商业运作的需要加了“的情怀”，最终我的设计概念变为“渡船的情怀”。考虑到整个区域内不同位置的经营状况，现状条件不同，又将整个区域分成6个小区域，每个区域都以自身独有的特征命名，并贯穿在总概念之中，使其有分有合，统一之中蕴含变化。最后，我对场地内的浅蓝色区域进行了环境概念设计，编写了整个区域的故事书，使中心概念在故事书的烘托下显得更加丰满。(4.2陕西西安某古墓博物馆的概念性建筑方案设计中笔者就运用了传统民居地坑院入口的概念。古墓博物馆顾名思义是在新发现的古墓建筑群上就地建设博物馆，以最大可能的保护原址，并使博物馆建筑本身具有静谧，昏暗，冥冥之光的气氛。为了营造这种气氛笔者想到了传统民居四合院的空间布局，将古墓建筑群原址保护在地下一层，地上再建二层将古墓发掘的宝藏进行展示，地面建筑四周没有开窗，参观者从室外通过踏步盘旋而上到屋面层，而后再从屋面盘旋而下到达至各层，各层展厅均有入口对外开在走廊上，打开入口天井中的自然光与室内的人工光源交相呼应，在室外树木的遮挡下，室内光影斑斑，忽明忽暗，更加突出了建筑的神秘性，场所感。置身其中使人有一种强烈的空间感受和震撼的视觉冲击，崇拜仰慕之情油然而生，这正是建筑师所期望达到的效果，使参观者能有深切的体验空间，参观之后难以忘情。(见图2)
第3篇
所谓“概念”指的是“反映对象的本质属性的思维形式”，是“人们通过实践，从对象的许多属性中，抽出其特有属性概括而成”的。人对世界的认识、人类的全部文化、科学知识以及思想，都是由概念组成的。从这个意义上说，没有概念，就没有人类的历史，就没有人类的一切文明成果。因此，“概念设计”从本质上说，提供的是“思想”。所谓“反映对象本质属性的思维形式”指的就是通过某种媒介或手段，把我们对事物本质属性的认识确定下来。媒介有许多不同的类型，文字符号是一种表达概念的媒介，视觉符号也是一种表达概念的媒介。就设计艺术而言，“概念设计”就是用视觉语言把我们对事物本质属性的认识表达出来，这种认识就是我们从事物中提炼、概括出来的概念或思想。因此，它在本质上是对“思想”的设计，换句话说，它提供的是创意，即从某种理念、思想出发，对设计项目在观念形态上进行的概括、探索和总结，为设计活动正确深入的开展指引前进的方向。
2概念设计的应用范围
概念设计在不同的领域中有不同的含义、不同的对象。除了上述设计艺术领域之外，在产品的生产、经营、销售等领域中也有广泛的应用。这一类的“概念设计”指的是对某种经营、生产、销售思想、策略的策划。所谓“概念”是对企业、产品、管理、营销理念等方面的特殊性做出的概括。按主体不同，对这一类的“概念设计”可分为三个方面：即企业概念、品牌概念和产品概念。
除了物质生产领域之外，在影视、戏剧、展览策划等文化生产领域，概念设计也发挥着重要作用，特别是在科幻题材影视创作中，那些在现实中不存在的场景和道具都需要设计师根据预先设定的概念进行创作。
概念设计早在20世纪80年代，在国外就已经开始为设计界所广泛关注。美国平面设计师爱伦•霍伯特（AllenHubert）当时曾经撰写了一本书，题目就叫“ConceptualDesign”（概念设计），内容是针对平面设计中如何组织创意，如何赋予设计对象某种理念或思想，更好地推广企业和产品，引导消费者。当时国内很少有人从“概念设计”的角度理解、重视这个问题。在设计领域始终倡导并努力实践“概念设计”的是工业设计，由于工业产品具有批量化、自动化和时尚性等特点，设计对生产领域带来的影响更直接，对市场信息做出的反映更迅速、更灵敏，在推广一个新产品之前，概念设计就显得十分重要。特别是汽车工业，概念设计成为推动汽车工业不断创新的发动机。厂家对新的时尚、技术和功能的探索往往首先通过概念设计来完成，同时，概念车也成为引领时尚的风向标。
3概念设计的主要特点
（1）独创性。概念设计更强调设计的独创性和原创性，从形式和内容上都排斥业已存在的东西。当然，这不是说不能使用历史上已经存在的形式符号和材料做法，而是必须以新的手法、新的视角加以运用。
（2）抽象性。概念的形成是对纷然陈杂的生活现象提炼、概括、抽象的结果。任何概念都有一定的抽象性，它来源于我们提炼出的某种理念或思想，我们欲倡导、传扬的主张以及我们欲表达的某种意象。例如：柯布西埃设计的郎香教堂、赖特设计的流水别墅、密斯设计的法恩斯沃斯住宅等等，不管它们是否经历过我们所称的“概念设计”阶段，但它们都表现出了概念设计所具有的全部特征。这几位现代建筑的开创者都曾经确立了他们的新建筑概念，没有这些理念的引导，没有对这些主张坚定不移的实践，他们的作品就不可能对后世产生如此大的影响力。
（3）探索性。概念设计可以不过多地涉及具体的功能问题（这类问题可以在方案设计阶段进行修正），即使考虑功能问题，也是概念性的，原理性的或逻辑推论性的、说得更直接一点就是纸上谈兵。它更像一个探索性的科学实验，与实际生活保持一定距离，可以保证思维有足够的想象空间。
（4）先进性。概念设计要求我们立足于时代最先进的技术和社会意识，有足够的勇气去尝试最新的东西（新技术、新材料、新工艺、新的生活观念），凝聚时代最先进的技术成果，使其处于时代的前端，否则就谈不上是什么“概念设计”。
4概念的误区
（1）概念虚无。有人认为，所谓的概念不过是广告人或策划人“编”出来的光环，未必是骗人的，但却离实际很远，至少是有误导的嫌疑。社会上也的确有一些夸大其辞或空穴来风式的概念炒作，这反过来又加深了人们对概念的误解。其实我们可以这样去理解，概念或者是对设计对象所固有属性的某种概括（设计对象有许多属性，不一定只有一种），或者是一种对可及目标的追求，是实际存在的东西。
（2）概念无用。在设计实践中，的确有许多人没有从概念设计的角度考虑方案，也能够创作出不错的作品。但是，这类作品往往不具有开创性和激励社会不断探索的精神。这只能说明脱离了追求“概念”常常是这类作品落入陈规、俗套的一种原因。实际上，认真的创作几乎不可避免地涉及到对许多概念的分析，单就形式语言本身来说，就存在各种不同的概念。成熟的设计师在做方案之前，总是要有一个明确的主导思想，要达到什么目标、体现什么精神、突出什么特征等等，这些就是概念设计的内涵。所谓“概念无用”，是由于人们没有认识到它的价值或误解为华而不实的花招，这实在是一种莫大的偏见。
（3）概念游戏。这是在实际操作中表现出的草率、脱离实际、缺乏认真求实的科学态度。认识到概念设计在创新和推动商业利益方面产生的作用，但没有用科学的、务实的态度去操作，而是夸大其辞、玩词藻，靠耍小聪明进行诡秘的“包装”，怎么“洋”怎么来，怎么“时髦”怎么来，然而这种花拳秀腿最终是遮掩不住设计因脱离实际，缺乏认真求实的科学态度而导致的缺陷的。
5概念的塑造
任何一个实际存在的项目都具有一定的概念，它或许是陈旧的、历史性的，或许是潜在的、模糊的，或许是地域性、具有行业特征的等等。拿产品为例，任何产品都具有它独有的功能、特点，或者表现在技术上，或者表现在它所处的氛围上。比如保暖内衣，首先和其它内衣相比更具有独特的保暖功能，“保暖”这一概念已被广泛地运用了；同是保暖内衣，大家在科技含量、组成材料、穿着感觉等方面寻求着自己的特点，而这些特点又是各自产品所独有的。这些特点已构成了成为概念的因素，为了让公众真正了解其独特之处，就有必要把这种特点用形象的说法“亮”出来。从另一个方面思考，如果产品并不具备特殊的优势，没有哪一点可以包装成概念，那么就必须承认它在市场上很难与实力对手相抗争。不满足于此，就要让技术人员改进工艺、用料等做出特色来。在做出来之前，这个特色是被“想象”出来的，那么这个可以实现的目标就可以成为“概念”。拿一些大城市如北京的一些房地产项目策划举例，北京是一个缺水干旱的城市，地势平坦、季风气候显著，大城市的一些弊病在这里都有突出的表现。在这样的地理环境中建造居住区，创造水域以及大片的植被、改造地表形态等等，都对消费者具有很强的吸引力。因此，开发商制造了“水域花园”、“都市山庄”、“慧谷阳光”等一系列这样的概念，这样的项目如果是建在昆明湖、北海、密云水库周边，其真实性是无庸置疑的，但恰恰这些项目大多数位于远离水域的地区。显然，这个目标是需要努力才能达到的。如此说来，概念可被分为两类，一类是提炼性概念，一类是目标性概念。
在概念设计的具体方法上，提炼性概念和目标性概念是小异而大同的，既有各自的特殊性，但共同遵守的原则是一致的。
第一个原则是优势优先。所谓“优势”是以市场为标准，而不是以企业、设计者或老总个人喜好为标准，这一点往往被混淆。比如说啤酒，在质量方面许多老总认为自己在这方面最具优势，实际情况即便是这样，而对于消费者来说，支持质量的众多环节、严格体系又最难了解到，所以往往愿意在认同质量相同的前提下，从口味、价位、品牌等明显因素上寻求购买理由。推而广之，我们要设计概念，就必须以“市场认可的优势”为素材。
第二个原则是差异性。首先表现在概念素材即优势因素的差异性上，其次表现在概念的表达上。素材的选择要体现独特性，避免雷同；在概念的表达上也要体现独创性，可以是通俗的，也可以是玄妙的，但通俗而不直白，玄妙而不蒙事。
第三个原则是务实性。概念必须是实际的、可行的、有根基的。目标性概念尽管目前尚未达到，但通过努力是完全可能达到的，如果不能实现或难以实现，则会成为空谈和虚妄，这样的概念对企业是非常有害的。
第四个原则是概括性。适应市场的优势因素要用专业的语言严密地表达出来，是件很麻烦的事儿，甚至可以写成文章，这和消费者的认知时间是相违背的。他们希望能够迅速快捷地认识到产品的优势，这就需要对产品的优势进行概括，甚至概括成几个字，还可以加点修饰，用些修辞手法，达到直观、通俗、形象、生动、有趣的效果，以致更好地让公众接受，让公众记得牢，目的就达到了。当然还有一些较为含蓄的表达也可能更为高明，就是通过事物、现象、形象等让公众了解到这个概念的潜台词，比如北极人保暖内衣启用外星人形象来体现其科技含量。
概念设计可以被看作方法论层面上的设计思维训练，不在乎方案是否能够实施，即使是针对一个实际不存在的目标，概念设计训练也是有意义的，要害是开阔思路，探寻创新的灵感，在不受或较少受约束的情况下，最大限度地发挥想象力。这种设计通常总是要与真实的适用性之间保持一定的距离，目的是给思维留有足够的发挥想象力的空间。
摘要：“概念设计”不仅在当代设计领域是被广泛关注的一个话题，甚至在其他许多以创新为目标的行业（IT行业、企业经营管理、商业销售、广告、演艺活动、影视创作等等），人们都在谈论“概念设计”在推动一个产品、一个工程、一项活动、一个事件的过程中所起到的重要作用。因此，对于从事设计工作的人来说,弄清楚到底什么是概念设计，如何进行概念设计,是一件十分必要的事。
关键词：概念设计；应用范围；主要特点；误区；塑造
参考文献
［1］辞海编辑委员会.辞海(1999版缩印本)［M］.上海：上海辞书出版社，2000.
［2］尹定邦.设计学概论［M］.湖南:湖南科学技术出版社，2006.
［3］杨先艺.设计艺术历程［M］.北京:人民美术出版社,2004.
第4篇
选择所需要的各单元设备和连接方式；确定需要研究的过程替代方案，列出主要设计变量（如原料配比、反应时间、操作温度、压力等）；估计最佳的生产条件；确定最佳的过程方案；在流程图上标出哪些设备应间歇操作，哪些应连续；哪些生产步骤应在一台釜内进行或每一步生产均单独釜进行；为改善装置操作的时间排列，何时采用并联的间歇设备较为有利；需多少台中间贮罐，如何布置；进行工程经济考核决策，如果经济效益不好，存在潜在效益呈负值时，要寻找其他方案或终止项目。
2第二层：确定流程图输入-输出结构（原料-产品）
每一步反应进料在加料前是否需要预处理；副产物是移出还是循环；是否需要采用气体循环和放空；某些反应物是否值得回收并循环；有多少种产品产出；确定输入-输出结构的设计变量（如原料配比、反应时间、操作温度、压力等）以及与之相应的投资变化；进行工程经济考核决策，如果经济效益不好，存在潜在效益呈负值，这时要寻找另外的方案或终止项目。
3第三层：流程图的循环结构
需要多少个反应器系统，反应器系统之间是否涉及分离问题；需要多少物料循环使用；在反应器进料中是否有过量反应物；是否需要气体压缩机和制氮机，费用几何；反应器是绝热操作或用直接加热或冷却，加热或冷却采取何种介质；是否考虑改变平衡转化率，如何改变；反应器费用对经济潜力的影响多大，经济潜力=产品价值-原料费用；最后进行工程经济考核决策，如果经济效益不好，存在潜在效益呈负值，这时要寻找另外的方案或终止项目。
4第四层：分离系统的总体结构
反应器的出料有三种可能：如为液体，需考虑液体分离系统；如为两相混合物，可把化工反应器制成带有相分离功能；如全是蒸汽，需考虑蒸汽回收系统。（1）蒸汽回收系统①确定最佳位置，是在反应器出口直接接冷凝器还是经过一段冷却管路后接冷凝器。②选择最经济的蒸汽回收系统，是依次用循环水冷却—新鲜水冷却—低温水冷却；还是一步到位的直接用低温水冷却。（2）液体分离系统①如果轻组分会污染产品，应该怎样将其去除；②这些轻组分去向应是什么；③是否需要循环与反应物形成共沸物的组分，或是应分割这些共沸物；④蒸馏可以完成哪些分离；⑤采用何种形式的塔，怎样排列顺序；⑥若蒸馏不可行，应怎样完成分离；（3）进行工程经济考核决策，如经济效益不好，存在潜在效益呈负值，这时要寻找其他方案或终止项目。
5第五层：热交换器网络
以能量集成分析为出发点计算换热器网络的最低热量和冷量，热交换器网络其实就是节能设计。使反应系统以最低的加热量和冷却量，并以最低能耗和最少换热器台数来实现最佳的生产目的。其基本过程为：向高于夹点温度的过程供热；向低于夹点温度的过程移出热量；确定换热设备台数；进行工程经济考核决策，如果经济效益不好，存在潜在效益成负值，这时要寻找另外的方案或终止项目。除上述五层分层决策外，还要考虑安全环保方面的制约条件，只有这些全部满足经济考核决策要求，这个项目才是成功的项目。
6结论
第5篇
作者：孙立 单位：中铁第四勘察设计院集团有限公司
注重无砟轨道排水设计轨道结构设计过程中应该全方位考虑排水设计及其可靠性和耐久性。水永远是无砟轨道结构最持久的敌人，也是无砟轨道能否保持60年使用寿命最主要的控制因素之一。因此，在进行无砟轨道结构设计，尤其是隧道内无砟轨道结构设计时应该特别重视无砟轨道结构的排水设计，并将无砟轨道结构的排水设计纳入整个线路排水设计系统。在实际轨道结构设计工作中，对于CRTSII型板式无砟轨道侧向挡块的设置影响轨道板表面排水、CRTSI型框架板式无砟轨道框架内排水这些在运营过程中已经发现容易积水的部位应该进行特殊设计。对于板式无砟轨道梁面采用中间排水，为了将轨道二侧的积水排到中间排水沟而采用在轨道板内预留圆形、半圆形的排水管，尤其在南方雨量较大，且暴雨比较集中的地区证明其效果均不佳，在实际采用中应该慎重，因此敷设板式无砟轨道范围的桥梁最好采用三面排水的方式。隧道内漏水一般具有较强的腐蚀性，为了避免腐蚀性渗水影响无砟轨道的耐久性，在实际设计中应该确保隧道排水措施到位，针对无砟轨道设计应该在二线之间设置中间排水沟，同时保证可能的渗水低于无砟轨道结构底面。在路基地段，一直存在中间堆高表面敷设混凝土结构(含沥青混凝土结构)和中间设排水沟两种方案，两个方案各有优缺点，前一个方案还存在表面敷设素混凝土还是沥青混凝土的区别。应该说在北方寒冷地区，采用中间设置排水沟，由于该方案需要在路基中埋设横向排水管，一方面对于路基的整体性产生一定的影响，另一方面即使排水管按照设计要求位于冻胀线以上，个别情况下还是存在横向排水管冻裂、冰块堵塞排水管等现象影响排水的通畅，因此在北方严寒地区建议采用二线中间堆高表面敷设混凝土结构向轨道二侧的排水方案。相比较北方雨水较少，南方地区雨水丰沛;另一方面，二线中间堆高表面敷设混凝土结构向轨道二侧的排水方案由于存在无砟轨道轨道板(道床板)与堆高表面敷设混凝土结构之间缝隙封堵困难，且封堵遇水膨胀橡胶条的耐久性满足设计要求困难，因此建议在南方雨水地区采用中间设置排水沟的排水形式。明确轨道施工要求轨道工程施工图设计应该强调对于施工中的重要部位提出重点的施工要求。尤其对于施工缝的处理，对于其钢筋搭接率、新老混凝土界面应该说明详细的处理措施及施工注意事项。
桥梁地段单元轨道结构设计在桥梁梁缝地段轨道结构是单元还是连续、无砟轨道单元结构长度多少合理，国内进行了大量的研究和实践。从CRTSII型板式无砟轨道的设计理论和实践经验来看，桥梁地段无砟轨道的单元长度当然可以确定为无限长。从结构设计原理的角度来进行分析，无砟轨道的单元过长，其内部结构受力舒缓需要通过限制位移的方法来保证轨道结构的几何形位，其前提必然是相关限位措施和桥梁、底座板、轨道板以致钢轨的合龙或锁定温度及其关系必须得到严格控制，否则轨道结构的稳定性必将受到影响，进而影响轨道结构部件的强度和稳定性、耐久性。因此应该针对目前出现的CRTSⅡ型板式无砟轨道板与水泥乳化沥青砂浆离缝及其拍打问题、CRTSⅡ型板式无砟轨道板滑动层窜出及其维修问题、CRTSⅡ型板式无砟轨道轨道板承轨台开裂、CRTSⅡ型板式无砟轨道宽接缝裂缝及轨道板预裂缝裂缝宽度过大等问题展开深入研究。路基地段单元轨道结构设计德国高速铁路即是路基地段轨道结构采用连续结构，其最大的优点是路基地段无砟轨道支承层可以采用水硬性支承层代替钢筋混凝土结构，降低轨道工程造价;另外一方面，路基地段德国无砟轨道设计理念借鉴了高速公路从路面到路基刚度递减的设计理念，而高速公路路面与下部路基结构之间即敷设了一层水硬性材料。相比较CRTSI型板式无砟轨道在路基地段轨道板采用单元结构，底座采用3～4块轨道板长度的钢筋混凝土长单元结构，CRTSI型双块式无砟轨道结构必须采取一定的结构设计及施工措施控制混凝土裂纹，并且从目前国内外几条建成通车的高速铁路来看，国内虽然对于CRTSI型双块式无砟轨道道床板裂纹控制取得了一定成效，其裂纹宽度基本控制在0．2mm规范允许的范围内，但是从根本上避免CRTSI型双块式无砟轨道道床板裂纹存在一定的技术困难。第二，为了控制CRTSI型双块式无砟轨道道床板两端的稳定性，必须在道床板两端一定范围内设计较强的限位措施，如端梁、销钉等，并且需要制定完备的施工质量保证措施，否则容易导致路基地段连续道床板结构两端鼓起，严重情况下可能导致设置的端梁结构失效。第三，连续道床板结构保持在线路上的稳定的前提是道床板结构与支承层之间保持可靠的粘结，因此在施工过程中应该保证支承层表面的拉毛质量符合设计要求，尤其在施工合龙地段，其支承层拉毛容易被施工车辆破坏，因此在施工道床板之前应该确保支承层拉毛满足要求，且支承层表面的浮渣等清理干净。
无砟轨道结构设计是一个系统工程，结构设计一方面应该与桥梁、隧道、路基等相关工程协调，而且应该考虑环境因素、施工因素、运营维护因素、轨道工程内部各组成结构等的影响和相互作用。坚持单元设计理念，合理确定轨道结构单元的长度。另外一方面，针对目前敷设的连续轨道结构，尤其是桥梁地段跨越梁缝的CRTSⅡ型板式无砟轨道，应该针对目前的运营现状，有针对性开展系列监测活动，并对监测结果进行分析研究，一方面形成连续敷设无砟轨道理论计算体系并确定相关主要设计参数，另外一方面积累数据编制CRTSⅡ型板式无砟轨道的养护、维修规程。
第6篇
该阶段包含了两个基本活动环节：组内创意互动和组间创意交流。
1.组内创意互动，指就给定的某个主题（本项目中如“中国消费者喜欢的形状、外观等”）进行快速创意表现，并将自己所画的表现图贴在每个房间墙壁上；接着，每人从所有其他人的表现图中挑选自己喜欢的图进行“提升和完善”；然后，将这些经过自己改善过的别人的创意表现图和自己最初的创意想法结合，并做出满意的组合；最后，所有人以小组形式从这些组合创意图中提炼出创意点，并以便贴备注形式贴于创意表现图四周。
2.组间创意交流，指各小组从所有的创意表现图及创意点中挑选出感兴趣的，在此基础上进行创意发散；接着，对二次创意点进行故事板表现；然后，依据表现的场景进行产品概念设计；最后，小组合作进行创意概念的展示。
二、目标对象的初识
在该阶段对目标对象有了初步认识，参与学生被重新分成小组，就给定的主题（本阶段如“家居风格的趋势”、“奢侈品或服务购买/体验经历”“、休闲时光”“、私家车”等）进行两个小时的讨论，最终形成展示文稿；然后，根据各小组的展示详情，挑选出趣点，再重新分配小组成员，形成最终的小组分配；最后，经过多次“采访者-被访者”循环模拟入户调研情况，实施入户调研（包括目标消费者家中和奢侈品销售/体验店两种类型）。
三、理解被访者
首先，在入户调研得到的影音资料基础上，构建角色模型，并进行组与组之间的信息互换；接着，从墙上找出与角色匹配的创意想法；然后，提炼出直接和间接的需求点；最后，形成报告文稿。
四、创意表现和甄选
首先，每组挑选出三个感兴趣的概念，进行深化，并按照以下核心问题展示给其他队员和导师：
1.它能提供给消费者的核心价值是什么？
2.市场上类似的产品是什么？
3.它的独特性何在？
4.它如何传递品牌的理念？然后，通过所有人讨论评估，每组决定出最后两个可以作为最终产品开发的概念，并作快速的sketch和storyboard表现；最后，根据既定的限制范围，做出需求和创意间的平衡。
五、设计概念的深化
就每组的两个最终概念做行业预估找出市场中的竞争点和消费的核心价值，以此做快速表现，并为此概念命名。
六、设计概念展示与设计活动的展开
将概念产品进行讲解展示。探讨概念如何实现的问题，选择那些尚未有成熟产品问世，且未被以往产品使用过的新技术；概念的制造和成本问题；概念产品的材质和色彩；产品的销售方式等。此外，还要考虑其体验模型和物理模型的展示。
七、物理/交互模拟模型
电子工程、设计学、心理学和机械工程专业的同学就共同探讨过的展示概念进行模型制作。
八、模型的完成、展台和视觉传达方面的设计
对所有模型的完善，并完成如何在短时间内进行有效信息的最大化传达。
九、最终展示和评选
第7篇
1)实验任务。概念设计任务为:能够进行前后角度范围约60°的调节;升降范围约30cm;可以采用纯机械调节，也可以采用机电液一体化控制;可以进行任何有创意的构思，先不必考虑是否实用。受试者根据概念设计任务构思一种靠背可倾斜、座板可升降的可调座椅，要求给出其原理方案及相应的总体结构方案，即完成可调座椅的概念设计。受试者必须将其内隐的设计构思过程完整地记录下来，并通过三维CAD软件进行表达、构思和修正，以此来完成可调座椅的原理方案构思与总体结构方案的设计。图1和图2所示分别为某受试者设计认知过程的原案笔录数据截图和相应可调座椅的三维CAD概念模型。整个设计任务可以分解成10个子任务:倾斜机构方案、倾斜机构定位、升降机构方案、升降机构定位、功能构件表达、倾斜机构三维CAD模型、升降机构三维CAD模型、总体虚拟装配、运动干涉检验和干涉部位修正。2)实验样本。受试者由机械专业研究生组成，拥有大致相同的机械设计知识背景，因此他们的同质性较好，具有较好的代表性。受试者都是自愿参加实验的。根据文献［13］中“总体的同质性越好，所需的样本容量就越小”的原则，又参考Bilda等人［14］的一个相关实验(样本容量n=6)。笔者邀请了15位受试者参与测试，其中1位受试者的设计结果过于简单，不能完成设计任务被淘汰，最终本研究选取14位受试者参与实验。3)实验过程。受试者开始对设计任务进行分析和构思，实验即正式开始，实验过程全程录像。为尊重受试者的设计习惯，本研究并不强制要求受试者发声思考。对于特别不适应发声思考的受试者，要求其笔录自己的构思过程。受试者如有疑问，可以向主试者询问，也可以向其他专业人员咨询。疲劳了可以离开，稍事休息。受试者在笔录设计构思过程中，如果要修改前面的构思，则应保留前面的原样而另行记录。同样，在CAD环境里进行修改时，必须将前面的构思另存为新文件，再进行修改。4)数据采集和处理方法。本试验采用秒表计时，并记录受试者在设计工作中发生的每一个操作和行为表现，包括思维活动表现。本实验采用原案分析法记录设计认知活动，运用SPSS15．0软件处理实验数据。
2研究结果
2．1设计型知识工作过程的分解
对受试者设计认知活动的整个分解过程包括如下两个步骤。步骤1:分解和汇总。首先，分别对14位受试者沿着时间顺序，按照功能性原则和可测性原则进行设计过程的细分。然后，将分解得到的工作单元分别归入创造性工作单元、事务性工作单元和无效工作单元，之所以划分为这3类工作单元是基于设计型知识工作的如下特性:1)设计工作本质上是一种知识创新活动［15］。2)设计工作也像体力工作一样，包含大量的事务性劳动。3)知识工作具有非连续性，而且不可避免地会受到一些外界因素的干扰。这些特性在不同活动中所占的分量不同，以哪个特性为主，工作单元就归入相应类别。设计型知识工作过程包含的工作单元如表1所示。步骤2:分析和提炼。“思考”应包含审题、静思和回忆等活动。“思考”是一种过程，而“发现”是一种结果，“发现”往往引出一些事务性工作单元如“记录”、“打字”、“CAD操作”、“选择”，甚至是“交流”等，这时，“发现”可以看作是“思考”和其他工作单元的分界，也可用来识别这些工作单元。“讨论”指围绕疑难问题所进行的互动，当然，讨论的形式不仅仅是口头的，还可以通过IT平台讨论。“决策”不能狭隘地理解为一种领导行为，本文研究的“决策”是从工作单元的性质上讲的，是对日常设计问题的决定。至于设计人员所特有的“草绘”行为，在现代制造环境下，既包括徒手草绘，也包括CAD草绘。“查找”、“记录”和“咨询”都是信息接收阶段。在现代制造环境下，操作软件系统成为设计型知识工作者的日常活动，其中一部分“打字”活动可归入“记录”活动，属于信息接收阶段，另一部分“打字”活动与“CAD操作”活动合并为“软件表达”，它们属于信息输出行为。“交流”不能与“讨论”混为一谈，它指信息的相互传递。“计算”包括徒手计算和用计算器计算。“选择”指对现有信息或方案的挑选，其中包括一部分对软件系统的操作活动。“交流”、“计算”和“选择”都包含信息接收和信息输出。与Gilbreth夫妇的动素分析范式一样，在设计型知识工作中也存在“无效工作单元”，比如“插话”、“等待”、“间歇”、“接电话”和“打断”等。其中，“插话”、“接电话”特指外界对设计工作的打扰，是被动的，可以归入“打断”。对于设计人员主动给外界打电话的情形，可以相应地归入“交流”或“讨论”。“等待”是在任务中止或信息系统运行较慢时所产生的停顿，包括问题无法解开时暂时放下工作的情形。“间歇”是指因饮食、休息等生理需要所产生的停歇。经过上述分析，本文提炼出如表2所示的3类工作单元。其中，创造性工作单元5种，事务性工作单元7种，无效工作单元3种，共计15种工作单元。
2．2假设检验
假设H0等价于设计型知识工作的信息加工时间t1与信息接收和信息输出两者时间之和t2的比值(t1/t2)的期望μ，其值等于0．25(即2/8=0．25)。各个创造性工作单元的时间相加得到信息加工时间t1。各个事务性工作单元的时间相加得到信息接收与信息输出两者时间之和t2。需要注意的是，接下来的假设检验中不考虑无效工作单元所占用的时间。为检验假设H0，运用SPSS15．0统计软件对t1/t2进行单样本T检验(one-sampleTtest)，结果如表3所示。表3中，Sig．(双尾)是统计值t的显著性概率p。p=0．495＞0．05，表明统计值t落在t0．025的左侧;95%置信区间［－0．0163，0．0321］的两个端点一负一正，表明置信区间必然覆盖总体均值(即期望μ)。这两点都说明应当接受假设H0，即对于设计型知识工作而言，信息加工时间t1与信息接收和信息输出两者时间之和t2的比值符合帕累托法则。
3分析与讨论
通过实验可以看出，创造性工作单元所占比例较小，有的受试者创造性工作单元的时间比例甚至低于10%。但之所以称其为知识工作，是因为整个工作过程是围绕知识创新来进行的，这也正是知识工作方式与传统工作方式的根本区别。在本文的设计活动中，知识创新体现在设计者运用经验、知识和灵感进行任意的功能创新及结构创新。就像Drucker［2，16］发现影响知识工作效率的6个因素与泰勒的科学管理原理(Taylorism)正好相反一样，本文也有类似发现。1)“思考”、“发现”、“查找”和“选择”这4种工作单元是知识工作方式与传统工作方式共有的，但它们在两种工作方式中的重要程度很不一样。在Gilbreth动素分析范式的18种动素中，“思考”、“发现”、“查找”和“选择”在体力工作中属于辅助动素，除非是非用不可，在设计工作中会尽量取消这类动素。但是，这些工作单元在知识工作中却不是可有可无的。比如“思考”、“发现”等工作单元就起着核心作用，正是它们决定了知识工作的本质。又比如“查找”、“选择”等工作单元，正是它们完成了大量的事务性知识工作。2)在Gilbreth夫妇的动素分析范式中，无效动素(拿住、延迟、休息和耽搁)是必须设法消除的。但在知识工作中，无效工作单元(打断、等待和间歇)尽管对工作的进展没有直接的作用，可它们是一种常态，不便消除。比如，“打断”往往是不可预料的因素所致;“等待”往往与知识工作的非连续性相关联，很多设计灵感正是在等待中乍现。最后，本文在实验数据记录方面和时间计算方面需要做两点说明。1)实验所采用的记录方法虽然与工作日写实的方法比较相似，但是本实验并没有将记录的工作单元与实际工作内容建立一一对应关系。因为一项具体的设计工作会涉及很多专业性较强的术语，这些并不是本文必须关注的，本文研究的目的是要挖掘出设计型知识工作共有的构成单元及其比例关系。2)在实验中，本文将设计工作的各个组成部分视为是互不交叉的。然而，这些工作单元在实际工作中并不能截然分开，比如“草绘”和“思考”，设计人员在徒手草绘或CAD草绘时很可能也在思考。但科学研究中为了研究方便，往往会先将问题简化，然后再进行研究，本文也是如此。因为草绘是设计所特有的一种认知活动，所以将它与其他的思维性活动分开。
4结语
第8篇
起落架接地点参数设计
起落架接地点的设计要根据飞机的重量、重心包线、几何外形、执行任务等来确定。在给定输入条件后，要使得接地点的设计满足飞机结构、漂浮特性和使用特性的需求。
1起落架布局形式
现代民用航空运输飞机大多选用“前三点”式起落架布局形式。与“后三点”式起落架布局形式相比，这种布局形式可以使得飞机在地面状态时，客舱基本呈水平状态，有利于改善驾驶员视界，减小起飞滑跑初期的高阻力。由于主起落架在飞机重心之后，飞机在刹车、地面操纵时具有很好的稳定性，同时在飞机着陆时，主起落架会产生一个使飞机低头的力矩，帮助飞机减小着陆攻角，有利于减小着陆场长。该种布局的缺点主要集中在主起落架接地点的选取，即如何处理好在最大限度满足各种使用特性的前起下，使得主起落架在收藏空间、结构形式上合理、可行。
2起落架接地点参数设计
起落架接地点的设计原则是在满足飞机使用安全性的前提下，依据飞机的重量重心、几何外形等特征参数，最大限度地满足飞机在滑跑、起飞和着陆阶段的使用要求。同时，还要考虑飞机系列化发展的需求。
2.1主起落架纵向接地点设计
(1)飞机起降特性限制
主起落架纵向接地点参数包含接地点的纵向站位（用%MAC表示）和接地点距飞机客舱地板高度的距离。其参数的选取主要受到飞机起降所需求的迎角θ的限制。为了满足飞机的正常起降要求，飞机的起飞迎角要求不小机的着陆迎角，对于干线飞机，一般在8°～10°。同时，要重点考虑飞机单发起飞时的极限迎角需求，一般是在正常起飞迎角的基础上增加1°左右。
在初始设计阶段，如果有足够的数据支持，也可以通过计算分析的手段，将飞机腾空时的迎角θLOF作为输入条件，其计算公式如下：其中，αLOF为正常起飞时预期的最大迎角，VLOF为正常腾空时空速，CLLOF为对应VLOF的升力系数，为升力线斜率。l1和l2参数如图2所示，分别表示主起落架全伸长状态接地点与飞机尾擦点连线与停机状态地面线相交的两段线长度。对于干线客机，飞机抬头率一般取4°/s。此外，还需要考虑飞机系列化发展的需求，给系列化家族中的加长型飞机在起落架布置上留有必要的空间。对于干线客机，基本型飞机最终确定的起降迎角一般是在其起降需用迎角的基础上增加2°～4°，要视客舱增加长度和机身后体修行的具体情况进行分析确定。
(2)飞机结构设计限制
现代民用运输机大多采用高气动效率的超临界机翼，其外形的一个显著特点是后缘部分收缩剧烈，这就给下单翼布局形式飞机的主起落架收藏带来了较大的空间限制。另外，采用较后的主起落架接地点，可能会出现主起落架的转轴较长，主支柱后倾角较大，主起落架转轴偏角较大等设计情况，这些都会造成主起落架重量和寿命上的损失。所以在设计之初，要依据飞机的结构特点，主起落架的接地点不能过于靠后。
(3)翼下吊大涵道比发动机限制
现代民机的另外一个特点就是普遍采用油耗小、噪声小的大涵道比喷气发动机，而随着民航业环保、节能要求的提高，发动机会采用更大的涵道比，其对应的短舱直径也有较大增加。目前下一代新研发的发动机涵道比已经增大到12左右。为了满足短舱与地面的间隙要求，就需要起落架有一定的长度来支撑飞机。对于翼吊布局的飞机，其短舱与地面的最小间隙为458mm（18in）。
(4)地面维修高度限制
飞机机体表面设有许多检查、维护口盖，根据机场现有的维修程序和维修设备的需要，同时考虑人机工效学，需要对飞机的高度有一定的限制。
(5)主起落架纵向接地点参数选取限制
基于上述分析，可以绘出主起落架纵向接地点参数选取区域限制图，如图3所示。对于采用放宽静稳定技术的飞机，其重心后限位置较后，在考虑加长型发展空间的基础上，基本型飞机不可能在狭小的参数选择区域内选取到防倒立角大机擦地角的主起落架纵向接地点位置，这也是现代民机主起落架布局设计的一大特点。在可选域的参数选取中，要考虑在最严重的重量、重心组合的情况下，使得选取参数对应的飞机防倒立角能尽可能的比飞机运营过程中起降的最大迎角θ大。
2.2主起落架横向接地点设计
主起落架横向接地点即表示飞机的主轮距（用%SPAN表示），其参数的选取也受到多重因素的制约，如图4所示。
(1)主起落架收藏空间的限制
在选取主起落架纵向接地点参数后，就需要开展主起落架横向接地点的设计，即在飞机上进行合理的空间布置，满足主起落架对收藏空间的需求。
在起落架收藏的概念设计中，需要考虑轮胎的膨胀、膨胀轮胎与收藏路径上各种结构件的间隙等影响主起落架收藏的主要因素。轮胎主要考虑充气膨胀间隙和由转动引起的形变间隙，在名义轮胎尺寸的基础上，加上这两部分间隙变化尺寸，构成起落架收藏设计中的“协调用轮胎”尺寸。由于“协调轮胎”所考虑的膨胀和转动形变间隙均为最小间隙，加之飞机后继机对特殊机场适应性要求的需要，因此对于“协调用轮胎”在径向方向与收藏路径上各种结构件的间隙就需要留有足够的空间。
(2)主起落架转轴结构布置空间限制
主起落架的展向位置设计被限制在机翼后部由后梁和襟翼辅助梁所形成的“三角区”，如见图5所示，主起落架过分的沿展向靠外布置，会过分挤压起落架转轴的布置空间，给起落架转轴设计增大难度。其具体限制条件可依据机翼后梁走向、机翼kink位置、主起落架接头形式、襟翼舱布置空间、管线布置空间需求等确定，见图4中条目2。
(3)侧风与单发着陆限制
飞机在侧风或单发着陆的过程中，会带有一定的滚转角Φ，一般在5°～8°。在主起落架横向接地点位置选取时，就需要考虑由机带滚转角着陆，发动机短舱与地面之间的最小安全间隙，一般要大于152.4mm（6in），见图4中条目3。
(4)机场使用限制
飞机机场适应性所包含的内容很广，其中有一条是根据机场的不同分类对飞机的几何参数进行限制，具体限制如表1所示。
2.3前起落架接地点设计
(1)操纵稳定性限制
前起落架和主起落架的接地点构成一个平面，有效地支撑住飞机的重量，当飞机的重心及主起接地点确定后，需要合理的选取前起落架接地点的位置，以确保飞机在侧风及地面转弯时的稳定性，一般用侧翻角Ψ表示，如图5所示。对于民用飞机，该角度不应大于63°。
(2)载荷分配限制
合理地选取前起落架的接地点位置，能较好地分配起落架所承受的载荷。一般情况下，前起落架的载荷系数为8%～15%，见图5。当前起落架接地点过于靠前，前起落架的载荷较小，会使得飞机在小重量状态下，前轮丧失部分或全部操纵性。相反，当前起落架接地点过于靠后，前起落架的静态载荷较大，在刹车产生的附加载荷作用下，很可能超过前起落架的设计强度。因此，需要合理地安排前起落架接地点的位置。
(3)结构设计考虑
起落架上的载荷需要传到飞机机身，为了减少飞机重量，需要使载荷的传力路径最短，最合理的方式是在靠近加强框的位置进行布置。
(4)飞机停机角设计考虑
由机在停机时其重量、重心会有不同的组合，因此飞机的停机角是一个范围，目前民用飞机的停机角范围是-1°～1°。可以根据停机时客舱地板水平或是有轻微低头的需要来选择前起落架的长度。
飞机地面180°转弯检查
飞机起落架接地点确定后，在地面操纵时，除了要满足之前所述的安全性、稳定性和操纵性要求之外，还需要满足在预期的最低运营机场跑道宽度的条件下，实现飞机180°转弯的要求，如图6所示。对于超大型民用客机，会对飞机的接地点设计产生一定的影响。ICAO附件14卷Ⅰ中机场跑道宽度要求和起落架距跑道边界安全间隙要求分别见表2和表3。式中，b表示飞机的前主轮距，t表示飞机的主轮距，β表示飞机前起落架的转弯操纵角，s1表示主起落架图6飞机地面180°度转弯外侧双轮间距，s2表示前起落架外侧双轮间距。
当选定最低跑道宽度和对应的安全间隙后，根据公式（2）计算出前起落架转弯操纵角β。一般情况下，还需要考虑轮胎的侧滑现象，即在求出的前起落架转弯操纵角β上加3°～5°，该值以不大于45°为宜。
第9篇
所谓的结构概念设计就是指用与结构设计相关的理论指导实践的设计工作。而如果在设计的时候，如果缺乏理论的指导，那么建筑在结构设计上就变成了个人的主观设计，而不是理论层面接受的设计。当然在结构设计的时候，其理论应该是科学的合理的，符合现行社会和经济发展的，而且在设计的过程中，先进理论和先进工具的应用也是必须要考虑到的，不能出现落伍的情况。在进行结构设计的时候应该从以下三点进行考虑。
1．1方案选择的合理性设计方案的选择是十分重要的，不仅关系到以后工程的质量和结构，还影响着人们的居住。在结构方案的选择上，要遵守科学、合理、发展的原则，而且由于很多种因素都对设计方案造成影响，所以设计出来的方案就是多种多样的。方案设计出来了，又面临着合理的选择上，方案选择的不好，日后发生的后果不堪设想，所以应该进行认真的分析比较，选取的方案既要科学合理，又要经济，所以方案的选择很重要。在对设计方案的可行性进行选择的时候，要对建设地及施工材料等进行全面的分析，保证每一个环节的科学合理，还要有专业人士对各种影响设计的因素进行评估分析，选择出科学合理的结构概念设计方案。
1．2结构简图的科学性结构概念设计首先要有科学专业的理论作为支撑，而且一般情况下利用结构设计简图对结构概念设计的合理性进行评估。在结构简图的选择上，要遵照安全和准确的原则，选取合理的简图。因为如果选取的简图不够科学，那么相应的结构概念设计也会出现相应的错误，甚至对工程的质量问题造成巨大的影响。所以说，结构设计简图在制作时应该做到精确、科学，使出现的误差也在可控范围内，应该进行严格的审查，保证简图的质量。
1．3对计算的结果进行准确分析随着社会和经济的发展，信息技术被广泛的应用，特别是在数字的计算等方面设计出种类繁琐的计算软件，可是各计算软件在计算的结果上确实各不相同，让使用者也不知道哪个是正确的，所以在工程的设计中计算工作经常出现混乱。在进行设计时，软件的选择很重要，应该对各个软件进行系统化分析，根据工程的实际情况和设计的原理等，选择适合的软件，确保计算结果科学准确。
2如何在结构设计中运用概念设计
2．1建筑场地的合理性选择建筑场地的选择影响着结构概念设计的结果，所以说对结构设计来说非常重要。建筑场地的选择要符合施工的条件，同时满足采光、水电、噪音等多方面的考虑。最重要的一点，就是应该考虑建筑场地的抗震能力。选择的地点必须是抗震效果比较好的地点，以免发生危险的情况。一般在工程的初步设计之前就要进行建筑场地的科学选址和勘察，如果施工场地确实不允许，又必须在此进行建设，那么就应该做好科学有效的手段来降低危险系数。
2．2建筑基础的科学化应用建筑场地进行合理选择后，紧接着就是对建筑基础的科学化选择上，在选择的时候要根据建筑场地的地形和地质结构等进行分析，选取合理的建筑基础。一般在建筑基础的选择上有以下三种情况:
(1)桩基础。在地质比较松软或者负重比较大的情况下，大多会选择桩基础，因为桩基础能够使下部对上部进行力的承载;
(2)箱形基础。箱形基础的安全性比较高，抗灾能力比较强。一般高层建筑中会应用箱形基础。是因为箱形基础使下部的承载力实现均匀分配，保持地基的受力均匀;
(3)筏形基础。筏形基础能够实现分散建筑上部结构承载力，是下部承载力减弱，对地基进行力的控制，不出现地基的不均匀沉降。
2．3结构规则的合理应用建筑结构中只要保证非结构件的正常稳定运转，就能使建筑材料的成本实现降低，因此主体建筑结构的选择，要做到合理、科学和对称性，在多数的施工中，实现抗侧力主体结构的对称，所选择的平面结构也应该是容易形成对称结构的。当然，具体情况具体分析，还要根据实际情况进行选择，同时符合平面工程的科学设计。
2．4抗震抗灾能力的强化建筑设计和施工的成功与否，不只是外型和质量的方面，还有抗震抗灾上的需求。所以机构概念的设计，要考虑到抗震抗灾的问题，在设计时要多增加防线，以期实现减弱地震的危害性。当然结构的变化也能起到抗震抗灾作用，比如安装特定的原件，使得建筑体对地震的破坏力进行有效的减弱。
2．5结构刚度科学化选取建筑结构在刚度的选择上至关重要，而且在建筑结构概念设计中也必须遵守刚度的要求。结构刚度可科学化选择，是保证工程质量的有效措施，还能够对地震等灾害起到危险性降低的作用。与此同时，结构刚度的科学化选取还能扩大空间的占有率，使建筑平面的利用率等都能得到合理的利用。
3实施结构概念的措施
为了提高设计的科学性和合理性，同时保证工程的质量和安全，在进行结构概念的设计时，主要运用以下几种措施:
(1)在建筑场所的选择上，要选择抗震性能比较高的，如果选择的场所抗震性能较差同时还必须在此施工，那么要进行科学的补救措施，以免造成不必要的危险;
(2)在结构材料的选择上，要选择抗震系数比较高的结构材料，而且选取的材料还应具有良好的均匀性，满足抗震的要求，保证安全性;
(3)在结构构件的组合上，添加赘余等组件，减小地震的破坏性，也可以多增加防线;
(4)在构件的延性上下功夫，通过采取多种有效的手段，提高刚度和承重能力，增加抗震的能力;
(5)在构件的连接上，保证结构的整体性和统一性，加强对节点的控制，保证其连接的质量;
(6)实现所有设计的完全一致，在相关的数据等方面做到精确一致，保证方案的科学化和合理化。
4结束语
第10篇
相对于传统反馈调节稳速方案,新型自稳速方案主要特征在于:免去了较复杂的信号采集/控制装置,需实时调节的变频电源和变速电动机替换为无需实时控制的恒频电源和恒速电动机,并添加了差速器和齿轮对,方案如图4所示。系统时变输入转速nJ通过平行轴齿轮对同时传递到差动轮系的轮架和差速器的左轮,差速器的右轮由恒速电动机以常值转速nM驱动旋转,差速器的壳体与差动轮系的齿圈以齿轮啮合的形式连接,差动轮系的太阳轮为系统输出端。齿轮对传动比为iCLD,壳体与齿圈传动比为iKQ。为使差动轮系太阳轮转速稳定,差动轮系齿圈转速nQ应满足式，由式(4)可知,nK由时变值iKQ(1+1/u)nJ和一个理想常值-iKQn*T/u叠加。式(2)可知,差速器具有转速叠加的功能,故差速器左轮的时变转速iCLDnJ和右轮的常值转速nM叠加后传递至壳体,从而使壳体转速nK满足式(4)。结合式(2)和式(4),差速器左轮转速nL与右轮转速nR分别为式(5)所示为左轮转速nL与时变输入转速nJ的关系,应将传动比iCLD与传动比iKQ按下式进行选值:6)设定。时变输入转速nJ经过传动比为iCLD的齿轮对变速后,驱动差速器左轮旋转,电动机驱动差速器右轮以常值转速nM旋转,叠加后的壳体转速等效于传统反馈控制调节的变速电动机的转速。
2仿真分析
将传统反馈调节稳速机构用于风力发电传动系统,在时变风速的驱动下,风轮以时变转速旋转,风轮转速经增速箱提速后驱动差动轮系的轮架旋转,差动轮系的齿圈由变速电动机驱动,差动轮系的太阳轮与同步发电机转子连接。传统反馈调节稳速机构的调速过程为:采集轮架时变转速信号后,按式(3)计算得到齿圈所需要的转速,相应调节变频电源的供电频率,使变速电动机驱动齿圈以特定的转速运行,通过齿圈调节太阳轮转速至稳定,从而使同步发电机恒频输出。将新型自稳速机构用于风力发电传动系统,在时变风速的驱动下,风轮经增速箱传递时变转速到图4所示自稳速机构的平行轴齿轮对,太阳轮连接同步发电机。新型自稳速机构的调速过程为:按式(7)设置平行轴齿轮对传动比iCLD、壳体与齿圈传动比iKQ,并按式(6)设置恒速电动机的常值转速。根据式(2)、式(4),利用差速器的转速叠加功能,使自稳速机构中差速器壳体的转速等效于反馈调节机构中变速电动机的转速,从而使差动轮系的太阳轮转速稳定,与太阳轮相连的同步发电机转子的转速亦稳定。为对比传统反馈调节稳速机构和新型自稳速机构的调速效果,对采用上述两种稳速机构的风力发电传动系统进行了仿真(模型采用相同的输入便于对比分析),其建模方案为:在时变风速的驱动下,风轮经增速箱提速后,输入时变转速到不同的稳速机构,稳速机构驱动各自的发电机运行,如图5所示。
2.1FAST仿真输入转速
FAST软件由美国国家可再生能源实验室开发,可以对风电机组工作状态进行仿真[7]。采用此软件模拟了风电机组在不同风速下的风轮转速。取平均风速为9m/s、12m/s、15m/s和18m/s,并设置20%的湍流强度。仿真的风速如图6所示,风轮转速如图7所示。
2.2SIMULINK仿真输出转速
设置机构参数:差动轮系结构参数u=3,同步发电机额定转速为1500r/min。自稳速机构的参数如下:单级齿轮传动比iCLD=6,iKQ=4,电动机常值转速nM=1000r/min,方向与输入转速相反。为反馈调节稳速机构设计PID控制器和变频器[8]。利用Simulink软件按图5所示方案搭建仿真模型[9],用FAST软件仿真风轮转速作为模型输入,仿真时间为30s。在图6所示不同平均风速下,反馈调节稳速机构和自稳速机构输入同步发电机的转速如图8~图11所示,并将25~30s的曲线放大,以便于分析。相对于传统反馈调节稳速机构,自稳速机构在启动时能较快地上升到目标转速1500r/min,根据图8~图11中的局部放大图可知,自稳速机构输出转速偏差在暲1r/min范围内,而反馈调节稳速机构的输出转速比目标转速大,在1502r/min以上波动,相对于目标转速的偏差为2~10r/min。
3结语
第11篇
1.1喷雾机底盘功能分析根据对农药喷雾机的作业要求以及喷雾机底盘产品的功能需求分析，为满足复杂地形地貌环境下对多种植物进行植保作业的需求，喷雾机底盘应具备检测、行驶、转向等基本功能，以及轮距、地隙高度调整及底盘工作台旋转和喷雾系统升降等柔。用功能树表示如图2所示。喷雾机底盘各功能模块的分功能要求为：（1）检测功能模块在满足功能要求的前提下，应反应灵敏、动态响应好、稳定性高、经济实用；位置检测分功能对底盘的定位误差小，导航分功能的导航误差小。（2）行驶转向功能模块应满足作业地形地貌环境变化和作业要求的速度变化；动力分功能工作平稳，噪音小；转向分功能转向灵活，转弯半径小；传动和驱动分功能的驱动力足够，在不同地面作业时的行驶通过性好，传动结构简单，重量轻，能耗省。（3）轮距、地隙高度调整功能模块能实现轮距、地隙自动无级调整。（4）工作台旋转功能模块可使底盘工作成360°旋转。（5）喷雾系统升降模块可无级调整喷雾系统离地高度并加以保持。
1.2分功能的原理解按照功能树的结构分解，寻求分功能对应的原理解，将设计任务形式化表达为运动变换矩阵和约束矩阵形式，然后搜索事先建立好的运动变换矩阵数据库，进行匹配或功能分解，通过功能分解进行子功能的机构创新［19］，最后通过检查约束矩阵进行机构匹配和方案组合，由此可获得分功能的多个对应原理解［20］，形成总体的多个概念设计方案。例如：根据喷雾机底盘旋转工作台实现360°连续旋转，且转动平稳的总体设计要求；采用液压马达驱动，要求马达输出轴线水平，底盘工作台旋转轴线竖直，运动可逆。采用机构综合法生成底盘工作台旋转分功能原理解的步骤如下：（1）设计任务的形式化表达。建立运动变换矩阵（Motiontransformationmatrix，MTM）和约束矩阵（Constraintmatrices，CM）。（2）搜索匹配。用MTM与已建立好的其他数据库（事先已经建立好常用机构如齿轮机构、曲柄摇杆机构、螺旋传动机构等的MTM数据库）中的机构模块的MTM搜索匹配，若没有与式（1）等号右侧矩阵匹配的机构模块，则需要进行功能分解。本研究中可以直接搜索到相匹配的机构，分别为圆锥齿轮机构、蜗轮蜗杆机构，但是考虑蜗轮蜗杆机构运动的不可逆以及单级传动难于达到传动比分配和传动平稳等要求，故仍需进行功能分解。（3）功能分解。采用矩阵列变换（右乘变换矩阵）的方法，将MTM划分为一系列子功能矩阵。即：（4）检查新的MTM是否与数据库中机构模块的MTM匹配。与子功能1匹配的可选机构有：圆柱齿轮机构、带传动机构、链传动机构；与子功能2匹配的可选机构有：蜗轮蜗杆机构、圆锥齿轮传动机构。显然，这样的任意组合容易引起组合爆炸，不利于问题求解，因此必须对概念设计方案进行筛选，可从技术性、经济性、环境友好性等角度出发，剔除明显不合理的原理解，优先选用主要分功能的较佳解，以获得一个较小的、合理的、相互兼容的概念设计方案集合，然后对该方案集合进一步进行分析和评价，从中选取一个最佳方案，最终获得系统概念设计的最佳解。
1.3原理方案综合分析根据喷雾机底盘的设计要求，借助专家专业知识和各种经验知识进行综合评判，可知各部分原理解的优缺点。（1）检测功能。线性霍尔导航和电磁诱导式导航都需要在田间设置磁标志，且导航精度不高［21］；超声波＋红外线导航系统体积小、电路简单、价格低，已在小范围定位方面得到广泛应用；北斗导航有自主知识产权，但由于卫星数目的限制，还不能实现全球定位导航；GPS＋电子罗盘导航方式［24］通过GPS系统进行定位，电子罗盘测量方向信号，属于组合导航，导航精度高，但系统实现略复杂。综合考虑，本设计中的导航方式拟采用超声波＋红外线导航或GPS＋电子罗盘组合导航。（2）驱动和转向方式。单轮驱动结构简单，但在湿软地面上作业时因附着力小而易出现打滑，影响正常作业；采用四轮驱动产生的驱动力大，越野通过性好，但机构复杂，成本高；两轮驱动介于两者之间，是最常用的一种驱动形式。单轮转向在喷雾机底盘上应用较少，且在一定的速度区间易产生摆振现象［25］；四轮转向方式转向灵活，转弯半径小，可提高喷雾机的整体性能［26］，但转向机构复杂，设计实现难度较大；两轮转向使用比较普遍。综合考虑，本设计中的底盘可选两轮或四轮驱动转向方式。（3）轮距、地隙调整方式。手动有级调整方式结构简单、成本低，但需要对底盘零件进行拆卸，操作复杂，劳动强度大，适应性较差；采用液压无级式调整操作简单，变换平稳，可实现轮距、地隙高度等的连续变换，适应性强，但造价略高，液压控制系统的维护较复杂；采用齿轮齿条机构变换轮距或采用丝杆螺母机构调整地隙，需要设计机械传动系统，增加了底盘重量，使设计、制造成本增加。综合考虑未来农林作业需求和设计、制造成本，采用液压无级式调整更合适。（4）底盘工作台旋转方式、喷杆升降方式。带传动机构＋圆锥齿轮机构传动平稳，但过载情况下带会打滑；链传动机构＋圆锥齿轮机构传动平稳性较差，有一定的冲击和噪声，但不存在弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；圆柱齿轮机构＋圆锥齿轮机构传动比稳定，结构紧凑，制造成本略高。综合考虑底盘工作台转动的平稳性以及机构的紧凑性等要求，宜选取带传动＋圆锥齿轮机构或圆柱齿轮＋圆锥齿轮机构。喷杆升降采用丝杆螺母式或滚珠丝杠式都会使设计制造成本增加，因此选用液压举升式，结构简单且举升平稳。（5）动力。动力源的选择要考虑能带动液压马达和所有执行元件，因此动力要足够大，汽油机质量轻，起动性能好，但使用成本高；柴油机一般质量大，起动性能不如汽油机，但经济性能好，输出力矩大；电动方式污染少，环保性好，但若使用蓄电池，动力性和续航能力有待提高。综合考虑作业需求，拟选择柴油机或汽油机作为动力源。在以上分析的基础上，剔除明显不合理的原理解，然后进行方案的重新组合，表3所示即为3种较为可行的组合设计方案。
2喷雾机底盘概念设计方案评价
概念设计方案选择的评价方法主要有层次分析法、模糊综合评判法、模糊物元分析法、灰色关联分析法和实物期权理论等，但这些方法都是单个的理论，未采用多学科综合的评价体系，且专家主观意见影响颇大，容易使优选的结果出现偏差，而常用的模糊综合评价法又存在权重分配的难题。基于此，本研究提出采用基于模糊数互补判断矩阵的群决策法进行概念设计方案的评价，通过专家群对设计方案的两两比较，给出反映2种方案优越性的模糊区间数，在构建模糊互补判断矩阵的基础上，借助目标规划法进行建模求解，得出方案集的排序权重，以消除个人主观偏好的影响，且可信度较高，为方案集的决策判断奠定了理论基础。
2.1评价基本原理分析设有目标规划模型目标规划的目标函数是通过目标约束的正、负偏差变量和赋予相应的优先等级P（k）ij来构造的，决策者的要求是尽可能从某个方向缩小偏离目标的数值。
2.2喷雾机底盘概念设计方案应用求解首先确定评价专家组成员，分别由具有丰富喷雾机设计理论和经验知识的3名大学教授和具有丰富实践经验的执行喷雾机底盘研发制造的3名企业专家组成。然后给出评价准则，即要求专家对表3喷雾机底盘3种概念设计方案进行两两比较，以［0，1］之间的模糊区间数形式给出某种方案优于另一种方案的程度，精确到小数点后1位。专家组成员对表3的方案1、方案2、方案3两两比较后，大学教授综合认为方案1优于方案2的程度在区间［0．3，0．4］内，方案1优于方案3的程度在区间［0．2，0．5］内，方案2优于方案3的程度在区间［0．4，0．6］内。企业专家综合认为方案1优于方案2的程度在区间［0．3，0．5］内，方案1优于方案3的程度在区间［0．5，0．7］内，方案2优于方案3的程度在区间［0．6，0．8］内。显然，基于模糊数互补判断矩阵的群决策方法消除了个人主观偏好对评价结果可信度的影响，也可为其他农林机电产品的概念设计方案评价提供有益的参考。
3结论
第12篇
目前，各信息系统已经逐步成为现代企业的基础设施。在营业网点，各类业务都可以通过网络化信息系统进行处理，离开信息技术，很多业务将无法开展。上门服务远离营业网点，一般是现场采集业务处理数据，返回基地再进行业务的后续处理。信息处理不及时，因此不能提供一致的服务。所以，出门在外保持与邮政业务信息处理系统顺畅连接，是一个亟待解决的问题。解决这些问题的关键是研发一种成本低、功能齐全、支持移动且网络化的、满足业务初步处理的信息智能终端设备。移动通讯与互联网技术的发展，特别是移动互联网、物联网、云计算、大数据、4G／5G等新技术的逐步应用，为这些问题的顺利解决指明了方向。移动4G已经开始应用，移动网络的带宽成倍增长；终端设备的制造成本也逐步下降；通讯费用逐年降低；再加上蓝牙、Wi－Fi、GPS、互联网、液晶显示等技术的发展，使关键问题的解决逐渐成为可能。
2便携式邮政移动信息网络终端的概念设计
为满足邮政业务上门服务的需要，应充分利用现有成熟信息技术及前瞻性相关技术的研究，并尽量利用基础公众服务，避免建设仅应用于邮政业务的网络或设备，发挥通用性特点，使相关技术尽可能大范围地应用，从而有效降低成本。
2．1邮政业务终端在概念设计上的六大目标
2．1．1便携性出门在外若携带笔记本电脑大小的笨重设备会十分不便，随身携带的终端设备应该只有200g左右，手掌般大小，便于在口袋中存放。在输入／输出设备上可以设计为折叠式，例如：折叠式键盘设备，展开后如同普通键盘大小、但只有纸张般厚度，折叠后仅有手掌般大小；折叠式显示设备，展开后14英寸大小、纸张般厚度，折叠后仅有手掌般大小；还可设计成投影的虚拟键盘，更节省空间的投影显示设备等。整个终端设备可以方便地放入上衣口袋，甚至还可设计成帽子的样式，方便携带。
2．1．2移动性上门服务无固定服务场所，移动性是一个必然条件，主要是为了解决与上级组织、客户以及数据传送方面的实时通讯或数据交换的需求。利用现有移动通讯网络可以有效降低成本，同时还可以无缝享受升级、扩展服务，无需考虑移动通讯网络的维护即可最大限度地扩大服务范围。
2．1．3网络化要实现上门服务与营业网点提供的服务一致，必须要与各个邮政业务信息处理系统建立连接，及时将采集的相关数据，通过网络传输到后台处理系统，然后将处理结果实时反馈回来。网络化在设计上可以利用移动通讯网络或Wi－Fi网络提供的互联网接入服务，随着技术发展与时代进步，不久的将来还可能实现无处不在、免费公共的互联网接入服务。
2．1．4智能化为了解决安全以及数据处理能力的问题，邮政业务终端需要具备一定的智能处理能力。随着芯片技术的快速发展，这一方面的技术基本成熟，完全能够满足需求。
2．1．5低成本利用现有大众的基础设施与服务，采用通用的技术是有效降低成本的方法之一。在移动通讯网络、互联网接入、终端设备芯片、终端设备操作系统等方面都可以采用成熟的通用技术，在终端设备制造上可以外包给相关专业的制造企业，同时引入竞争机制，进一步有效降低终端设备的制造成本。
2．1．6位置服务邮政营业员提供上门服务只是为邮政客户提供更方便的服务界面，但是仅靠单个邮政营业员无法高效、顺利完成全部邮政业务，需将提供上门服务的邮政营业员组织起来，实现统一调度与指挥，这就需要应用技术手段将移动的、出门在外的邮政营业员的位置信息及时上传到指挥调度中心，提高上门服务的效率。如：在邮政客户呼叫客户服务中心时，客户服务中心就需要指示距离该邮政客户最近的邮政营业员前往上门服务，以提高服务效率，降低成本。邮政业务终端在外观设计上可以参照普通手机的外观设计，或者设计成适合车载的外观，考虑到邮政营业员或许要携带其他物品，为了解放双手，甚至可以设计成帽子或者挂件等形式。
2．2邮政业务终端在概念设计上的主要功能模块
在功能模块上，邮政业务终端主要有：智能处理模块、移动通讯模块、位置定位模块、互联网接入接口模块、折叠式键盘输入接口、折叠式键盘输入设备、折叠式显示屏输出接口、折叠式显示屏输出设备以及迷你打印输出接口，如图1所示。
2．2．1智能处理模块智能处理模块是邮政业务终端的核心基础处理模块，为其他接口或模块提供平台支撑服务功能。智能处理模块要具备一定的计算能力，但不需要太强，如今的芯片技术完全能够满足需求。邮政业务终端主要进行数据采集以及结果展现，邮政业务信息数据主要存储在远程的后台邮政业务信息处理系统中。
2．2．2移动通讯模块移动通讯模块提供基本的对上级组织、客户语音通信功能，同时还可以提供移动的数据传输功能。
2．2．3位置定位模块位置定位模块采集邮政业务员的位置信息，自动上传到专门的邮政上门服务信息管理系统，可更加方便、快捷地定位到邮政业务员位置，同时还可为邮政业务员更加顺利到达客户所在位置提供导航服务。可以选用GPS导航授时卫星系统、北斗星位置定位系统的位置定位服务，将来还可以考虑选用伽利略定位系统。
2．2．4互联网接入模块互联网接入接口可以利用移动通讯网络或者Wi－Fi，保持与互联网实时在线连接，保持数据传输通道畅通。
2．2．5折叠式输入与输出模块键盘输入、显示输出、打印输出设计为接口方式，主要考虑便携性，可将折叠式键盘输入设备、折叠式显示屏输出设备以及迷你打印机设计成单独的接口设备。在输入、输出要求较低时，可直接使用邮政业务终端手持主机部分直接输入、直接显示；在输入内容较多、操作复杂、显示内容丰富时，可根据需要进行相关设备的连接。在输入与输出接口上，可以采用USB接口、无线红外、蓝牙等技术进行不同型号的划分。折叠式键盘输入设备还可以设计为手写输入盘，折叠式显示屏输出设备还可以设计为迷你投影仪等方式，为最终用户提供更多选择。
2．2．6迷你打印输出模块迷你打印输出接口主要考虑到上门服务时可能需要打印相关文件或者票据，并非每项邮政业务都需要，所以可设计为接口的方式，在需要时使用，尽量提高便携性。由于在设计上采用网络化的思路，便携式邮政移动信息网络终端与邮政业务信息处理系统完全克服了时间与空间上的障碍；并且便携式邮政移动信息网络终端在设计上只需考虑数据的采集与展现，全部业务处理功能都在后台邮政业务信息处理系统（云端）中实现，使得邮政业务功能的扩展只要通过后台信息处理系统的升级即可实现，便携式邮政移动信息网络终端无需进行任何改造，方便了邮政业务功能的进一步扩展。集成了GPS、无线通讯以及实时网络在线的便携式邮政移动信息网络终端，不仅能应用在邮政业务的上门服务中，其强大、通用、易于扩展的特性为在其他行业中的广泛应用打下了坚实基础。
3结语
第13篇
关键词：工程设计，概念设计，创造性思维，创新
1工程领域中的概念设计
现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。
工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8~15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70~80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。
工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。
在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。
三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。
2概念设计与创造性思维和技术创新
2.1创造性思维及其特点
要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。
创造性思维具有如下一些特点：
（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”,从新的角度分析问题、认识问题。
（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。
（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。
（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。
（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。
2.2概念设计呼唤技术创新
技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：
（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；
（2）对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；
（3）突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；
（4）新知识与现有知识的合理嫁接；
（5）产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；
（6）学科间的交叉、交融和借鉴；
（7）新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；
（8）科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。
由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：
l智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；
l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；
l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；
l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；
l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；
l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；
l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链”并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。
3工程设计领域中的概念设计技术创新实践
基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：
（1）采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；
（2）时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；
（3）适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；
（4）反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；
（5）基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；
（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；
（7）把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；
（8）虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。
这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。
时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。
当我们看到法国TGV（TraindelaGrandeVitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。
由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。
铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：
l具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。
l具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。
l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。
l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。
显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。
近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（FreeFormFeatureModeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。
这里具体地介绍如何使用UG的FreeFormFeature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。
UG的FreeFormFeatureModeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UGV14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。
这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：
（1）根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。
外形模型基线向等值半径线云图
以这一组模线为基础，采用UG的FreeFormFeature/ThroughCurve来创建曲面；采用Info/Analysis/FaceCurvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。
在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。
采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。
图4机车车身三维造型图5机车车身二维投影图
（5）对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature/Curve/Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。
（6）机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力,这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。
（7）三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。
参考文献
[1]齐从谦.汽车覆盖件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征识别.中国机械工程:15~18
[2]熊鸣镝.三维设计将CAD应用引向深入.机电一体化.1997.(5):5~7
第14篇
关键词：工程设计，概念设计，创造性思维，创新
1工程领域中的概念设计
现代科技的迅猛发展，尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展，使产品结构发生了革命性的变化，机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用，深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程，并改变着产品的结构和功能；先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了前所未有的工艺技术手段和社会化制造体系。这些变化都深刻地影响着工程设计的发展。
工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分（8~15%），然而它对产品的先进性和竞争能力却起着决定性的影响,并往往决定70~80%的制造成本和营销服务成本。所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱，是工业创新的核心环节，也是现代社会生产力的龙头。工程设计的水平和能力是一个国家和地区工业创新能力和竞争能力的决定性因素之一。
工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。工程设计的内容大致可分为两类：一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。然后进行评估和优化，确定整体设计方案。再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。可见概念设计是个创造性过程，它要求设计者能综合运用许多学科的专门知识和丰富的实践经验，并通过广泛的调查研究而占有大量的信息资料，再经过反复思考、推理和决策，才能创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来。
在工程设计领域中存在这样一个误区：设计、构思的原始冲动是三维概念，最终设计实施之结果即产品也是三维形体。可是多年来以二维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力，成为创新的桎枯。
三维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台，设计师们可以直接从三维概念和构思入手，进行概念设计，形成产品的初步框架，然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质量、可靠性。这种设计方法尤其能充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的智慧和创新能力，不必拘泥于平面图纸的限制和束缚，而把主要精力聚焦于创造性的劳动——创新。
2概念设计与创造性思维和技术创新
2.1创造性思维及其特点
要设计就要有创新，而创新正是设计人员进行创造性思维的结果。设计人员要打破习惯性思维，变换角度，开阔视野，才能使自己的创造力得到更充分的发挥。创造性思维是指有创建的思维，即通过思维，不仅能揭示事物的本质，而且能在此基础上提供新的、具有社会价值的产物。创造性思维有扩散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式。在工程设计的概念设计中，要努力发掘创造性思维的能力，充分注意扩散思维和集中思维的辨证统一，准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合，善于捕捉直觉思维和灵感思维的“闪光和亮点”，这样才有可能设计出新颖、独特、有创意的产品。
创造性思维具有如下一些特点：
（1）独创性：创造性思维所要解决的问题是不能用常规、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。独创性要求人们敢于对司空见惯或“完美无缺”的事物提出怀疑，敢于向传统的陈规旧习挑战，敢于否定自己思想上的“框框”,从新的角度分析问题、认识问题。
（2）连动性：创造性思维又是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开拓思路。连动思维表现为纵向、横向和逆向连动。纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考，探询其本质而得到新的启发。横向连动则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。逆向连动则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面，从顺推到逆推，从另一角度探索新的途径。
（3）多向性：创造性思维要求向多个方向发展，寻求新的思路。可以从一点向多个方向扩散；也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决。
（4）善于想象：创造性思维要求思维者善于想象，善于结合以往的知识和经验在头脑里形成新的形象，善于把观念的东西形象化。爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。”只有善于想象，才有可能跳出现有事实的圈子，才有可能创新。
（5）突变性：直觉思维、灵感思维是在创造性思维中出现的一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而使问题得以解决。
2.2概念设计呼唤技术创新
技术创新在概念设计中发挥着至关重要的作用。概念设计中技术创新的本质就是要在工程设计领域中发现某种新事物、提出某种新思想，在很多情况下是因为现有的产品不能满足社会（用户）的需求而激发出的新颖构思和创见。技术创新的基础是知识的积累和灵感的迸发，是设计人员进行创造性思维的结果。创新本身就意味着不拘一格，不局限也不依赖于某种特定的模式，以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤：
（1）多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生意想不到的效果；
（2）对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破；
（3）突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术；
（4）新知识与现有知识的合理嫁接；
（5）产品功能上的兼收并蓄和去粗取精；
（6）学科间的交叉、交融和借鉴；
（7）新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用；
（8）科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践……。
由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法：
l智力激励法：又称集智法、智暴法。即通过集会让设计人员用口头或书面交流的方法畅所欲言、互相启发进行集智或激智，引起创造性思维的连锁反应；
l提问追溯法：根据研究对象系统地列出有关问题，逐个核对讨论，从中获得解决问题的办法和创造性发明的设想，或是针对新开发产品的希望点（或缺点），逐点深入分析，寻找解决问题的新途径；
l联想类推法：通过相似、相近、对比几种联想的交叉使用以及在比较之中找出同中之异、异中之同，从而产生创造性思维和创新的方案；
l反向探求法：采用背离惯常的思考方法，通过逆向思维、转换构思，从功能反转、结构反转、因果反转等方面寻求解决问题的新途径；
l系统搜索法：从一个初始状态开始，分析影响系统的各个参量，逐步向前搜索，或采用孤立因素、更换参数等方法获取系统的多种解法并求得最优解；
l组（综）合创新法：将现有的技术或产品通过功能原理、构造方法的组合变化，或者通过已知的东西作媒介，将毫无关联的不同知识要素结合起来，摄取各种产品的长处使之综合在一起，形成具有创新性的设计技术思想或新产品；
l知识链接法：创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流，它包括知识的产生、开发、转移和应用，这四个阶段构成一条“知识供应链”并按照下述原则进行管理：把技术创新过程作为一个集成化的系统，只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起，才能发挥最大作用，这些伙伴都应明确什么知识内容才能满足用户最大需求，知识转移的特征和形式是什么，最终用户是谁，他们何时需要使用这些知识？涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的，在每个知识供应者和知识使用者之间建立信息反馈，使信息交换更为有效，知识供应链中每一个伙伴能够感受到整个系统和他们自己都从中获得巨大利益，认识到自己是链中不可缺少的重要环节。该方法适于更大范围内、更高层面上的技术创新。
3工程设计领域中的概念设计技术创新实践
基于上述分析，我们提出了若干种含有技术创新的产品概念设计范例：
（1）采用先进的控制、驱动和定位系统，由局部小画面组成整体大画面的可变画面巨型灯箱广告机的设计；
（2）时速超过运七飞机的高速铁路机车车身外型设计，既要满足空气动力学性能，又要有美观的外型，三维CAD建模技术和NURBS曲线面理论的应用；
（3）适应于多弯道和小半径城市轨道交通环境下的摆式列车车身及减振转向架的设计；
（4）反求工程已广泛应用于一些具有复杂曲面的实物模型（如模具）的三维数据重构，不妨借鉴用来对生物医学图象进行数字图象处理，为医务人员的临床诊断和治疗提供更逼真的三维模型和实体模型；
（5）基于电动机——发电机可逆原理的新型电动自行车的设计，把（下坡时）车轮转动的动能所转化成的电能再回充给蓄电池，从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离；
（6）加工中心自动换刀功能的扩展，用于东风4（11）型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；
（7）把列车检修工人的丰富经验升华为专家系统——基于加速度传感器和单片机控制的智能式检振锤的设计；
（8）虚拟轴机床（并联机床）的概念设计。
这里以铁路机车车身设计为例，对概念设计及创新的过程加以说明。
时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国家得到广泛应用。我国已通过论证并计划在下世纪初建设第一条（京沪）高速铁路。
当我们看到法国TGV（TraindelaGrandeVitesse）实验车速达到515.25公里／小时时，我们知道这已经超过了我国“运八”飞机的时速，设计师的头脑中自然应该产生这样的概念：时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线型和光顺性，才会有较好的动力学特性。“光顺”一词的几何意义是所构造的曲线、曲面应具有C2连续，且无奇点。从通俗的概念来理解，即为“光滑顺眼”之意。
由这些概念和构思出发，我们可以由整体构思和概念设计逐步进入流线型机车车身的细节设计环节。
铁路工业和汽车工业对车身外型设计的先进性和创新性的都有着一致和迫切的要求。归纳起来应是以下几个方面：
l具有良好的空气动力学特性，以减少在高速运行时的摩擦阻力。
l具有良好的结构布局及足够的强度和刚度。
l具有美学曲面的质感和动感，以美化生活和环境。
l尽可能短的设计和制造周期，以尽快地占领市场。
显然满足上述诸要求的车身外型曲面是相当复杂的，非一般常规曲面（如柱面、球面、锥面、环面等）所能表达。再者，若按常规设计、制造方法和过程来完成如此高要求的设计外型，则上述第四项要求更是高不可攀。只有积极谋求技术进步，大力推广应用CAD/CAM技术才是解决车身外型改型频繁、不断创新且满足上述各种要求的关键所在。
近十年来，CAD业界涌现出一批象EDS的UG、PTC的Pro-Engineer、MATRA的EUCLID、IBM的CATIA等等一系列优秀的CAD/CAM软件，为我们提供了一个极好的开发工具和环境。它们的三维实体建模、参数建模及复合（Hybrid）建模技术，实体与曲面相结合的造型方法，以及自由形式特征建模（FreeFormFeatureModeling）技术为我们的设计工作提供了强有力的工具。
这里具体地介绍如何使用UG的FreeFormFeature等功能，来实现车身外型的概念设计到细节设计。
UG的FreeFormFeatureModeling模块把实体建模和表面建模技术集成为一个功能十分强大的建模工具组，它支持复杂自由曲面的造型设计。它的复合建模技术，自由型面特征建模，可视化编辑，多组件装配，二维视图自动生成，尤其是伴随最新UGV14.0版本推出的全新概念设计WAVE（What-ifAlternativeValueEngineering）可使不同部门的工程师在设计的早期阶段，站在系统工程的角度，同时针对多种可供选择的方案进行评估，通过将设计意图组织到一个“控件结构”中去，使工程师十分有效地控制设计变更，而且所发生的变更会自动地传递到上级设计中去。
这里以创建流线型机车车身外型为例，具体步骤如下：
（1）根据前节所述模线的来源，本例参考法国TGV和德国ACE机车外型模板，并加以个性化修改。所选定的23条模型基线见于图1。
外形模型基线向等值半径线云图
以这一组模线为基础，采用UG的FreeFormFeature/ThroughCurve来创建曲面；采用Info/Analysis/FaceCurvature功能来观察和分析该曲面的光顺性，图2即为车身外型曲面及顶面法向半径等值线云图。
在构造模线的原始数据中可能有“瑕点”，或者仅凭“感觉”进行判断，创建的曲面不一定能完全满足C2连续的条件和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足。图3是对其中一条模线进行光顺处理的过程。值得重视的是：获得一组光顺的模线是生成光顺曲面的必要条件。
采用光顺后的模线重新构造车身外型曲面。采用UG/Photo功能并指定材质，可进行着色、光照、渲染，以得到更为逼真的三维造型图。见图4。
图4机车车身三维造型图5机车车身二维投影图
（5）对机车车身裙部和头部下端，可采用Feature/Curve/Mesh功能分片进行创建。这里充分体现出UG软件对角域曲面的三维造型能力。
（6）机车车身三维造型基本实现之后，还可进一步作局部修改，由于UG软件的“相关”（Associative）能力,这里进行的修改将影响到它所关联的所有设计过程。
（7）三维造型细节设计完成之后，其各方向二维视图可由应用软件自动生成，设计人员不必再做重复工作。图5即为该机车车身外型的二维侧视图。
参考文献
[1]齐从谦.汽车覆盖件具CAD/CAM中的曲面特征造型及特征识别.中国机械工程:15~18
[2]熊鸣镝.三维设计将CAD应用引向深入.机电一体化.1997.(5):5~7
第15篇
当前，已经存在很多关于形状建模技术的工作，本文主要针对建模技术在设计过程中的应用，因此交互式建模技术为本文主要关注对象．为了更好地辅助设计，用户（设计师）参与已经广泛地被应用于CAD系统中．通过与用户合作，基于用户智能知识，建模技术能够承担大范围模型建立项目，例如交互式街道建模框架［9］．新的用户输入设备也被用来提高用户与系统之间的交流．FreeDrawer［10］是一款草图系统，能够采用基于样条曲线的自由曲面的绘制．用户通过磁性笔在虚拟的环境内绘制曲线，所绘制的图像能够被系统及时接收和显示．SurfaceDrawing［11］是一款根据手的运动路径来产生有机三维形状的软件．操作手的行为能够通过磁性装置被系统感知并用来产生几何形状．ScanModeling系统采用名为“Wakucon”的输入设备通过扫描真实物体进行三维形状生成．通过高科技设备，用户?设计师们能够在虚拟真实的环境内进行交互式的绘制和建模工作．和这些研究相比，本文更关注设计信息的双向交互．也就是当设计师运用本文提出的方法完成设计时，其设计知识能够被系统感知并保存下来，通过自动化衍生机制进行设计探索．与其他类似研究不同的是，设计知识不是由工程人员或研究人员后期分析产生，而是直接获取自设计师的设计过程中．本文提出的方法可以自动完成设计知识获取和转化过程．形状文法能够通过语法系统将设计表示为2D?3D的可视化形状（shape）及迭代算法过程（rule）［13］．基于规则的框架结构能够给用户提供设计知识和可视化之间的接口．CGA形状［14］采用过程建模方法应用于建筑领域，允许用户通过指定建模模块进行细节设计．壮族形状文法［15］采用基于网格的形式表示自由、平滑的形状．通过2D图案生成表达用户的主观感受［16］．衍生设计方法结合形状文法已经应用于电话衍生设计中．在上述研究的基础上，本文对传统形状文法进行了改进，提出3种类别的规则并用来在设计过程中对设计信息进行表示和传递．
2动态形状表示
在设计方案产生之前，设计过程充满了变数．设计师通过其行为表达他们的设计思想，并用来建立设计概念模型．为了更加接近这一自然设计过程，本文介绍了一种新的形状表示法———DSR．DSR形状通过基本设计行为对目标形状进行描述和表示．形状文法通过其定义的规则集对设计目标进行描绘．规则可以表示为：AB，即，形状A被替换为形状B或B的任意形状子集．一次规则的应用表示一次形状由A到B的替换．但是，在这一规则中，形状如何由A变为B的过程是无法体现的．换句话说，形状由A变为B的过程被其结果所表示．如果能够表示变化过程而不仅仅是变化结果，其动态的过程信息就可以被用在不同的初始形状A′中，来产生更多的新形状｛B1，B2，…，Bn｝．这也就是本文提出DSR形状的基本思想．本文定义了9个类别的基本形状规则———ElementalRule［3］（简称ER）．通过对于三维形状操作的研究［18］，9类ER群体能够基本覆盖所有的形状操作需求，例如Add（添加）、Delete（删除）、Cutvertices（部分删除）和Cutedges（部分删除）．通过上述4类基本形状操作，本文选用矩形和球作为基本图元，可以产生9种不同种类的ER规则［3］．大多数形状都可以通过这些ER规则的结合使用进行表示．除了正交的形状，对于具有曲线表面的形状，可以通过球体作为基本图元进行生成．定义1．DSR形状．DSR形状是一种有限的形状元素集，通过以特定顺序应用ER规则进行生成．一个DSR形状可以被形式化表示为形状元素集与有序的ER规则应用序列，｛S＊｜ER（i1），ER（i2），…，ER（in）｝．S＊［19］表示初始形状或其任意的子集，一般被用来表示ER规则的左半部分．传统的规则应用方法为形状替代［15］，这在基于ER规则应用过程中，会对具有光滑曲面特征的形状的外观造成破坏［3］．因此，本文提出一种新的规则应用模式———行为捕获模式（actioncapturemode，ACM）．定义2．行为捕捉模式（ACM）．行为捕捉模式能够在保证原有形状外观不被破坏的前提下，保留规则变化意图．基于物体最小包围盒，生成物体的形状为目标形状与规则右边形状的布尔交运算（SObject＿Left∩SRule＿Right）．通过ACM应用模式，DSR形状能够表示一个规则应用后的形状变化过程（从规则的左半部分变为右半部分）．这确保规则的应用可以不受目标形状的几何复杂性约束．换句话说，当产生一个DSR形状规则后，它可以被应用到不同的初始形状，从而产生不同效果．这与设计过程的模糊性相吻合．这里通过一个案例展示应用ACM模式后的形状变化．本文邀请一位设计师设计了一个概念化的椅子模型，如图1所示．简洁和造型的流畅性是唯一对于该造型的前期要求．通过DSR规则，椅子的概念模型可以通过DSR形状进行表示．通过图1所示的DSR规则可以清楚地看到，椅子模型是由一个立方体变化产生．基于ACM应用模式，可以将图1所示的DSR规则应用到不同初始形状上，例如杯子形、圆柱体、苹果形状和平头截体，如图2所示．因为DSR形状能够以动态的形式表示，即形状的产生过程可以记录在DSR形状中．因此，基于DSR的规则能够应用到不同的初始形状从而产生更多的新设计模型．如上面案例所示，设计行为（从一个实体产生一把椅子）通过DSR形状保存了下来．在ACM模式的应用下，该设计行为能够应用到不同的初始群体，产生不同效果的椅子模型．下面通过一个小规模的问卷调查，对新设计模型的效果进行评价．200位侯选者被选来进行关于新模型效果的问卷调查．其中有170位年龄在20～30岁之间的学生，以及30位具有3～5年专业设计经验的设计师．问卷调查包括4个问题：1）请比较图1与图2中的椅子模型是否相似？2）图2中的椅子能否由图1中的椅子经过推理得到？3）请根据图1中的椅子形状，根据自己的理解进行模型再现．请通过草图的形式对设计过程进行可视化．4）请分别从审美、新颖和舒适度3方面对上述5个椅子模型进行评价．在访问调查过程中，仅将图1和图2中规则的右半部分展现给问卷参与者．调查结果显示：对于问题1），136人认为相似而52人认为不相似，其余没有意见．对于问题2），超过60％的参与者认为可以通过推理的方式获得，并表示这些椅子具有某些潜在的关联．对于问题3），虽然面对相同的椅子模型，不同的参与者给出了多种多样的生成方法．换句话说，虽然最终模型相同，但是生成的过程却是多种多样的．“自顶向下”的设计模式被广泛采用．对于问题4），“苹果型”的椅子被多数人认为最好看和有新意，图2中的椅子模型被认为最舒适．调查后，当参与者知道4个新椅子模型是由同一模型推理产生时，都在不同程度上表示了惊讶．他们表示：从同一个模型推理出全部4个新模型对他们来说是非常困难的．这也从侧面表现出DSR形状的提出能够反映出设计过程中的突发性特征．目前，通过ER规则库和ACM应用模式，能够产生多种多样的三维设计模型，如图3所示．
3DSR形状文法设计语言
定义3．DSR形状文法．DSR形状文法是一个四元集｛S，L，R，I｝，其中：1）S是DSR形状的有限集合；2）L是标签的有限集合，用于控制形状文法在时间和空间上的推进；3）R是DSR规则的有限集合；4）I是一个自由实体，作为形状文法应用的起点，称为初始形状．在DSR形状文法中，设计过程能够通过形状集和规则集进行表示，进而形成设计语言［20］．由于DSR形状可以表示动态设计信息（设计行为），因此该设计语言可以表现设计师有意识的行为和思想．在工程设计中，设计过程开始自包含设计问题分析、设计解空间解析、设计表达和结果可视化在内的多个循环．因此在DSR设计文法中，本文建立了有结构的规则系统来表示设计思路。在DSR形状文法中包括3种类型的规则：DSR规则、辅助规则（auxiliaryrule）和布局规则（layoutrule）．DSR规则是用来在设计过程中产生形状变化．物理方面的形状变化可以被DSR形状表示并保存．辅助规则主要是用来处理通用的三维模型操作：‘拉伸’、‘缩放’、‘旋转’、‘扭曲’等．在设计过程中，设计师会在最终方案确定之前不停地做出决定，关于当前设计模型的评价和接下来的修改会对整体设计产生什么影响？通常来说，对于整体设计产生的影响将会起到主要作用．因此，这种决定将会一直循环，直至满意的设计方案产生．类似于真实的设计过程，布局规则主要用于指定当前形状和整体模型的关联和影响．2类特殊的功能规则被采用：“SliceRule”和“CombineRule”．通过这2个功能规则，模型可以被分解、合并为任意的子形状用来承载DSR规则和辅助规则的运用．因为设计过程不是直线型推进，而是螺旋型推进的，本文提出针对布局规则的3种关系。图5a所示的‘梯子’关系表示设计过程中的因果关系：Step2发生是由于Step1引起的，后面步骤的产生是由于其前面步骤而产生的．在设计中，前后的因果关系并不仅仅具有线性继承和相邻继承，也就是说，前面n代的步骤都会对第n＋1代的产生具有影响．并且，其影响并不是随着相隔代数的增加而减少（设计突发性）．图5b所示的交叉关系体现了设计过程中的选择性．在上一步的布局行为产生后，有可能会产生多种潜在的设计推进方法（Step2～Stepn）．图5c所示的平行关系体现的是设计过程中的分离行为，即设计步骤A1，A2与B1，B2之间的推进是弱连通的，之间没有必然的联系．当然，在设计过程中，每一种类型并不具有清晰的分割，而常常是多种关系交错发生在同一设计过程中的．本文将图1所示的椅子概念的设计作为案例来表现DSR形状文法的应用之一．通过上述调查问卷，作者邀请了很多职业设计师对相同的椅子模型（图1）应用本文所提出的方法进行重现设计．因此通过DSR形状文法能够得到很多不同设计语言．其中，3种设计语言被选取作为本文案例，展示3种规则对于设计知识的保存和应用．在图6中，设计语言A共有6步．其中，Step1和Step4为布局规则．Step2将立方体分割为3部分用来产生扶手—椅子主体—扶手．Step4将椅子主体设计分为上下2部分．Step3，Step5，Step6属于DSR规则，用来对相应选取的形状进行物理外观的变化．在该设计语言中，Step2和Step4之间属于‘阶梯’关系，因为如果没有Step2，Step4就不会发生．图6中设计语言B分为7步．其中，Step2和Step4为布局规则，其余为DSR规则．Step2和Step4之间属于‘交叉’关系．在Step2后，以后的操作具有2个选择．而Step3和Step5属于‘平行’关系，也就是说，它们之间没有必然的先后顺序，属于弱连通．图6中设计语言C包括4步．其中Step2为布局规则，其余为DSR规则．‘平行’关系在该设计语言中得到了体现。上述3个设计语言的获取都由系统自动完成的．设计师被邀请来使用本文建立的3D交互式建模引擎，通过可视化界面和窗口控件交互操作，他们可以像在常规3D建模软件中一样进行工作．与此同时，系统能够根据其设计操作对整个设计过程通过DSR形状文法进行获取和保存，继而产生设计语言．本系统采用ACIS技术，在Windows平台下运用C＋＋语言实现的。将3个不同的设计语言应用到衍生式设计框架中，在系统内可以快速地产生3种不同的设计方案群体，如图8所示．图8a所示模型是根据设计语言A衍生而来的，体现了椅子主体的一体化设计和悬空椅子扶手的思想．图8b所示模型是根据设计语言B衍生而来的，体现了椅子上下部分不同的设计风格．图8c所示的模型是根据设计语言C产生的，体现了扶手和椅子主体的一体化风格．每一个新椅子都能够通过DSR形状进行表示和存储．也就是说，它们都可以做到图2中类似的衍生式变换．当作者将新的设计模型给3位设计语言的设计者观看时，他们都非常感兴趣．他们表示，其原始设计思路是在本文的3D建模系统中花费了1～2h不等的时间完成的．然而，所有的衍生设计模型都是在1min内通过基于系统自动产生的．这大大节约了设计周期．从美观和创新价值方面，新产生的模型都比较令人满意．虽然，这些新模型还不能直接作为设计方案进入产品设计流程，但它们都表现出原始设计方案的设计思想，并且在设计效果上有了较大的不同，给予设计者感官上直接的冲击和新颖的刺激，能够有助于其设计知识的扩展和设计构思的产生．
4结论
