设计研究方法学（共12篇）
设计研究方法学 篇1
1 引言
随着燃气涡轮发动机的迅速发展,发动机的核心部件涡轮的设计,不仅在叶片结构表达方面,而且在设计周期方面也提出更高的要求。因此,常规的涡轮设计体系已经不能满足涡轮设计的需要。本文在现有设计体系的基础上,利用课题组开发的造型体系、涡轮特征模块化的网格划分体系,改进了常规的涡轮设计方法。并完成了常规涡轮的验证性设计,经过试验表明,改进后的设计体系能够满足工程需要。
2 改进的涡轮设计体系
本设计体系采用NUBURS曲线进行平面叶栅设计,并运用参数化的思想,进行叶片的叶型积叠造型。由于可自由控制叶片计算域,易于完成网格模块和网格的划分。因此获得的网格可直接用于全三维有粘计算分析。
在叶栅造型方面,由于是利用NURBS的14参数法设计思想,方法简单易行。并且在参数控制上有较好的裕度。
在从平面叶栅到三维叶片的积叠控制上,可以选前缘圆弧圆心、尾缘圆弧圆心、最大内切圆圆心、形心或其它点为参考点,沿选用的积叠线进行积叠。因此,能够更好的控制与描述叶片的弯、扭、掠等形状特征。
在计算网格的划分方面,采用涡轮叶片特征部件的专门划分体系,即对叶片前缘、尾缘、主流区采取确定的分块策略,利用开发的网格划分体系完成各个块的网格划分,并且可以直接用于计算。
改进后的涡轮设计体系与原体系相比,能方便的进行平面叶型设计以及叶片造型,尤其是自动网格划分。所以,可以高效的进行设计调整改进,直到获得满足设计要求性能的叶片。
2.1 子午流道设计
设计以两级常规涡轮总体性能参数为基础,通过控制各叶片进口叶片排环量,通过S2流面计算程序可以求的各级的气流速度三角形和其他的气流参数,初步获得设计平面叶栅数据。叶栅通道采用等中径方法,由载荷系数和进口条件可分别确定通道进口内、外半径。
表1列出了设计的两级常规涡轮,通过S2流面计算所得总体性能参数。图2是基元级速度三角形的示意图。
2.2 S2流面设计计算
首先根据发动机总体性能对涡轮的要求,初步给定子午流道尺寸、进口参数及环量分布规律等,预估参考的子午流线速度。然后经过多次S2流面调整,在满足涡轮功率、效率的要求下,获得涡轮各叶片排进出口沿径向截面的速度三角形、气动热力参数、级参数和涡轮性能参数。
在S2流面的计算中,需要求解涡轮叶片排之间流场的径向平衡方程,包括径向分速、流线及熵的径向变化。其子午面流场在轴向间隙中,沿任意方向y的速度梯度方程运动方程为:
式中,
式中为子午分速度,σ为与轴线的夹角,ψ两叶排间轴向间隙与半径方向的夹角,为曲率半径。
2.2.1 环量的确定
良好的环量分布可以提高级性能,包括降低叶栅的二次流损失,减小动叶顶部漏气损失,提高做功能力,改善动叶成型及振动性能。更重要的是它能够提高级的根部反力度,降低根尖反力度差,改善级的变工况性能。
涡轮平均反力度高则效率高,但反力度变化剧烈,功沿径向的变化梯度过大,会带来大的流动损失造成效率降低。本文设计中,采用了接近等反力度的叶片设计,并且沿径向的变化梯度也较小。平均半径处的反力度在0.2～0.4之间,并且符合要求。
2.2.2 损失模型的使用
为了设计出高效率的叶轮机械,必须考虑气流经过叶片排的损失。由于在解径向平衡方程时,熵梯度和焓梯度都要依赖于出口速度,速度对计算结果影响较大。因此由每次迭代速度得到的马赫数和叶片排的气流角为自变量,根据选用的损失模型,获得该马赫数下的损失系数。在此基础上求其它气流参数,循环迭代直到收敛。
所采用的Dunham&Came模型是基于当时的实验研究结果由Dunham&Came从Ainley&Mathieson发展来的。主要考虑的叶型损失、二次流损失和叶尖间隙损失,计算上述三种损失时,需要给定叶片进出口气流角、马赫数和雷诺数,在每次迭代计算时这些参数均可以通过S2流面计算求得。
由于考虑到叶型二次流及间隙损失,可以看出在叶片根部、顶端的恢复系数较小,损失较大。并且可以看出涡轮级第5、7级的损失较大,第4、6级为静叶,第8级流道为损失较小,其余的都为1,与事实符合。
2.3 二维叶型表达
根据S2流面的初步设计,可以获得子午截面参数以及叶型的角度和弦长参数,其他参数要综合考虑才能选取。在14个独立参数确定后,叶型五个关键点C1、K1、C2、K2、S(分别为前、尾缘圆弧起、止点与喉道点,图6(b))及该点型线的斜率即可得出;同时最大内切圆位置亦可确定。其中图6(a)较全面地给出了涡轮叶栅轮廓与涡轮造型参数之间的关系,图6(b)给出了最大内切圆位置,前缘圆弧与最大内切圆之间用相切的圆弧连接,通过迭代计算可以得到最大内切圆上的两个切点Tk和Tp。
在获得图6(b)所示关键点及其对应的切矢量之后,前尾缘、C1与Tp之间及K1与Tk之间采用二次NURBS圆弧曲线连接。对于C2与S、S与Tp以及Tk与K2之间的三段曲线,根据各起始点及其对应切矢量分别求得各交点P1、P2、P3,取各点相应的权因子为1.0,获得三段二次NURBS曲线。最后采用NURBS曲线组合算法对整个叶片截面线进行统一表达。
2.4 三维叶片成型
根据二维成型的叶型,沿径向插值确定积叠所需的叶根、叶中和叶尖叶型参数,插生成多个叶型截面,沿确定的积叠规律和积叠线,生成三维叶片体。
考虑到离心力对其各自的影响的不同,静子叶片采用的是以最大内切圆圆心为积叠参考点的积叠;而转子叶片则采用形心为参考进行积叠的。
2.5 计算网格划分
在常规的涡轮设计体系中,生成实体模块以后,计算前处理过程中,计算域网格的划分会耗费大量的人力、物力,结果也不太理想。并且设计过程中还需反复调整修改,然后再进行计算,工作量会更为繁重。
改进后的设计体系针对涡轮流场计算域采用特征模块的分块方法,将整个流场区域参数化,按照涡轮部件标准的网格划分策略,利用开发的网格划分体系,对流场计算域自动进行网格划分。
通过自动的网格划分体系生成的网格,可以直接进行计算;若有缺陷或不足,可以在网格预处理软件中稍加调整。这样节省了时间,大大缩短了涡轮设计周期。
2.6 计算结果分析
本文针对设计出的一级涡轮叶片,采用商用CFD软件Fluent对生成的该级涡轮模型进行三维粘性数值计算。
涡轮静叶性能见图13和图14。叶片表面几何形状过渡非常光滑,又由于流动是顺压力梯度,整个流场内的流动都很顺畅。静叶出口马赫数接近1.0,工作在堵塞状态,基本达到设计要求;叶背出现了明显的膨胀区和加速区,使得流体在通道内得到很好地加速,并且效果良好。
动叶性能见图15和图16,静叶内流动与动叶进口流动衔接很好,虽然叶背处存在一个不明显的膨胀加速区,但无激波出现。从图20的转子流场总温分布图中可以看出,总温随着流向的变化梯度比较均匀。因此,转子做功效果也比较理想。
在整级性能方面,通道内流动顺畅,没有出现分离和倒流;在静叶尾缘和动叶前缘无激波出现,损失较小;流体在导向器中的加速、在转子中的做功效果亦较好。整级涡轮的效率为0.90,导向器叶片总压恢复系数约0.97,效率和功率都满足了设计要求,达到了预期设计效果。
3 结论
(1)改进了三维成型体系。将NURBS方法用于叶型以及叶片的参数化表达,参数调整方便,并且在该体系下易于指定和划分流动边界、流动区域。
(2)发展了涡轮网格划分方法。根据涡轮叶片流场计算特征建立特征模块,在计算域内自动划分流块,实现网格的自动划分,大大缩短设计周期。
(3)设计方法基于流线曲率法的可控涡设计技术,需要反复调节叶片环量分布与给定参考速度,高压级与低压级等的匹配关系,必须综合考虑这些因素,才能获得较好的结果。
(4)利用改进的设计方法对一级涡轮模型设计经过CFD性能计算验证,与流线曲率法设计结果比较符合并且性能良好。表明该方法能够满足工程需要,可以设计出性能良好的涡轮。
参考文献
[1]孟军强,钟易成.基于NURBS的涡轮叶片设计及其性能分析[C].中国航空学会第六届动力年会论文集(上),2006.11.
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[4]航空发动机设计手册(第9册)[M].北京:航空工业出版社,2001.
[5]彭泽琰,刘刚.航空燃气轮机原理(上)[M].北京:国防工业出版社,200.9.
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[8]苏士甄,等.叶轮机械原理[M].北京:清华大学出版社,1991.10.
设计研究方法学 篇2
常用的护理科研设计有哪些？
护理研究是以人作为主要研究对象的实践活动。由于研究对象个体存在文化、经济状况、民族及宗教信仰方面的差异，其生理特点、疾病特点、治疗要求不尽相同，患病以后受到社会-生理-心理综合因素影响，研究对象对护理研究的依从性也不同。诸多方面干扰因素使护理研究容易出现偏倚和随机误差，从而影响了研究的真实性和可靠性。所以，在开展护理研究时，首先要进行严谨的科研设计。
做研究有哪些科研设计方法，走什么样的科研程序，这些都是做科研前需要掌握的。熟知设计方法和程序才能使做出来的科研严谨、正确，研究结果也才是可靠、令人信服的。
护理研究方法主要依据研究设计方法的不同而进行分类。按照设计内容不同分为实验性研究、类实验性研究和非实验性研究；按照研究目的不同分为回顾性研究和前瞻性研究；按照研究性质不同又可分为量性研究和质性研究。实验性研究
又称干预性研究，必须干预在前，效应在后，属于前瞻性研究。任何实验性研究必须有干预措施、设置对照组、随机抽样或随机分组这三项内容。
举例如下：
课题：个体化健康教育对肠造瘘术后患者生活质量影响的随机对照试验。目的：探讨健康教育对肠造瘘术后患者生活质量的影响。方法：选取在肛肠科住院的30名肠造瘘术后患者，患者年龄、性别、教育背景、医疗费用支付情况、造瘘时间等无显著性差异。采取随机分组法对30名患者分入试验组和对照组。试验组采取个性化健康教育，有针对性地一对一讲解指导术后注意事项，对照组按常规进行健康教育。研究过程中，对两组患者的生活质量进行对照比较。
结果：试验组患者生活质量明显优于对照组。类实验研究
与实验性研究方法基本类似，不同处是设计内容不按随机原则分组或取样，但设计中一定有对研究对象的护理干预措施，包括不对等对照组设计、自身前后对照设计及时间连续性设计等。
实例1：当研究某种新护理措施的实施效果时，将同一家医院一个内科病房的住院患者作为对照组，另一个内科病房的住院患者作为试验组来进行研究，这就是不对等对照组设计。
实例2：“分数奖励法纠正小学生不良饮食习惯的自身前后对照研究”。方法：选取某小学68例有不良饮食习惯的小学生，采用自身前后对照研究，使用分数奖励法和原来以责备或体罚等惩罚为主的教育方法，观察和评估干预前后小学生不良饮食习惯的纠正情况。这就是自身前后对照设计。
非实验性研究
即流行病学中的观察性研究，是对研究对象不施加任何护理干预措施的研究方法。研究常在完全自然状态下进行，比较简便易行，适用于对研究的问题了解不多或该研究问题情况比较复杂时选用。如选取“居家老年人营养不良患病率、发病率及危险因素的调查”、“消化道恶性肿瘤患者确诊初期生活质量”等研究课题。
前瞻性研究
是一种科学的、合理的研究方法，有严谨的研究设计、对照组，有可比性、明确的研究指标。因此，研究结果可信，可作出科学结论。过对已有的资料（如病历、护理记录）进行研究，总结经验、发现问题，为进一步研究提供线索。
量性研究和质性研究
量性研究简单说就是运用数字资料和统计学手段来验测、分析并验证某个假说或结论。质性研究：护理科研不仅用数据说话，还要用病人的真实感受、体验来评价。以给患者洗头为例，洗头的时间段，时间长短，洗头次数多少最佳，什么样的姿势患者最舒服等。这就是近年来护理领域提出的质性研究。
护理科研路线
SOC设计验证方法的研究 篇3
关键词：系统芯片，验证方法，systemVerilog，断言
一、引言
在片上系统的设计与实现中，验证这一环节日益重要，整个过程中花在验证的时间比重越来越大，主要原因在于随着SoC芯片复杂度的提高，验证的规模也成指数级的增加。系统芯片的时代已经到来，在RTL级硬件设计的抽象层次上已经无法应付数以百万和千万门系统的设计和验证。据统计，两年来，一次投片成功率已经由50％降低到39％。不能一次成功的设计必须再投入几个月的设计验证时间和数十万美元的费用。这种风险已经变得不可接受了。因此设计验证出现了所谓的“验证危机”。功能验证已经成为集成电路设计和开发的瓶颈，这就使得验证的方法逐渐受到业界人士的高度重视。工程师们在设计时不可能考虑到万无一失，所以很多系统行为是不能紧紧通过测试文件就能保证系统功能的正确性。
二、SOC验证的特点
片上系统(SOC)是一种建构技术，主要由处理器(MCU)以及一些外围设备如UART，MAC，控制器等构成，系统结构图如图1。SOC的验证和ASIC的验证工作有很多相同地方：首先都要进行模拟。检查设计是否符合规则，使用各种方法对芯片进行测试。但是，SOC的验证又比较特殊，存在一些特殊挑战。
1整合：验证SOC的首要重点就是检查各种元件之间的整合程度，这里隐含的基本假设就是每一部件都已经完成自我检查。
2软硬件协同验证处理器中运行的软件必须和硬件部分产生关联才能进行验证。或者我们应该把软硬件当作一个完整的测试中元件(DeVice Under Test)，对涉及软硬件结合状态的方案进行测试。所以我们要找到一种方法来检验我们编写的测试，以及在涵盖的测试范围中，软硬件之间的关联性。
3IP核复用：对于可重用的IP核要建立可重用的验证元件。建立可重用的验证元件，会遇到重大挑战，但同时也会因此而获得更大利益。
SOC代表的是一类极其复杂的系统。一个典型的SoC需要一个或多个微处理器，还需要一些其他部件，如DSP、Memory等。为验证SOC，首先需要验证每个部件的正确性，然后要验证部件间连接和通信的正确性。SOC验证问题实际上就是：如何针对具体的验证任务，选择适当的验证工具并加以整合。
三、当前常用的验证方法
关于验证的方法有很多，但是到现在为止还没有任何一种方法可以非常有效地对系统芯片进行功能验证。概括来看，迄今的验证方法可分为模拟、仿真和形式验证三种。
1模拟验证
模拟验证是将激励信号施加于设计，进行计算并观察输出结果，并判断该结果是否与预期一致。
优点：模拟验证是传统的验证方法，而且目前仍然是主流的验证方法。
缺点：非完备性，即只能证明有错而不能证明无错。因此，模拟一般适用于在验证初期发现大量和明显的设计错误，而难以胜任复杂和微妙的错误。模拟验证还严重依赖于测试向量的选取，而合理而充分地选取测试向量，达到高覆盖率是一个十分艰巨的课题。由于设计者不能预测所有错误的可能模式，所以尚未发现某个最好的覆盖率度量。即使选定了某个覆盖率度量，验证时间也是一个瓶颈。
2仿真验证
从电路的描述抽象出模型，然后将外部激励信号或数据施加到此模式中，通过观察该模型在外部激励信号作用下的反应来判断该电子系统是否达到了设计目标。仿真的方法是目前进行设计时常用的方法，根据不同的仿真层次，有不同的仿真工具。
优点：仿真比模拟的验证速度快得多，
缺点：代价昂贵，灵活性差。
3形式验证
形式化验证是不同于仿真方法的对逻辑设计结果进行的另一种验证方法。在自上而下的设计过程中，在设计的各个阶段和级别，每一级设计都是以上一级的设计作为设计目标，得到本级的设计结果的结构描述，这是设计和综合的过程。
优点：完备性，能够完全断定设计的正确性。
缺点：首先要对原始设计进行模型抽取，这对使用者有数学技能和经验上的要求。而且，有的工具需要人工引导(如定理证明)，有的工具存在状态空间爆炸问题(如模型检验)。
类型：
(1)等价性检验
它是用数学方法验证参考设计与修改设计之间的等价性。(如图2)利用等价性验证工具可对这两种设计方案进行彻底的检验以保证它们在所有可能的条件下都有一样的性能。还可利用等价性验证来验证不同的RTL或门级实施方案的等价性。
从整个数字系统的设计流程看，等价性问题几乎存在于每个上下相邻的设计层次中，见图2。
(2)定理证明技术。
运用公理和已经证明的定理证明电路的描述是正确的。
这两种方法各有特点，其中定理证明虽然能够给出设计是否正确的一个确切的回答，但由于涉及很多数学推理方面的知识，这就要求用户有很强的数学功底，这也是这种方法不能推广的一个原因。而等价性验证是验证不同阶段的设计是否相互等价的一个很好的方法。一个SOC设计是分为多个阶段进行的，那么下一个阶段的与上一个阶段的等价是设计的正确的一个保证。
四、新型的验证方法
针对SOC验证出现的各种问题现在还没有一种完全行之有效的方法出现，解决办法之一是基于断言的验证(ABV)，它是把形式化方法集成到传统模拟流程中的一种有效的方法。设计团队在RTL设计中插入设计意图(断言)并且进行模拟，然后用形式化技术检查断言，限制条件，也就是合法接口行为的断言，和其他断言同时一同参加模拟。断言检查的结果改进模拟的有效性。即使利用传统的模拟验证，断言也可以大大提高模拟的效率。基于断言的验证要由用户写出断言，断言表示要验证的性质，因此需要性质描述语言。例如逻辑和时序方面的性质。这就需要尽快找到一种能实现上述功能的语言。SystemVerilog正是在这种情况下产生的，正逐渐被业界人士接受。
五、结论
形式化方法最近几年取得了长足进展，特别是等价性检验已经集成到标准验证流程中。设计和验证方法的进步应当是渐进的，不可能发生革命性的改变。因此在可以预见的几年内，混合验证方法应当成为主流的验证方法。
展示设计中绿色设计方法研究 篇4
关键词：展示设计,绿色设计,方法
艺术不分领域,任何一种艺术的诞生都与这一领域中的独具匠心和别出心裁有关。展示设计就是这样一种艺术,融合了空间和时间,只为通过精心的设计展示需要传达的内容和中心思想。展示设计又是一种媒介,为信息传达提供了重要的平台。这是一个信息时代,信息的传递速度、形式都关系到信息的时效性。展示设计为信息的传递提供了一个良好的平台,比如形式各样的展会。展会的宗旨在于展示产品,传达行业最新信息,但展会一旦结束,就会留下许多垃圾,给展馆的清理工作造成不便的同时,也成为展示设计中的一桩诟病。因此,本文主要探讨的是将绿色设计运用在展示设计中,既环保,又能够彰显功能。
一、绿色展示设计发展现状
在展示设计中融入绿色设计绝不仅仅是一种理念。20世纪90年代,绿色设计就开始逐步为人们所重视。绿色设计秉承环保理念,减少资源浪费,促进资源的回收利用,真正实现绿色设计的宗旨。绿色设计已深入人心,消费者在消费时也会不断融入环保理念,实现绿色消费。绿色设计所引发的连锁反应还包括绿色展示设计。绿色展示设计,顾名思义,就是融入绿色合计的理念,在实现展示功能的同时,减少资源浪费和环境污染,为人们充分传达了信息,实现了多方面和谐共生。
绿色展示设计更多强调的是如何减少资源浪费,确保功能顺利实现,其没有固定的形式,也没有成熟的体系,更多是一种探索过程,因为展示设计需要考虑到多种因素,绿色设计中的一些理念能否适合展示设计,还需要进一步摸索。在这样的过程之中,中国的展示设计需要不断借鉴国外先进经验,结合本国展示设计的实际情况,开展绿色展示设计。
1、日韩绿色展示设计现状
鉴于日韩两国的资源有限,其展示设计则充分融入了绿色设计理念。通过对有限资源的最大化利用,并且不断创新资源,成为绿色展示设计的典范。日本在近年的展馆设计中,常常会利用特殊的环境技术,如世博会的日本展馆,其材料和技术主要是利用太阳能进行发电,并通过运用新技术对自然资源进行有效利用,使展馆内部鸟语花香,空气新鲜。韩国在世博会的表现同样可圈可点,其外立面的合成树脂环保材料可以变成环保袋再利用。
2、欧美绿色展示设计现状
欧美绿色展示设计更注重回归自然,不拘一格。一方面,欧美的设计师会以大自然的资源为主,经过自然简单的处理变成设计的资源;另一方面,欧美设计师擅长从大自然中来,也擅长从大自然中寻找设计灵感,利用自然资源的优势进行展示设计,是欧美绿色展示设计的重要标志。在常见的展馆设计中,低碳原则是欧美国家绿色展示设计中常见的,比如英国的零碳馆。此外,欧美国家还十分注重回收技术,比如加拿大的世博会展馆。
3、我国绿色展示设计现状
中国虽然国土面积大,但人口众多,环境日益恶劣,资源逐渐匮乏。在上海世博会中,中国的展馆充分彰显了绿色设计元素,不仅利用了太阳能资源、雨水净化技术,还有生态农业景观技术等。中国的绿色设计集中了各种绿色的理念,在力求环保的同时,最大程度展现展馆的各种功能。中国在今后的设计中能否继续深入应用绿色设计,还需要进一步的探讨。
二、绿色展示设计方法
绿色展示设计在秉承展示设计的相关理念和方法后,还要融入绿色设计的理念。展示设计主要展现的是各种展物,这些展物不仅有实体,也有虚拟,所以在设计中需要虚实结合,传达展示的中心思想。
1、通过最少的实体表达最多的信息
展示设计之初,就要考虑到这一原则。实体越少,其所传达的信息越丰富,就越会简明扼要,不失展示设计的风格。通过最少的实体表达最多的信息,是一种极致设计理念,这样可以减少材料资源的浪费,却能够通过最少的资源表达最多的信息。该设计方法之所以需要在设计之初就要进行策划和设计,就是为了防止后续设计的画蛇添足,要求设计师具有全局的视野,不要一味增加实体,否则极有可能适得其反。
2、一次性实体应用逐渐减少
一次性实体应用需要逐步减少,主要是为了减少材料浪费。一次性实体应用越多,就说明材料的消耗越大,如果能够增加其使用次数,确保其不备损坏,就可以通过灵活的方式进行设计,如可拆卸。一次性实体的设计方式要巧妙构思,,通过灵活的拆卸就可以实现实体的频繁使用。
3、少实体、多虚体的展示传达
虚实结合不仅可以应用于写作中,也可用于展示设计之中。作为一种艺术的表现形式,展示设计中的虚体结合实体展示可以表达丰富的信息。虚体展示一般可通过光影等投递方式为观众传达信息。尽管虚体展示还需要进一步探索,但许多设计师还在积极探索着,试图通过一种更好的表达方式来进行展会信息的传达。作为一种艺术表现形式,虚体的展示更加无拘无束,对于观众有着一种巨大的吸引力。
虚体多,实体少主要是由于实体受到的限制多,虚体的限制少,而且能够吸引别人的眼球,为信息的传达争取更多的机会。虚实结合的方式可以使实体的作用有更大的凸显。当实体减少时,其所应用的材料随之减少,而且结合虚体还会有更强的艺术感染力。这不仅充分契合绿色设计的原则和理念,也意味着展示设计的创新到了一个新的阶段。虚实结合的表达方式是绿色展示设计中的核心理念,也是目前正在探索的阶段。该方式既可以做到减少资源浪费,也可以最大程度传达信息,是一种综合的设计方法。
三、结束语
综上所述,展示设计作为一种为传递信息而存在的媒介,可谓是艺术领域中十分实用的环节。人们通过展会找到所需信息,具有良好的视觉效应,促进了品牌的交流。绿色展示设计则充分遵循环保、节省资源、展示功能的原则,为人们带来视觉的超级享受,为环境的可持续发展做出贡献,为信息的传达增添一抹艺术的亮点。
参考文献
[1]陈婧婧,陈锦昌.展示设计中的绿色设计方法研究[J].包装工程,2011,22:72-75.
[2]符睿.产品展示设计中的绿色设计方法研究[J].包装工程,2014,18:123-126.
三维造型设计方法的研究 篇5
计算机技术和计算机图形学的不断发展，为人们提供了强有力的工具，三维CAD/CAM/CAE集成化软件被广泛应用于制造业.然而，要快速高质量地完成一个家电产品的造型设计，必须根据家电产品的特点，总结出一套建模方法和技巧.这样才能大大缩短设计周期，提高设计效率，满足客户对产品的各种特殊需求. 1掌握三维CAD造型的原理，充分了解应用软件中的造型方法CAD的三维模型有三种，即线框、曲面和实体，早期的CAD系统往往分别对待以上三种造型。而当前的高级三维软件，例如UGII,PRO/E,EUCLID等则是将三者有机结合起来，形成一个整体，在建立产品几何模型时兼用线、面、体三种设计手段。其所有的几何造型享有公共的数据库，造型方法间可互相替换，而不需要进行数据交换。此在进行产品造型时，必须首先充分了解应用软件中的各种造型方法，总结出造型方法的特点、相关参数及应用技巧，减少造型时的盲目性，便能快捷有效地获得满意结果。
1.1线框造型
线框造型可以生成、修改、处理二维和三维线框几何体。可以生成点、直线、圆、二次曲线、样条曲线等，又可以对这些基本线框元素进行修剪、延伸、分段、连接等处理，生成更复杂的曲线，线框造型的另一种方法是通过三维曲面的处理来进行，即利用曲面与曲面的求交，曲面的等参数线，曲面边界线，曲线在曲面上的投影，曲面在某一方向的分模线等方法来生成复杂曲线。实际上，线框功能是进一步构造曲面和实体模型的基础工具。在复杂的产品设计中，往往是先用线条勾划出基本轮廓，即所谓“控制线”，然后逐步细化，在此基础上构造出曲面和实体模型。
1.2曲面造型
曲面造型分两种方法，一是由曲线构造曲面;二是由曲面派生曲面。
(1)由曲线构造曲面
1)旋转曲面：一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。
2)线性拉伸面：一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。
3)直纹面：在两曲线间，把其参数值相同的点用直线段连接而成的曲面。
4)扫描面：截面发生曲线沿一条、二条或三条方向控制曲线运动，变化而生成的曲面。可根据各发生曲线与脊骨曲线的运动关系，把扫描面分为平行扫描曲面、法向扫描曲面和放射状扫描曲面。
5)网格曲面：由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线的分布规律，网格曲面可分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。单方向网格曲面由一组平行或近似平行的曲线构成;而双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。
6)拟合曲面：由一系列有序点拟合而成的曲面。
7)平面轮廓面：由一条封闭的平面曲线所构成的曲面。
二次曲面：椭圆面q抛物面，双曲面等。
(2)由曲面派生曲面
1)等半径倒圆曲面：一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。
2)变半径倒圆曲面：半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。
3)等厚度偏移曲面：与原始曲面偏移一均匀厚度值的曲面。
4)变厚度偏移曲面：在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。
5)混合曲面(桥接曲面)：在两个(或多个)分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面。
6)延伸曲面：在曲面的指定边界线处，
随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，追求完善已成为时尚.人们对消费产品的要求已不仅仅满足于基本功能的完备，同时更注重外观的美感.家电产品在不断提高和完善其功能的同时，在外观造型上要求越来越高，多以复杂方式自由地变化的曲线曲面即所谓自由型曲线曲面组成.而这一类形状单纯用画法几何与机械制图是不能表达的.这就给家电产品的设计及制造带来了挑战.
计算机技术和计算机图形学的不断发展，为人们提供了强有力的工具，三维CAD/CAM/CAE集成化软件被广泛应用于制造业.然而，要快速高质量地完成一个家电产品的造型设计，必须根据家电产品的特点，总结出一套建模方法和技巧.这样才能大大缩短设计周期，提高设计效率，满足客户对产品的各种特殊需求. 1掌握三维CAD造型的原理，充分了解应用软件中的造型方法CAD的三维模型有三种，即线框、曲面和实体。早期的CAD系统往往分别对待以上三种造型。而当前的高级三维软件，例如UGII,PRO/E,EUCLID等则是将三者有机结合起来，形成一个整体，在建立产品几何模型时兼用线、面、体三种设计手段。其所有的几何造型享有公共的数据库，造型方法间可互相替换，而不需要进行数据交换。此在进行产品造型时，必须首先充分了解应用软件中的各种造型方法，总结出造型方法的特点、相关参数及应用技巧，减少造型时的盲目性，便能快捷有效地获得满意结果。
1.1线框造型
线框造型可以生成、修改、处理二维和三维线框几何体。可以生成点、直线、圆、二次曲线、样条曲线等，又可以对这些基本线框元素进行修剪、延伸、分段、连接等处理，生成更复杂的曲线，线框造型的另一种方法是通过三维曲面的处理来进行，即利用曲面与曲面的求交，曲面的等参数线，曲面边界线，曲线在曲面上的投影，曲面在某一方向的分模线等方法来生成复杂曲线。实际上，线框功能是进一步构造曲面和实体模型的基础工具。在复杂的产品设计中，往往是先用线条勾划出基本轮廓，即所谓“控制线”，然后逐步细化，在此基础上构造出曲面和实体模型。
1.2曲面造型
曲面造型分两种方法，一是由曲线构造曲面;二是由曲面派生曲面。
(1)由曲线构造曲面
1)旋转曲面：一轮廓曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的曲面。
2)线性拉伸面：一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。
3)直纹面：在两曲线间，把其参数值相同的点用直线段连接而成的曲面。
4)扫描面：截面发生曲线沿一条、二条或三条方向控制曲线运动，变化而生成的曲面。可根据各发生曲线与脊骨曲线的运动关系，把扫描面分为平行扫描曲面、法向扫描曲面和放射状扫描曲面。
5)网格曲面：由一系列曲线构成的曲面。根据构造曲面的曲线的分布规律，网格曲面可分为单方向网格曲面和双方向网格曲面。单方向网格曲面由一组平行或近似平行的曲线构成;而双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。
6)拟合曲面：由一系列有序点拟合而成的曲面。
7)平面轮廓面：由一条封闭的平面曲线所构成的曲面，
二次曲面：椭圆面q抛物面，双曲面等。
(2)由曲面派生曲面
1)等半径倒圆曲面：一定半径的圆弧段与两原始曲面相切，并沿着它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。
2)变半径倒圆曲面：半径值按一定的规律变化的圆弧段与两原始曲面相切，并沿它们的交线方向运动而生成的圆弧型过渡面。
3)等厚度偏移曲面：与原始曲面偏移一均匀厚度值的曲面。
4)变厚度偏移曲面：在原始曲面的角点处，沿该点曲面法矢量方向偏移给定值而得到的曲面。
5)混合曲面(桥接曲面)：在两个(或多个)分离曲面的指定边界线处，生成一个以指定边界为生成曲面的边界线，与所选周围原始曲面圆滑连接的中间曲面。
6)延伸曲面：在曲面的指定边界线处，
按曲面的原有趋势(或某一给定的矢量方向)进行给定条件的曲面扩展而生成的曲面。
7)修剪曲面：把原始曲面的某一部分去掉而生成的曲面。
拓扑连接曲面：把具有公共边界线的两个曲面进行拓扑相加后的曲面。
1.3实体造型
(1)基本体素
1)拉伸体：一条封闭的曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的实体，包括方体。
2)旋转体：一条封闭曲线绕某一轴线旋转某一角度而生成的实体。包括圆柱体、圆锥体、球体等。
3)扫描体：一条或多条封闭的截面曲线沿一条轨道按一定的规律运动而生成的实体。
4)等厚体：与原始曲面偏移给定厚度值而形成的实体。
5)缝合体：由一组封闭曲面缝合而成的实体。
6)倒圆体：在实体的棱线处，生成一个与该棱线处的两相邻表面相切的圆弧型过渡体。
7)倒角体：在实体的棱线处，生成一个给定角度和长度的倒角体。
(2)工艺特征形体
包括凸台、凹腔、孔、键槽、螺纹、筋等。
(3)拓扑操作对体素进行并、交、差布尔运算及用曲面片体修剪体素而生成新的实体。
2对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征和合理的建模顺序
有些家电产品看起来相当复杂，造型时感到无从下手，但只要能合理地对产品进行分解，确定产品结构的主要特征，分清哪些是基本特征(如配合面，保证产品外形轮廓的特征)，哪些是构造特征(如面与面之间的过渡、凸台、凹腔、倒圆、倒角等)。首先从基本特征入手，保证重点，产生一合理的造型“基体”或称之为“毛坯”。在这“毛坯”上完成细节部分，如过渡面、局部凸台、凹腔、孔、筋条等。这样主次分明，先做什么，后做什么，问题就迎刃而解了。
在造型时根据产品的主要结构建立特征曲线，通过拉伸、旋转等建立一个合理的“毛坯”，再采用布尔“并、交、差”运算，在实体之间合并、挖除、相交成型，同时还可以使用面片体作为“刀具”将“毛坯”实体剪切去除，以获得实体的外观形状。这也是在家电产品造型时最常用的造型方法。其关键在于如何建立高质量的面片体“刀具”，这将在曲面造型技巧一节中提及。在这里需提出的是：用以修剪、分割实体的曲面片“刀具”各边缘都应超出“毛坯”剪切截面边缘。此时可将原片体沿切面方向延伸，延伸片与原片体缝合后形成的较大片体即可作为“刀具”也可以重新作一较大的片体“刀具”。
3曲面造型技巧
家电产品的外观形状多由自由型曲线曲面组成，其共同点是必须保证曲面光顺。曲面光顺从直观上可以理解为保证曲面光滑而且圆顺，不会引起视觉上的凸凹感，从理论上是指具有二阶几何连续，不存在奇点与多余拐点，曲率变化较小以及应变能较小等特点。要保证构造出来的曲面既光顺又能满足一定的精度要求，就必须掌握一定的曲面造型技巧。
3.1化整为零，各个击破
用一张曲面去描述一个复杂的家电产品外形是不切实际和不可行的，这样构造的曲面往往会不光顺，产生大的变形q这时可根据应用软件曲面造型方法，结合产品的外形情况，将其划分为多个区域来构造几张曲面，然后将其缝合，或用过渡面与其连结。
当今的三维CAD系统中的曲面几乎都是定义在四边形域上。因此，在划分区域时，应尽量将各个子域定义在四边形域内，即每个子面片都具有四条边。而在某一边退化为点时构成三角形域，这样构造的曲面也不会在该点处产生大的变形。
3.2建立光顺的曲面片控制线
曲面的品质与生成它的曲线即控制线有密切关系。因此，要保证光顺的曲面，必须有光顺的控制线。曲线的品质主要考虑以下几点：①满足精度要求;②曲率主方向尽可能一致;③曲线曲率要大于将做圆角过渡的半径值。在建立曲线时，利用投影、插补、
光顺等手段生成样条曲线，然后通过其“曲率梳”的显示来调整曲线段函数次数、迭代次数、曲线段数量、起点及终点结束条件、样条刚度参数值等来交互式地实现曲线的修改达到其光滑的效果。有时通过线束或其它方式生成的曲面发生较大的波动，往往是因为构造样条曲线的U、V参数分布不均或段数参差不齐引起的。这时可通过将这些空间曲线进行参数一致性调整，或生成足够(视形状与精度而定)数目的曲线上的点，再通过这些点重新拟合曲线。
在曲面片之间实现光滑连接时，首先要保证各连接面片间具有公共边，更重要一点是要保证各曲面片的控制线连接要光顺，这是保证面片连接光顺的必要条件。此时，可通过修改控制线的起点、终点约束条件，使其曲率或切矢在接点保证一致。
3.3将轮廓线删繁就简再构造曲面
我们看到的曲面轮廓往往是已经修剪过的，如果直接利用这些轮廓线来构造曲面，常常难以保证曲面的光顺性，所以造型时在满足零件的几何特点前提下，可利用延伸、投影等方法将3D轮廓线还原为2D轮廓线，并去掉细节部分，然后构造出“原始”曲面，再利用面的修剪方法获得曲面外轮廓。
3.4从模具的角度考虑
产品三维造型的最终目的是制造。家电产品零件大都由模具生产出来。因此，在三维造型时，要从模具的角度去考虑，在确定产品出模方向后，应检查曲面能否出模，是否有倒扣现象(即拨模角为负角)，如发现有倒扣现象，应对曲面的控制线进行修改，重构曲面。这一点往往被忽略，却是非常重要的。
3.5曲面光顺评估
在构造曲面时，要随时检查所建曲面的状况，注意检查曲面是否光顺，是否扭曲，曲率变化情况等，以便及时修改。检查曲面光顺的方法可利用对构成的曲面进行渲染处理，即通过透视、透明度和多重光源等处理手段产生高清晰度的逼真性和观察性良好的彩色图像，再根据处理后的图像光亮度的分布规律来判断出曲面的光顺度。图像明暗度变化比较均匀，则曲面光顺性好，如果图像在某区域的明暗度与其它区域相比变化较大，则曲面光顺性差。另外，可显示曲面上的等高斯曲率线，进而显示高斯曲率的彩色光栅图像，从等高斯曲率线的形状与分布、彩色光栅图像的明暗区域及变化，直观地了解曲面的光顺性情况。
4结束语
机械优化设计理论方法研究 篇6
关键词：机械；优化设计；优化方法；创新理论
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）02-0083-02
1 机械优化设计理论概述
所谓优化设计，即利用计算机技术，应用高精确度的力学数值分析法来分析与计算，从若干符合给定的设计要求的可行方案中，按预定的指标自动进行选择，最终选出最优的设计方案。伴随计算机技术的发展，优化设计于二十世纪六十年代发展，构成了现代设计方法出现与兴起发展[1]。机械优化设计的综合性和实用性都很强，能够使机械设计更加可靠、高效，大大节约原材料降低成本。我国优化设计起步晚于国外，但通过大量科研人员与相关工作者的辛勤付出，机械优化设计迅猛发展，取得了可喜的成果，但是与国外先进的技术相比，差距在所难免，有效益的优化设计方案在总体设计方案中所占比例不高。计算机等先进仪器以及高超的技术使得机械设计和制造的应用得到了广泛的应用空间。
2 机械优化设计过程中的理论特点
2.1 针对性
机械优化设计在一定程度上具有针对性，相应的优化方式能够解决相应的问题，在特定领域满足特定的需求，解决需要解决的问题。对机械设计优化的过程中，要具体问题具体分析，参考数据，对其中制约的变量进行有效分析，使其结果达到最优的状态。
2.2 客观性
建立数学模型要遵循一定的客观性规律，这也是机械有化过程中要遵循的。建立数据模型的过程就是将一些优化设计问题转化成为数学问题，按照可行性分析，将问题的关键因素转化成数学变量，结合具体要求建立数学模型，分析变量数据，完善优化的形式[2]。
2.3 创新性
创新的力量不得不说，他关系个人的成长，企业的发展，社会的前进，只有创新，民族才会不断壮大成长。所以，机械在进行优化设计的时候也不能够离开创新力量，脱离保守迂腐的思想，更新完善传统优化设计没有创新的地方，使结果更加优化。传统的优化设计只能处理简单的工程问题，工作量大，复杂的问题解决不了。现代优化设计方法不同与传统优化方法，不需要选取设计变、约束条件、目标函数等，就能够获得全局性的解决办法，节约了人力、时间成本。
3 机械优化设计过程中的设计方法
3.1 优化准则
准则在一定程度上保留了传统的表现形式。结合物理学角度以及力学角度等进行有效分析，具有一定的主观性。更加直接的更新优化概念，在相应的物理学原理达到更简单的计算，在单一目标函数的情况下具有更好的优化效果，更加适合传统工程的应用。事物都有两面性，有利就有弊，弊端就是，在多目标函数好的情况下比较容易出现问题，大大降低优化效率。
3.2 对于线性规划
所谓线性规划，是机械优化设计的一种重要方法，有效运用及优化数学极值原理。线性规划方法可以分为单纯形式和有序列形式。单纯形式一开始由美国的专家提出，针对单一目标对优化设计方案提供了简单和直接的方法，并且具有优化的作用[3]。对于多函数的运算过程就显得不那么有效。序列线性形式在一定程度上将机械问题进行拆解，在将每一部分进行优化，对其整体分步骤的进行求解优化，最终对准确的数有效求解。这样做的目的会让机械优化设计更加准确、可靠。
3.3 对于非线性规则
非线性规则在实际生活中的应用非常广泛，推动了机械优化设计的过程进程。线性规划的求解是比较片面的，在此非线性规划的运用将查漏补缺。它在运算过程中不用约束直接法，也可以无约束间接法。无约束直接法在一定程度上是将机械优化设计中的现有数据进行分析，同时将再生信息试探分析，求出最优值。并且，无约束间接法是机械优化设计过程中重要的组成内容，是在利用数学原理的基础上对函数进行的求优方法。
4 机械优化设计的展望
优化设计的出现是设计质量有了保障，大大缩短了设计周期，前景应用广阔，必将在市场占有一席之地，成为机械设计必不可少的一个重要环节。现在，优化设计已经取得了不少的成就，不管是经济方面还是社会方面。但，工程应用上的成绩远比预期值要低很多。可以归纳为以下四点原因：①仅仅优化了参数和结构方面取得了有效的反馈，在方案的诸多方面比如设计、选取、决定有一定不足[4]。②数学建模方面需要很高的专业技能与知识积累，建模难度系数高，技术专业性强，更不用说在动态系统的应用了，及时数学模型建立起来，但其描述出来的东西很有限，错误率极高。③对于一些程序问题，如何做到有效的求解要求很高，更不用说复杂的和形态不稳定的设计了，很难求出全局最优解。④目前机械产品更新换代日新月异，对于复杂程度和性能的要求越来越高，这就需要创新力来帮助实现复杂化和多功能的机械优化设计，当然传统的优化设计早已跟不上时代潮流显得势单力薄，不能满足创新时代的需求。
以下几个方面能够有效提高优化设计的求解能力和使用效率：①实先从简单到复杂，从不分到整体的整合，整合优化，实现全过程的优化设计。②在研究方法方面，实现多角度、多方位的的优化研究，利用各个学科：力学、数学、物理学、计算机学、等，将各学科融合为一体服务于机械优化设计，形成新的求解理论体系；③建立有效的数学模型，寻求有效的目标函数和约束函数，向自动化、智能化的方向发展优化建模；④优化目前现有的计算方法，寻找新的创新性计算方法，产漏补缺，各取所长，发挥优势，相互结合解决复杂的机械设计问题；⑤优化程序，将每个程序的的編码优化简单，将集成环境优化改善。
5 结 语
机械优化设计将所有满足要求的设计方案中找出最优的方案，包括几个主要环节：数学建模、选择优化方法、分析结果。纵观机械优化设计的历史，相信每个人都会体会到新方法带来的效益，其发展迅速，并且取得了可喜的成绩。虽然存在建模难、选取优化方法难的难题，但是不能否认其前景的宽阔。研究机械化优化设计理论具有重要的理论意义和实际意义。经济时代的不断发展，计算机技术成为人们生活、学习、工作中不可或缺的一部分，计算机技术是的机械优化设计的应用得到了广泛的推广。同样也使得优化设计产业蒸蒸日上。有一点建议在机械优化设计领域，应注重理论和实际的相互结合，理论指导实践。实际生活中，优化问题已经波及到生活的方方面面，得到各个领域：科研、政府机关、产业部门等相关部门的重视。市场经济的不断发展，产品更新换代的周期短之又短，竞争激烈，企业追求高利润低成本，增强产品的竞争力，使得机械优化设计的应用会越来越广泛，得到的效益肯定也会越来越多。
参考文献：
[1] 孙全颖，王艺霖，杜须韦.遗传算法在机械优化设计中的应用研究[J].哈 尔滨理工大学学报，2015，（4）.
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鞋楦夹具设计方法研究 篇7
制鞋业是我国国民经济中的一个重要产业, 经过多年的发展, 已经有了相当的基础。我国虽然是制鞋大国, 但不是制鞋强国, 国内的制鞋工业仅靠廉价的劳动力、产量和规模的优势获取经济效益。国内鞋类产品在款式和质量上都不及国外, 因而在国际市场上缺乏有力的竞争。根本原因在于国内鞋业设计缺乏创新性和高水平的独立开发能力, 鞋类制作生产力落后, 自动化水平非常低, 很多工序尚未摆脱手工操作。技术的欠缺正越来越成为其发展的桎梏[1,2]。
而鞋楦的夹具设计正是利用现代科学技术改造传统制鞋业的一个重要方面。近十几年来, 学者们对表面几何形状规则的工件夹具的设计投入了大量的研究, 但对鞋楦这类表面为自由曲面的工件的夹具的设计研究非常少, 所以对鞋楦设计没有统一的规定。
本研究主要讨论鞋楦夹具设计的方法, 并提出运用CATIA软件二次开发功能进行鞋楦模型信息的提取, 从而得到一种新的曲面法向量计算方法, 对鞋楦夹具设计进行分析并提出初步方案, 并对鞋楦夹具布局和夹紧力进行同步优化设计。
1 鞋 楦
鞋楦是以人体脚的形状为依据, 用作设计皮鞋或其它品种鞋的模型和定型工具, 目前以塑料鞋楦为主。它的造型、材料、结构、精度与鞋的生产和质量都有着密切联系。在皮鞋的生产过程中, 很多工艺比如打磨、喷胶、烘干等都必须要有鞋楦在鞋腔内的支撑, 皮鞋的造型才能坚固。
鞋楦是一个由复杂的不规则的异形曲线和曲面所组成的自由型闭合曲面体, 如图1所示, 其外形轮廓不能由初等解析曲面构成, 也不能用简单的机械三视图来描述它[3]。
a—底面;b—底面的对立面;c—左后表面;d—右后表面;e—左前表面;f—右前表面
2 鞋楦夹具设计流程
根据夹具的实际设计过程, 本研究将鞋楦夹具的设计过程分为3个阶段:概念、优化设计和结构设计。将鞋楦夹具的概念和优化设计融合在一起, 可以更好的发挥数字化设计的优势, 减少夹具设计和试制的成本。
基于零件的数学模型以及Pro/E、ANSYS、CAD/CAM/CAE软件上的鞋楦现代夹具设计流程图如图2所示。本设计流程的特点是采用主模型原理, 建立统一的鞋楦夹具分析模型, 从概念设计、结构分析指导优化设计以及后面的环节都采用唯一的数学模型, 设计能够在虚拟状态下构思、设计、制造、测试和对产品进行分析, 以提前解决那些将在时间、成本、质量等方面产生的问题。
3 鞋楦表面信息提取
鞋楦表面信息主要包括采样点坐标和法向量, 本研究中的夹具设计中的夹紧点正是基于这两种数据。由于鞋楦表面是由复杂的不规则的异形曲线和曲面所组成的自由型闭合曲面体, 其外形轮廓不能由初等解析曲面构成。鞋楦表面难于用上述曲面、曲线方法表示出曲面函数, 且该方法计算复杂。而在本例中, 因为鞋楦CAD模型是已知的, 所以采取的是CATIA二次开发技术[4], 求取曲面上的点作为采样点, 并通过CATIA中自动计算功能计算该采样点相对于曲面表面的法向量。结合三维软件CATIA的二次开发功能来进行求取鞋楦表面信息, 操作方便, 且计算简单。程序主要的提取过程:
(1) 定义基本参数和变量。
用Initvars () 函数初始化全局变量, 设定偏移平面、偏移距离、主控元素、基准平面、参考平面、构造线等参数及变量。
(2) 创建主控元素MasterElement () 。
首先添加一个几何图形集“主控元素”, 用set命令在鞋楦模型坐标系中创建4个点, 根据三点确定一个平面的原理, 用AddNewPlane3Points通过空间三点对应建立相互垂直的两个基准平面, 分别为水平平面和垂直平面。
(3) 创建参考平面。
用添加偏移平面的命令AddNewPlane-Offset对水平方向和垂直方向上的基准平面分别进行偏移。偏移个数和偏移距离可以通过VB程序主界面输入框输入。本研究中水平偏移平面个数为n, 垂直偏移平面个数为m。
(4) 创建构造线。
通过AddNewIntersection相交命令首先对鞋楦表面和垂直偏移平面进行相交处理, 可以得到多组交线, 作为构造线。
(5) 创建构造点。
通过AddNewIntersection相交命令对 (3) 中所得到的水平偏移平面和 (4) 中的构造线进行相交处理, 得到本研究中所需要的采样点, 采样点个数为n×m, 且这些采样点均匀分布。
(6) 创建作为法向量的直线。
在采样点上通过AddNewLineNormal命令添加直线, 使直线通过采样点, 并垂直于曲面表面, 直线长度为一个单位, 则该直线的方向信息即为研究中所需要的法向量信息。
(7) 提取采样点坐标值和法向量。
最后通过CATIA函数GetCoordinates和GetDirection分别提取出采样点的坐标值和法向量, 并保存为文本文档输出。
鞋楦表面采样点坐标和法向量信息提取结果图如图3所示。
4 鞋楦夹具布局方案分析
鞋楦夹具方案设计主要是指概念设计阶段, 主要任务是根据鞋楦工件的表面形状和打磨喷胶等工艺要求, 分析具体的设计要求, 对鞋楦工件进行定位夹紧规划, 确定整个鞋楦夹具的定位元件和夹紧元件的布局方案。
鞋楦CAD模型如图1所示, 是通过三维设计软件CATIA生成的鞋楦几何模型。根据模型生成过程, 可以把鞋楦表面分解成6块自由曲面, 曲面a为鞋机打磨、喷胶等工艺的待加工面;b面是一普通平面;其余四面均为自由曲面。基于点的鞋楦模型理论可得, 主要的鞋楦表面特征点有两点:楦头点和楦尾点, 且c面和d面为近似对称面。
据鞋楦表面形状分析可得, b面可以用来作为定位面来使用, 但考虑实际鞋楦外形, 则作为加工面的鞋底表面上, 鞋楦头部和鞋楦尾部曲率有可能相差很大。所以假如用b面作为定位面, 有可能会导致鞋机打磨、喷胶时z轴方向移动范围较大, 而且可能导致鞋底曲率变化较大的地方无法加工, 所以在此不能选择b面作为定位面。考虑鞋机的加工需要, 通过鞋楦底面创建一个辅助定位面进行辅助定位。
鞋机提取出来的鞋底打磨、喷胶等工艺的轨迹线如图4所示, 根据鞋底加工轨迹上40个离散点的坐标值及法向量, 确定一个平面, 使加工轨迹上40个点到该平面的总距离最小。为了简化计算, 在本研究中, 取40个轨迹操作点的三维坐标平均值
在本研究中, 笔者采用形封闭定位夹紧原则[5,6], 夹具元件与零件保持点接触, 选择夹紧点的时候尽量要使夹紧点分布均匀。因为定位与夹紧的相互联系, 夹紧并非是工件完全定位后为防止定位被破坏而附加的夹紧元件提供的夹紧, 而是包含有定位与夹紧双重功能, 所以定位元件和夹紧元件可以是同一个夹具元件。且根据形封闭定义可知[7], 定位夹紧接触点数目m≥6+1=7。考虑鞋楦底面为加工面, 所以需从底面的对立面选取两点作为代替定位点。鞋楦定位夹紧布局安排步骤如下:
(1) 在c面和d面上分别选取近似的对称点作为辅助定位基准, 执行定位夹紧功能;
(2) 以鞋楦底面加工轨迹线建立的近似平面α为辅助定位面, 转化为待加工面上的点S1和点S2作为辅助定位点, 因为鞋楦底面为加工面, 所以在b面上选取一个定位点L1, e、f面上选择一个定位点L2;L1和L2分别为S1和S2对应的两点, 作为该鞋楦的主定位点进行定位, 执行定位后点S1和点S2撤去;
(3) 最后把鞋楦楦尾点作为第三定位点L3, 在e面和f面也分别选取夹紧点C3和C4夹紧。
鞋楦夹具布局图如图5所示。
根据研究中确定的夹具方案以及定位夹紧算法, 选定一组采样点L1、L2、L3, C1、C2、C3和C4。这些点的坐标值及此处的法向量 (指向零件) 如表1所示。
根据零件的确定性定位判定[8], 组成的雅可比矩阵J为:
通过矩阵的初等变换, 可得出矩阵J的秩R (J) =6, 并且这些点都符合上述的夹具设计方案, 所以可以作为合理定位夹紧点。
5 结束语
本研究针对如鞋楦等表面形状为不规则自由曲面的工件, 提出了一种基于CATIA二次开发的曲面鞋楦表面信息提取方法, 其表面采样点相对于曲面的法向量计算方法, 简单有效, 且操作方便。笔者还对鞋楦模型进行了分析, 根据形封闭原则确定鞋楦零件的定位夹紧方案, 并运用雅可比矩阵进行方案夹紧验证, 可以得出:提出的定位夹紧方案是符合要求的。
参考文献
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气阀传统设计方法研究 篇8
气阀作为气体进出压缩机的唯一通道, 其工作规律与阀片运动密切相关, 而阀片的开度与气体的热力状态、活塞的运动状态以及气体的流动状态均有关系。
在膨胀阶段, 排气阀关闭, 气缸内的压力和温度随着容积的增大从最高的排气压力和排气温度不断下降。当进气阀片上的压差足以推动进气阀片离开阀座时, 进气阀开启, 气体由阀腔经过阀隙进入气缸, 发生传热传质。缸内局部压力和温度不断升高, 并向周围传递, 传递速度与活塞运动速度、气体流动状况有关。阀片作为连接阀腔与限制器流道的启闭元件, 其运动直接影响阀隙气流的流动, 而阀片的开度取决于周围流场分布特点和弹簧力的大小。因此, 压缩机的进气过程是一个流场、温度场和阀片、活塞运动相互耦合的过程。
压缩机的膨胀、进气过程与压缩、排气过程紧密联系, 气阀结构的合理性、与运行参数的匹配程度, 影响着气阀处于开启状态时的气体流动, 决定了压缩过程的开始, 进而对排气过程产生作用。弹簧力或曲轴转速较小, 进气过程结束过早, 造成部分压缩功浪费, 当阀片的气体推力不能克服弹簧力使阀片贴紧升程限制器时, 阀片运动将出现颤振, 使阀片的疲劳破坏几率大大增加。反之, 弹簧力或曲轴转速较大, 进气阀滞后关闭, 活塞压缩气体时在进气阀处出现泄露, 同时造成压缩过程开始较迟、排气过程缩短, 实际排气量的减小将直接导致压缩机有用功的下降。
2 研究进展
在上世纪50年代, 通过假设往复式压缩机进排气过程是理想气体的一元绝热流动, 并对阀隙流道进行大大简化的前提下, 建立了气阀理论, 该理论包含两个方程:阀片的运动微分方程和气阀的流动微分方程, 由于微分方程组求解难度和计算量太大, 在1966年以后, 随着计算机的发展, 人们才逐渐解决了气阀的理论计算问题。60年代, Borisoglebskii等人[1]在设计往复式压缩机自动阀时, 通过计算出阀片的运动参数和气流压力变化, 分析了气流流动参数、弹簧力、惯性力和运动质量对阀片运动的参数, 认为阀片运动取决于气流, 而阀片的合理设计可以改善阀片的关闭滞后并产生较大的流动断面面积, 从而降低流动阻力损失, 提高压缩机工作的可靠性。但是, 由于气阀方程组存在简化阀座和阀隙气流而引进的流量系数, 这些系数需要通过实验进行测量, 估算的流量系数常常引起计算的阀片位移与实际有明显偏差, 尤其阀片存在颤振时, 两条位移曲线形状完全不同。即使气阀理论存在着过多假设的问题, 但一直是气阀设计的主要依据, 广泛应用至今。
北京第一通用机械厂通过试验的方法研究了空气压缩机气阀的运动规律[2], 由西安交通大学压缩机教研室等多家单位组成的气阀科研小组通过计算交变载荷下气阀弹簧的安全系数, 调整弹簧参数和阀片升程, 降低了阀片的撞击速度和撞击应力[3]。西北轻工业学院徐元昌等人通过实验研究了气阀开启瞬间的气体流量变化[4], 抚顺石油学院的孙杰通过联立求解一元流动微分方程和运动微分方程, 从理论上得到阀片位移和气缸内压力随曲柄转角的变化[5]。这种理论研究方法在其后一直用于压缩机的设计。其后又通过变距离电容位移法测定了气阀的运动规律[6]。西安交通大学潘树林等人理论研究了往复式压缩机网状阀由气流偏吹引起的倾侧运动[7]以及气阀对压缩机容积流量的影响[8], 李云设计了环状阀柱状弹簧的比弹簧力[9], 林高平等人分析了进气加热和相对余隙容积对进气系数的影响[10]。河南理工大学王发辉等人对气阀阀片进行了可靠性分析[11], 认为提高气阀可靠性的关键是降低阀片撞击升程限制器与阀座的速度。兰州理工大学王丽等人研究了动态气体力对往复式压缩机气阀运动规律的影响[12], 四川石油管理局成都天然气压缩机厂魏敬国等人研究了活塞式压缩机中不同运行工况、工作介质、弹簧刚度系数以及预压缩量对气阀开启角度的影响[13]。沈阳鼓风机集团有限公司唐翠华等人研究了往复活塞压缩机气阀弹簧力对压力系数和功耗的影响[14]。
显然, 传统设计方法对气阀的研究大多集中在应用一元理论分析阀片的运动规律、气阀弹簧参数的设计和优化上, 未考虑压缩机流场、温度场和阀片运动的耦合, 具有一定的局限性。
3 研究展望
盾构转弯设计方法的研究 篇9
1 盾构转弯的操作原理
盾构的主机较长, 一般在9m以上, 通常采用铰接的形式, 使其刚性结构断开, 并可在密封的前提下达到一定的转角, 从而实现隧道的转弯要求。目前盾构有主动铰接和被动铰接两种形式。主动铰接位于前盾和中盾之间, 但是盾体内部空间有限较难布置, 且操作较复杂, 对司机的素质要求较高。被动铰接位于中盾和尾盾之间, 被动铰接油缸采用随动形式, 可以根据隧道的掘进方向自动调整尾盾的掘进曲线, 基本适应一般隧道掘进的要求, 因此, 被动铰接形式在转弯半径大于300m的施工中较为常用。
被动铰接的设计转角能够达到1.5°。在盾构曲线掘进的过程中, 司机通过控制不同分区内推进油缸的压力和行程来控制盾体的姿态, 从而实现正确的掘进线路。
铰接油缸除了参与盾体的转弯, 还负责拖拽尾盾。拖拽的力包括尾盾和隧道之间的摩擦力以及盾尾刷和管片外壁之间的摩擦力, 等于有杆腔内的油压乘以有效面积再乘以铰接油缸的数量。铰接油缸在盾体内圆周均布, 在45°、135°、225°和315°的位置分别配有一个行程传感器, PLC通过对反馈的行程数据进行分析, 可以自动或者手动的进行随后的操作。
铰接系统有3种工作模式, 分别为自由、伸长和缩回模式。自由模式下, 铰接油缸基于盾体中心处于自由铰接的状态, 此时, 无杆腔接油箱, 各油缸的有杆腔相互连通, 液压油在外力作用下为达到平衡, 在各有杆腔内自由流动, 从而达到调节尾盾位置效果。伸长模式下, 铰接被断开, 有杆腔和无杆腔皆通油箱, 铰接油缸可以随着盾体的掘进被拉长。缩回模式下, 无杆腔接油箱, 向有杆腔注入高压油, 使得铰接油缸被缩短。
2 盾构转弯的设计方法
2.1 管片环组合形式及拼装方法
目前盾构隧道施工一般采用3种管片环的组合形式。第一种为标准管片环、左转弯管片环和右转弯管片环的组合形式;第二种为左转弯管片环和右转弯管片环的组合形式;第三种为通用管片环的组合形式。第一种凭借施工简单、操作方便的优势在国内普遍应用, 而其他两种则因施工复杂、操作困难而较少使用。
在盾构直线掘进的过程中, 除了需要纠偏, 一般均采用标准管片环进行直线隧道的拼装。在盾构曲线掘进的过程中, 一般通过采用标准管片环和转弯管片环组合的形式进行曲线隧道的拼装。以国内地铁隧道通用的6m外径、1.2m宽的管片环为例, 转弯管片环的中间宽度为1.2m、楔形量为48mm, 转弯管片环和标准管片环的数量比为U。当U=1∶1时, 转弯半径为300m;当U=3∶7时, 转弯半径为500m;当U=1∶3时, 转弯半径为600m;当U=3∶13时, 转弯半径为800m;当U=3∶17时, 转弯半径为1 000m。本文研究当U=3∶2, 即转弯半径为250m的情况, 如图1所示。
2.2 盾构主机转弯的设计方法
铰接系统将盾构主机分成两部分。前半部分包括刀盘、前盾和中盾, 以及其内部的管片桥、管片安装机、螺旋输送机等。后半部分只有尾盾及其内部结构。通常前半部分相对较长, 且直径相对较大。因此, 如果盾构能够实现预计的曲线掘进, 就必须保证前半部分能够布置在曲线隧道内。盾构壳体的几何关系为, 刀盘直径>前盾直径>中盾直径, 这种倒锥型结构保证了盾构在没有仿形刀辅助的情况下可以进行曲线掘进。如图2所示。
由铰接系统的工作原理可以知道, 铰接油缸在外部载荷的作用下, 可以自由伸缩, 尾盾随之被动地在隧道和管片之间摆动, 直到达到瞬时的相对平衡。于是可以确定尾盾相对主机前半部分轴线的转角。如图3、图4所示, U=3∶2, 即转弯半径为250m的情况下, 盾构开挖直径6.28m, 主机相对转角约为1.2°, 铰接油缸的相对行程差约为120.68mm。
2.3 盾构后配套转弯的设计方法
盾构的后配套通常由连接桥和拖车组成。后配套由主机通过连接桥的牵引向前行进。连接桥两端分别支撑在管片桥和1号拖车上, 拖车则通过金属车轮坐在隧道底部的轨道上。
拖车车轮的一般结构如图5所示, 其中的一个轮子带有双边轮缘, 用于控制转弯, 1台拖车一般有4组这样的轮子。
通过几何作图可以判断, 当带轮缘的轮子布置在拖车内侧的时候, 拖车可以适应相对较小的极限转弯半径, 相反则只能适应相对较大的极限转弯半径, 如图6所示。因此, 为了追求小转弯半径, 将带有轮缘的轮子布置在拖车的内侧是一个可选方法。
注意到相对于带轮缘的轮子的外侧拖车结构, 这部分结构在拖车转弯的时候处于转弯曲线的外侧, 且下一辆车的外侧结构也是这种情况, 于是通过绘图法可以知道, 这样的车轮布置使得拖车在转弯的时候扭转动作相对较小。反之, 将带有轮缘的轮子布置在拖车的外侧的时候结果却是相反的, 这样对于拖车之间, 具有相对运动的各种管路、走台甚至皮带机的结构都非常不利。
另外, 后配套沿线的皮带运输机和风管也都需要进行针对转弯的设计。
2.4 盾构转弯关键点的校核
所谓转弯关键点就是盾构转弯时, 结构之间有相对运动, 且距离较近的部位。在盾构转弯设计的时候需要着重校核的关键点有:螺旋输送机和连接桥、螺旋输送机和二次吊机、螺旋输送机和皮带机、管片桥和皮带机、二次吊机和皮带机、二次吊机和管片安装机以及拖车之间的管路和走台的相对位移。需要适应转弯的连接有:二次吊机在管片桥和连接桥上的连接、一次吊机在连接桥和拖车上的连接。
3 结语
本文对盾构转弯的设计方法进行了研究, 分析的项目包括隧道管片、主机、铰接、车轮、拖车等, 内容详细, 方法清晰, 望同仁能够得以参考和讨论。
摘要：描述了盾构转弯的操作方法, 剖析了铰接系统的工作原理。对盾构转弯的设计方法进行了研究, 包括隧道管片转弯、主机转弯、尾盾转弯、后配套转弯等, 并配合图解对拖车的转弯进行了详细的分析和总结。
关键词：盾构,转弯,铰接,车轮
参考文献
[1]吴文斐.盾构转弯姿态和转弯半径的设计验证[J].上海建设科技, 2013, (4) :15-17.
[2]徐辉.铰接式盾构的铰接与仿形刀应用[J].地下工程与隧道, 2003, (2) :41-44.
[3]董宇.浅析盾构过小半径曲线段的操作与纠偏[J].科技资讯, 2009, (14) :139-140.
车架防腐设计方法研究 篇10
为提高车架等汽车零部件防腐设计水平, 本文分析和总结了各种“防腐设计”理论和实践经验, 研究了防腐设计方法, 以车架为例, 对车架防腐设计方法全面解析。
1 产品防腐设计流程
基于提高产品防腐水平, 减少产品设计、制造、运输、安调等投入为目的, 立足于现有成熟产品设计流程, 将防腐设计的内容融入到产品设计各阶段。具体设计阶段防腐设计流程见图1。
2 车架防腐设计方法
2.1 车架防腐期限/目标设定
2.1.1 熟悉产品用途
熟悉产品的用途, 是防腐目标设计的前提和基础。
(1) 车架用途分析
1) 车架用途:
从防腐角度分析内容:锈蚀对装饰性、功能性、安全性的影响。
2) 分析:A级车车架 (举例) 防腐要求设定如下。
装饰性:基于客户需求, 采用QFD品质功能展开理论, 调查客户需求。通过调查, 车架装饰性应满足以下表1装饰性防腐要求。
功能性和安全性:锈蚀后的结构强度损失必须在设计强度余量范围内, 通过实验证明:大面积的锈蚀或非常大的锈点, 锈蚀面积占部件总面积90%~100%达到设计极限, 设定为安全性和功能性防腐要求。
综上, 取最苛刻防腐要求, 在防腐期限内应该满足装饰性要求。
2.1.2 使用环境分析
准确的车架使用环境分类是制定防腐目标依据。
(1) 整车使用环境分析
1) 举例:设计车型预计销售区域, 中国全境。
2) 分析依据:分析全国各区域腐蚀环境情况, 取最恶劣地区为防腐设计依据。对环境腐蚀分类, 有不少参考, 如ISO-12994-2、GB/T 15957、GB/T19292.1等标准, 或可以查询“国家材料环境腐蚀试验网站”和世界各国腐蚀试验站的腐蚀试验数据[1]。
3) 分析:依据ISO 12944和查询中国各地区腐蚀环境, 中国重庆江津腐蚀环境最恶劣, 腐蚀等级为C4, 其中暴晒1年低碳钢质量失重为400~650 g/m2, 厚度减薄为50~80μm/年。
(2) 车架在整车所处的位置
根据车架的位置, 车架位于整车底部, 与车身环境一致, 易接触到雨水和石击作用, 腐蚀环境恶劣。
综上, 车架防腐设计按中国最严酷腐蚀环境即C4腐蚀等级设计, 腐蚀强度最高80μm/年, 同时考虑石击作用。
2.1.3 防腐期限/目标设定
车架防腐期限/目标设定是车架总体设计阶段防腐设计核心工作, 依据车架用途、使用环境确定防腐目标, 具体内容见表2。
2.2 车架表面处理层体系设计
2.2.1 依据产品属性结构确定表面处理层要求
分析内容:材料、形状结构、尺寸大小、量产规模和特殊特点。
对属性结构分析, 车架表面处理层需要满足以下几点要求:
(1) 材料:不具有抗腐蚀性, 需要表面处理层保护, 同时需要能满足铁制材料的表面处理工艺;
(2) 形状结构:表面处理方式需要满足多腔体, 复杂结构的要求;
(3) 尺寸大小:表面处理方式满足中等偏大型产品处理;
(4) 量产规模:表面处理方式满足大批量生产。
(5) 特殊特点:表面处理方式对边缘、焊缝、内腔覆盖性较好。
2.2.2 依据防腐目标确定表面处理层要求
表面处理层满足设定的防腐期限/目标, 实践证明, 同时结合各大优秀汽车企业评价要求, 车架中性盐雾试验与强化腐蚀试验存在一定关系:电泳车架盐雾试验720 h, 划痕腐蚀单边<2 mm近似满足2.1.3条的防腐目标要求。
2.2.3 依据成本、安全环境确定表面处理层要求
(1) 表面处理工艺为获得最大经济效益的方式。
(2) 表面处理工艺满足环境安全法律法规。
2.2.4 表面处理层选择
结合各种表面处理工艺特点及以上对表面层的要求, 涂装工艺中喷粉和喷漆不能满足内腔涂装;电镀锌、镍等镀层不能达到防腐目标;锌铝等机械涂覆不适合中等偏大型产品处理和大批量生产;氧化、磷化等工艺不能满足防腐目标。
综上, 排除各种不合适的表面处理, 考虑单一表面处理层 (如果需要提高其他性能可以采用复合涂层) 为电泳层和锌-镍合金层, 但锌-镍合金层价格较高, 建议采用电泳层。
2.2.5 表面处理层性能设计
确定车架表面处理层需要的性能, 主要依据车架用途、所处的环境和电泳工艺特点, 同时结合了各大优秀汽车企业标准要求及各种试验实践经验, 具体主要性能设计见表3。
2.3 车架表面处理层工艺设计
2.3.1 车架表面处理前焊接工艺要求设计
车架表面处理前采用的是二氧化碳保护焊, 焊缝设置如图4。
设计阶段车架防腐设计焊接工艺要求:焊接焊缝平滑, 增加人工或手工清除焊渣颗粒, 焊缝周围进行保护, 防止氧化皮产生。
2.3.2 表面处理工艺设计
(1) 工艺方案设计
1) 表面处理层为单一涂层:电泳层, 工艺为电泳工艺, 工艺设计主要依据被涂物的特点及质量要求, 结合材料等要求, 确定切实的涂装生产工艺[3]。
2) 电泳工艺方案设计如图5。
(2) 电泳“五要素”设计
明确设计阶段车架防腐设计电泳工艺“五要素”关键内容[1], 保证生产一致性, 以下为主要内容, 详细内容不做熬述, 读者根据企业各自要求和相关涂装工艺资料制定。
1) 材料:采用高边缘覆盖性阴极涂料。
2) 设备:磷化除渣采用三进公司磷化除渣机, 保证除渣稳定性;管路阀门采用国内一流厂家;纯水超滤阳极采用海德科以上水平的厂家;整流器采用莱特以上水平厂家。
3) 工艺:同2.3.2所述。
4) 管理:满足ISO9000和ISO 140000管理体系。5
5) 环境:安全、生产污水排放处理满足国家相关规定。
2.3.3 表面处理后储运、安调、使用要求设计
1) 储运
车架涂装完, 将运输到整车生产企业总装车间, 期间边缘和焊缝涂层易受损坏, 要求运输边缘需有防撞保护, 整个件需要塑料薄膜包裹。
2) 安调
主要是安装在车身, 与其他件连接易损坏涂层, 要求安装时对可能产生的涂层损坏做保护措施。
3) 使用
使用过程中, 底盘维修和石击影响易损坏涂层, 要求:维修时做涂层保护, 石击区域喷涂PVC胶。
以上为主要内容, 详细内容不做赘述, 读者根据企业各自要求制定。
2.3.4 车架表面处理层工艺结构设计
车架采用电泳工艺, 其结构需要满足沥液、排气、防电磁屏蔽, 因此车架电泳工艺结构设计包括沥液结构、排气结构, 防电磁屏蔽设计。
A级车车架 (举例) 结构分析见图6~8。
3 设计阶段防腐设计验证
防腐设计认证是对前期设计的验证, 其主要工作包括4方面:
(1) 在C4环境腐蚀强度下, 满足防腐期限和目标设定;
(2) 车架涂层性能设计验证:电泳层满足表3要求;
(3) 车架工艺评审:工艺应满足2.3各项要求;
(4) 车架结构设计验证:对车架拆解, 内腔不应出现因电泳沥液、排气不足和电磁屏蔽引起的电泳不良。
4 车架防腐技术文件和企业标准编制
车架经过设计验证合格后, 车架防腐设计接近尾声, 针对前期设计工作完成各项总结, 制定车架防腐设计标准, 以减少其他车型设计工作量, 设计标准至少应包括以下内容:
(1) 车架防腐期限/目标与腐蚀环境、用途、属性结构对应关系;
(2) 车架涂层体系及其性能;
(3) 车架涂装工艺、涂装前后制造工艺;
(4) 车架涂装工艺结构要求。
5 结论
车架防腐设计方法贯穿于整个产品设计过程, 依据用途和使用环境, 明确车架防腐期限/目标;依据车架结构、特点、产能、防腐目标和各种表面处理工艺特点, 设计涂层系统;依据车架结构特点、表面属性和涂层特点, 制定涂装、涂装前后各项工艺;依据确定的工艺, 设计表面处理工艺结构;对以上各项设计进行验证, 并制定标准。实践证明, 按此方法进行产品防腐设计, 可以提高一次性设计成功率至95%, 减少设计更改90%以上, 同时减少车架制造运输装配过程中80%的涂装问题, 更好地约束和选择、管理车架供运商, 保证产品质量。
参考文献
设计研究方法学 篇11
关键词：包装设计；字体设计；设计方法；设计原则
产品包装主展示面的品牌名与产品名的字体设计至关重要，因为它是负责引导消费者识别产品品牌，传达产品信息以及吸引销售者眼球的重要区域。为此，本文笔者将着重探讨该区域的字体设计。
1 包装的字体选择与设计法则
我国作为一个多民族的国家，文字的种类除了汉字以外，还包括藏文、朝鲜文、东巴文等等。在包装正视面的字体中，常用的字体大致以基本字体和创新字体两大类为主。其中，常规的基本字体（如图）包括了古文字时代的（甲骨文、金文、石鼓文、小篆），以及今文字时代的（隶书、楷书以简体字）。创新字体则是在基本体的基础上，通过在笔画、结构以及组合方式的变化，构成新的字体风格。
1.1 基本字体设计
包装字体常用的基本字体，主要以宋体和黑体为主。这两种字体的性格特征分别是：宋体横细竖粗，棱角分明，结构严谨，笔画与笔画连接处有钝角。黑体字在吸收宋体结构严谨的优点，形成横竖笔画一致的特点。随着字体的发展与演变，这两种字体开始在的基础形态、笔画上又发生了变化。例如，在宋體的基础上，还出现了老宋、细宋体、仿宋体等。在黑体的基础上则出现了粗黑体、长黑体等。这两种字体由于其给消费者呈现的视觉张力不同，因此，在包装字体的应用方式也有所不同。例如，黑体横线和竖线的笔画宽度一致，给人粗实有力，朴素大方的感觉。所以常是品牌名称和产品名称的首选，以帮助消费者快速对品牌的快速识别。而宋体秀丽清晰，阅读醒目，常是字体较小的说明性文字的优选，因其宋体的视觉传递力度弱于黑体，更适合仔细阅读。
基本字体的设计法则主要分为三个部分：第一，先主后次。在包装字体设计中，要注意单个基本字体结构，如左右结构，左中右结构，上下结构，上中下结构等。这些字体结构，所占据的比例位置需讲究，并注意好各部分之间的主次、虚实关系的变化，如偏旁部首所占比例，左右的轻重关系等，只有注意这些细节，才能让字体的设计不会显得死板，能帮助读者在视觉上产生阅读的节奏感。第二，穿插呼应。包装中各部分的字体设计，需要注意其各个部分结构之间的交叉关系，使文字的结构比例协调，空间分割的合理。第三，协调统一。中国的文字以方形为主，而且字体的大小、笔画的关系，以及视觉平衡稳定的问题，不能采用物理的尺寸进行衡量，而是需要用视觉去调整，整体文字群区域的视觉平衡。
1.2 创意字体设计
创意字体在包装中的应用，一般使用于时尚产品，休闲产品的包装中，其年轻时尚的字体风格，能带给消费者生动活泼，独具特色的视觉感受。
下面我们来具体探讨下创意字体设计的法则：第一，注意外形的变化。与常规的汉字外形的方块不同，创意字体的外形变化较为丰富，通常分为正方形，长方形，扁方形和斜方形四种。但应注意，包装的字体设计主要以传递信息为主，整个外形发生变化时，不能影响文字的识别性。第二，注意笔画变化。笔画变化是指对文字的部分笔画，如点、撇、捺、挑、勾等副笔画，进行变化。一般情况下，变化的主要对象在主笔画横、竖的变化比较少。但是笔画的变化要按照一定的规律，不可过分繁杂或形态太多，不然会给人一种难以阅读，而失去文字设计的意义。同时，创意字体的笔画常采用连笔的手法，以打破方块字的约束，让字体更加活泼，或者采用留白的手法，通过简化笔画，增大间距的留白，以改变字的特质。此外，字体设计还有断笔，虚笔、在字脚处添加装饰线条等多种手法。第三，注意结构变化。结构变化是指通过对字体的部分笔画进行夸大、缩小或者移动位置，改变重心，使字体的结构发生变化。把握明白字的结构，才能明白某些结构的变化，而不影响视觉的阅读。
2 包装字体的设计原则
2.1 针对不同产品的调性，选择不同的字体
不同的字体由于字的结构、笔画等不同，所呈现出不同的字体调性。这种调性是针对给人的某种视觉感受而言的，它们呈现给人的视觉感受或幽默或权威或趣味等等。为此，在包装的字体设计中，要准确把握不同的产品的属性，不同客户人群的心理需求与喜好。例如，手工类的产品包装，在包装字体的字体选择上，我们会选择书法类的字体，以表达其手工的调性。针对女性的礼品类包装可以选择带有装饰性字脚的华丽字体，以体现其优雅、浪漫的感觉。
2.2 注重文字的是识别度
在包装文字群的字体设计中，文字的识别度是放在首位的，帮助我们只能在有限的时间、空间范围内，以及最短的时间里，将产品包装的信息快速传递给受众，所以包装设计需要讲究其识别度。识别度包括文字的易读性和可读性。所谓易读性是指在一定空间距离内，能够保证对文字内容的看清程度；可读性是指近距离对文字阅读的流畅程度。所以，只有在把握文字的这两种特性，才能帮助与引导用户购买，同时第一时间的接受信息。但是，过分地依赖并讲究的字体识别度，会限制字体设计的发展与创新，为此，笔者认为，我们应该讲究字体设计中“度”的问题，做到艺术形式与文字内容相统一，使文字更加具有感染力。
2.3 字体群的信息读取的视觉流程及层次
包装字体群的视觉流程设计，需要根据产品的定位，与消费者需求，来突出字体的信息。它们或突出产品名，或突出品牌名，或者相关的产品广告语，以及说明性文字。清晰的视觉流程，是快速购买商品的第一保障。
2.4 字体群的字体选择不宜过多
由于包装展示面的面积有限，为此，在设计过程中，我们不能过多的应用字体，这样或给人凌乱的视觉感受。通常字体的选择以三种即可，同时这些不同的字体的选择应该注意其字体性格间的相互联系，并且相互烘托，保持重点的突出。
参考文献：
产品体验设计的方法研究 篇12
包豪斯奠定了现代主义设计的基础, 开创了工业设计的一个时代。这是源于机器工业兴起后, 人们对于批量生产的机器产品的反思。从19世纪开始, 工业设计师致力于产品的结构、造型、色彩、材质、包装等要素, 从而实现产品的易于生产和便于使用。然而, 经济向前发展, 仅仅满足人们对于产品功能的、美观的需要已经远远不够了。Richard Eisermann在2007年11月14日的英国Design Council Intersections 07会议上对产品设计曾论断:“……产品设计已经死亡了……这并不是说产品将不再被设计, 他们将继续被设计, 但是已经不会像过去的很多年那样被孤立地设计了。”Don Norman也认为产品设计进入了涉及多学科的发展时期。在这个时候, 一个新的设计原则——体验设计进入了人们的视野当中, 它涵盖了诸多学科, 贯穿设计活动的始终。在体验设计思想的影响下, 产品设计的对象从产品转移到人的活动上来, 产品自身也由“主角”变成了为顾客创造美好的回忆与体验的“道具”。在新形势下, 面对设计关注焦点的改变, 传统的产品设计师需要转变设计思想、寻找新的设计方法进行设计。
体验设计的概念与层次
Schifferstein和Hekkert (2008) 给“产品体验研究”的定义为:对由人与产品交互而引起的主观体验进行研究的领域。Pieter Desment和Paul Hekkert举了一个例子来对产品体验进行了阐释:一个主人公在访问中国时买了个陶瓷茶杯。当他把脆弱的杯盖放到茶杯上时, 清脆的声音让他产生美的享受;他迷恋这个杯子, 因为这个杯子是个纪念品, 代表他去过中国;他发现茶杯的尺寸恰好符合喝茶的需要, 就产生对杯子本身功能的满足。“美的享受”、“迷恋”和“满足”都是杯子带给他的美好体验。
例子非常简单, 却提出并阐明了体验的三个层次或者说类型: (一) 人们对产品的直接感受, 即产品带给我们的视觉、听觉、触觉等一系列的感官体验; (二) 产品是否满足我们的使用要求, 即产品给人们带来的使用体验; (三) 产品具有的某种象征性意义, 这种意义引发的一种对产品的迷恋体验。
体验设计给产品设计的启示与方法
体验是复杂的多样的, 但是可以把体验设计的这三个层次作为产品体验设计方法的参考。文章将从这三个方面分别阐释如何创造良好的用户体验。
一、完善产品感官体验形式, 让产品为人们创造良好的感官体验
人们的视网膜、耳朵和神经细胞每天接收到各种产品无数的感官信息, 哪些产品能使我们把它保存在记忆里并成为永久体验呢?研究表明响亮的声音、绚丽的色彩以及粗糙的表面要比柔弱的声音、清淡的颜色和光滑的表面对感官的刺激更强烈。看下面这个例子。
新加坡的一家自行车商店Shingle Trek, 想推广他们的悬架山地车, 本地设计公司提供了一个巧妙而非同寻常的解决方案:创作了一系列海报, 每一张都具有独特的三维纸雕, 用这种凸凹不平的感觉来描述崎岖的地形, 从而让受众感觉到运动, 以显示出这种自行车的优秀潜能。海报吸引了众多的消费者。
这个例子别出心裁, 在二维的情况下, 以三维形式展现, 创造不同一般的触觉效果。凸凹不平的海报, 似乎始终在召唤“来摸我吧!”。海报立意新颖、独到, 突出主题, 恰到好处。这样的海报通过增加独特的触觉, 给用户带来了良好的体验。
合理地使用材料、色彩、肌理, 赋予产品引人注目的外形, 让其散发芳香的气味, 发出悦耳的声音……巧妙地满足人们的视、触、听、嗅、味觉的需要, 能为人们创造良好的感官体验, 有效地增强感官刺激程度, 也使人们对体验更加难以忘怀, 而且突出产品的某一或多个感官特征, 能够使产品更容易被感知, 促进产品与人之间的互动与交流。根据这一研究, 美国设计师为传统的产品增加新的感觉形式, 设计出了可发散香味的嗅觉电视, 可播放音乐的座椅;根据温度高低改变灯光颜色的花洒, 如图2所示。让产品给人体验的形式成为整体的、全方位的, 包括视觉、听觉、嗅觉、触觉等。这些产品受到了人们的欢迎。
二、精心设计, 为用户创造良好的使用体验
产品设计师在满足人们对产品基本功能要求的前提下, 更关注用户其他一些可用性的需要。这关系到产品质量的优劣和用户的满意程度。这些可用性问题在以下两种产品上表现得比较突出:
(一) 传统的机械产品
为了保证生产的顺利进行, 设计师在设计机械产品时, 要满足人们对健康、安全、高效、舒适等指标的追求。图3为太原理工大学为X400A立式漩涡式光整设备造型设计。设计过程中综合考虑到了脚踏板、操作空间、控制面板等的位置、尺寸, 按钮的形态等, 以保证工人得到良好的使用体验。解决这类产品的可用性问题, 涉及到使用人机工学、产品语义等学科的内容。设计师需要把这些领域内的研究成果准确地运用到设计实践中去。
(二) 交互式的IT产品
可用性问题在交互式IT产品 (计算机软硬件、网站、消费电子产品、仪器设备等) 上表现愈来愈突出。近几年来, 产品设计的对象发生了变化。以iPhone为代表的多点触摸移动通信设备的出现, 打断了设计师对五花八门的手机造型的畅想, 从而开始在一个个大屏幕的方盒子中进行新的探索。人机界面是否友好、可用, 成为设计师和使用者共同的关注焦点, 也成为交互式IT产品、系统的重要质量指标。换句话来说, 人们注意力集中在了产品是否有效、易学、高效、好记、少错和令人满意的程度上, 即用户能否用产品完成他的任务, 效率如何, 主观感受怎样。
迄今为止, 对IT类产品可用性的研究也有了阶段性的结果。针对交互式IT产品, 人们总结出了经验评估、用户测试、问卷调查等方法, 进行产品可用性的评估。研究的范围涵盖了人机工程、认知心理、行为心理等领域。越来越多的技术手段如眼球运动计测、大脑活动计测等被应用到可用性评估上来, 以找出产品可用性方面的问题, 改善产品的用户体验。
可用性评估方法虽然相对完善, 但是, 随着技术的向前发展, 产品可用性的标准将不断提高, 更多提高可用性方向将会出现。模拟真实的环境, 就为可用性的继续进步点亮了一盏明灯。
2010年底, 阿里巴巴旗下的淘宝网推出了的3D购物商城测试版, 如图4所示。与人们熟知的网络商店不同, 3D商城为人们营造了一个相对真实的购物环境。3D商城中, 街道、商店、人群以及景观、导向图在这里全部清晰可辨, 接近于真实的商业步行街。象征自己的人物模型, 在鼠标的拖动下能够实现进出各个商店、选择商品、与其他购物者交流的操作。在这样的网络商城中, 购物者基本可以足不出户就能体验到真实的购物感觉。模拟真实的环境, 使计算机的操作方式变得形象化, 用户不用在学习、理解计算机的操作上花费更多的时间, 也就提高了可用性。
在强调用户体验的今天, 传统机械产品的可用性问题, 在设计中依旧值得关注。IT产品设计, 作为产品设计领域内蓬勃发展的一个新的方向, 其可用性问题亦需要广大设计者投入更多的精力。希望今后的设计师能在更深层次上带给人们良好的使用体验。
三、挖掘人们的内心需要, 为人们创造良好的情感体验
一个人喜欢的物品可以是过了时的、褪了色的、陈旧的, 小小的装饰品、旧的布娃娃、一个奇特的杯子等等。这些物品通常具有以下特点: (一) 能够勾起我们对过去的回忆, 如旅游纪念的杯子、见证爱情的戒指……。这些回忆使我们想起家人和朋友、经验和成就, 这些物品创造了人们在感情上的独特感受。 (二) 是人们在心理上的自我实现的见证, 如DIY的装饰品, 奖品, 甚至一封表扬信等。这些物品反应了人们过去的成就。马斯洛认为, 尊重的需要和自我实现是人类个体发展的动机。自我的概念是人的一种基本属性 (Norman) , 诱发自我的一个有力的方式是通过个人成就感——感觉到自己的存在与价值。自己的期望得到满足, 理所当然会产生良好的体验。 (三) 满足了人们心底的潜在需求。人们喜欢阿玛尼、香奈儿、L&V, 更多的是喜欢这些奢侈品带来的艳羡的目光;日本电子宠物能受到老年人欢迎, 也是因为电子宠物的养成过程, 能给他们带来心灵的慰藉;戏谑的“同性接吻”镜子, 如图5所示, 反应的是人们对一种生活幽默的认同。
在设计过程中, 人们建构美丽的物品、可爱的物品、华丽的物品。无论这些特征是多么的重要, 更能打动人们的是蕴涵在物品里的一种情感。挖掘人们内心需求, 设计出有强烈吸引力的良好主题, 将成为未来产品体验设计的一个重要方面。
四、适应环境, 创造完美体验
以上文章从体验设计三个层次探讨创造完美产品体验的方法。然而, 还有一点应该注意:产品体验设计的对象不是产品本身, 而是人类的活动。人类活动总是在一定环境中进行的, 体验设计不得不考虑环境因素。举个非常简单的例子:一个将要出席高档晚会的女士, 适合她的肯定是一双华丽、时尚的高跟鞋。一个同样漂亮的女护士, 适合她的却是一双舒适的白色鞋子。高档晚会和医院分别是这两位女士所处的环境, 典雅、美丽和舒适、卫生分别是这两位女士的两种不同的需要。从这个例子可以看出:根据产品不同的使用环境, 需要设计不同的产品来满足人们的需要。在产品所处的所有环境中, 最值得一提的是文化环境。由于自然的、历史的原因, 不同民族、地区形成了不同的认知方式和思维方式。产品设计师在借鉴或面向不同区域设计时, 需要深入研究这些文化差异, 而不仅是简单的“拿来”。
总结
体验设计作为一种设计原则, 能够为产品设计提供许多非常有效的设计方法。然而, 一个方法论的建立不是一件易事, 我们需要探索“无数可能的途径” (西蒙) 。体验设计这种新兴的设计理论, 还有很大的发展空间, 希望设计师能仔细研究, 以设计出更多、更好的产品。
参考文献
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