优化工业设计方法

工业设计中的优化设计方法
摘要: 优化设计是现代工程设计当中常用的一种以一定目标值为导向的设计方法，其基本的思想是在给出某种特定的目标和约束条件的前提下，找到一个满意的解。

优化设计已经被广泛应用于实际生产的各个领域，如飞机的部件结构设...
优化设计是现代工程设计当中常用的一种以一定目标值为导向的设计方法，其基本的思想是在给出某种特定的目标和约束条件的前提下，找到一个满意的解。

优化设计已经被广泛应用于实际生产的各个领域，如飞机的部件结构设计中，可以在满足其性能要求的前提下，用优化设计的方法使其最轻；而在一些消费类产品的设计中，可以在保证产品功能和质量的前提下，运用优化设计使材料达到最省等。

工业设计作为工程设计的一种，也存在着一个优化设计问题，在思想方法上，是与工程设计当中的数学模型完全一致的。

工业设计当中的优化设计包含三个方面的因素：设计变量、优化目标和约束条件。

这里，设计变量就是在产品设计当中可以变化的因素，优化目标就是我们所要达到的优化设计效果和最终目的，而约束条件自然就是不能随便加以改变的限定因素。

如在飞机部件的结构设计中，重量最轻是优化目标，功能、性能是约束条件，而部件结构则是设计变量。

工业设计中的优化设计方法，主要分为技术优化、功能优化、结构优化、材料优化、标准化和模块化设计以及成本优化等六种。

一、技术优化
毫无疑问，科学技术是第一生产力。

在企业实际的产品开发当中，将产品的技术原理进行设计优化是第一位的设计方法，也是企业长远发展最重要的源动力，新技术的使用可以使企业产品发生质的改变，从而在激烈的市场竞争当中立于不败之地。

运用技术优化的设计方法，采用符合产品功能特点的合理有效的科学技术成果，是产品设计创新的重中之重。

过去，机械式钟表曾经是人们主要的计时工具，但是，钟表表芯的机械结构非常复杂，零件繁多，所以制造机械表必须要有熟练的技术和先进的加工工艺，即使这样，它的走时误差还是很大，而且维修起来很不方便，价格也比较昂贵。

随着科学技术的进步，人们通过电子技术手段也同样可以达到准确计时的目的，新式的电子钟表不但轻便、走时准确，而且造型各异、物美价廉，所以在市场上很快便取得了成功。

在计算机领域中，蓝牙技术的应用使得人们在使用电脑时，不需要再坐在离电脑屏幕很近的地方，从而改变了人们传统的使用电脑的方式，使人们可以更舒适地工作和学习。

技术优化不是简单的新技术替代，它需要综合考虑产品功能和技术原理之间的关系，以及它能够给用户使用所带来的方便程度等。

二、功能优化
功能优化就是根据特定的用户定位，去除不必要的附加功能，或者是强化其特有的主要功能，
从而更好地、恰当地满足消费者需求的一种设计方法。

一般来说，功能是人们购买产品的主要原因。

现在的产品，为了市场竞争，常常会同时具有多项附加功能，以满足不同消费者的要求。

这种情况在一定的范围内，是可以达到吸引消费者的目的的，但是，当这些功能过于繁多，超过了一定的限度时，它们反而会使消费者觉得无所适从，使用起来十分不便，而且从消费者的角度来说，他们必须要为这部分附加功能承担费用，所以，这无疑增加了消费者的负担。

著名的戴尔电脑公司在市场上取得成功的关键，就是他们能及时地为客户提供他们所想要功能的电脑，而不是只给客户一种能满足各种功能的机器，使顾客能够根据自己的需要选择具有不同功能的电脑。

图1 电脑用的新式移动存储工具
同样在计算机领域，过去5寸软驱曾经是电脑的标准配置，但由于3寸软驱所具有的优良特点，使它早早地退出了历史舞台，电脑就不再配备5寸软驱的功能；而现在由于闪存（图1）的广泛使用，却又使得3寸软驱面临绝境，现在就已经有厂家宣布它也不再是电脑的标准配置，可见它也已经不再是电脑的必要功能了。

总之，通过对产品功能的优化，可以使客户买到自己所真正需要功能的产品，达到比较理想的性价比。

三、结构优化
产品的结构是关系到产品造型和功能的重要因素，其设计是否优良，在很大程度上影响到产品的质量和生产制造工艺，所以，巧妙、合理的结构设计可以给产品带来使用上的方便和良好的声誉。

在设计产品的螺钉紧固部分时，许多人常常会按照产品的结构特点来进行设计并选用螺钉，但这样的结果是会导致在产品组装时要用到不同型号的螺钉，因而增加了装配和拆卸维修时所需要的时间。

因此在螺钉紧固部分的结构设计上，要考虑能用同一种螺钉便能进行装配的结构。

这种看似很简单的设计改变，在单个的产品设计中可能显不出什么优势，甚至有可能增加产品的复杂程度，但在大批量生产的过程中，它的优点便是显而易见的了，由它所带来的经济效益也是非常可观的。

图2 苹果电脑
苹果公司新推出电脑的机箱（图2），就采用了其它公司所不敢使用的结构，使用户可以很
方便地打开进行维修，其结构并不新颖，但它恰到好处地解决了消费者使用过程中所遇到的困难。

四、材料优化
材料的合理使用和优化，可以大大降低产品的生产成本，减少资源浪费，提高企业产品的市场竞争力。

随着地球资源的短缺问题日益严重，许多国家和企业都认识到在产品设计中对材料进行优化的重要性。

随着报废产品的不断增多，人们发现其中众多的产品零件都是完好无损的，都还能够正常工作，原因之一就是它们的设计寿命超过了整个产品的使用寿命，所使用材料的特性大大超过了产品寿命对它的要求，这无疑会造成材料的极度浪费，尤其是一些稀有材料的浪费。

所以，解决的办法就是用材料优化的方法，用合适的材料替代超过使用寿命的材料，尤其是用普通材料替代稀有材料的合金等，以降低产品成本和减少资源浪费。

如影响整个人类生活的塑料的广泛使用，就使地球上有限的金属资源受了到很好的保护（图3）。

五、标准化和模块化设计
标准化和模块化设计可以使不同的产品共用同一部件来达到同样的功能，省掉产品零件重复开发和生产的费用，所以是降低产品成本的有效方法，也是现在许多产品系列化设计的前提。

图3 塑料制品
计算机是应用标准化和模块化设计的典型代表，如由不同的主板、显卡、声卡、CPU等功能模块都可以组装成一台全新的电脑，并可以形成系列化，而不必考虑产品部件的生产厂家。

而同一厂家也必须考虑通用模块在不同产品之间互换的问题，以降低产品的成本。

六、成本优化
成本是众多的企业在生产时所关心的重要问题，一般来说，成本优化受诸多因素的制约，如技术、材料、结构和生产工艺等，而且在进行成本优化的同时，也要与其它几种方法同时进行，如用功能优化减少不必要的功能、用材料优化降低稀有材料的使用等，都可以同时达到成本优化、增加产品竞争力的目的。

在具体的生产过程中，可以用价值工程的方法对产品进行成本优化，使其功能价格比达到最优状态，还可以通过生产工艺的改进来进行成本优化，如用激光加工、水刀切割等先进工艺代替传统的切削加工等。

总之，在产品设计过程中运用优化设计的思想和方法，可以与外观造型相辅相成，大大提高
产品开发的成功率，并给企业带来可观的经济效益。

优化设计在工业设计中的应用前景还是十分广阔的，并且也可以给工业设计的发展带来一定的促进作用。