淺析工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材

楊雪嬌　胡昌格

摘要：近年來，工程材料在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域迅速發(fā)展，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中工程選材方法與材料固有屬性及工業(yè)設(shè)計的關(guān)系密切。只有通過合理的選材以及與富有創(chuàng)造力的工業(yè)設(shè)計相結(jié)合，才能獲得完善的工業(yè)產(chǎn)品。因此，科學合理地挑選并確定最終材料是工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中極其重要的一項內(nèi)容。本文回顧了近年來工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域工程選材方法的研究進展，并總結(jié)了工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中工程材料的選材方法，最后闡述了影響工業(yè)設(shè)計選材的各個因素。工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中工程選材方法已從傳統(tǒng)較為單一的方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化的選材方法，為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程材料;工業(yè)設(shè)計;選材方法; 影響因素

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）03-0153-02

工業(yè)設(shè)計主要是以工學、美學及經(jīng)濟學為基礎(chǔ)而進行的滿足各種需求的設(shè)計，縱觀工業(yè)設(shè)計發(fā)展歷程，工程材料的開發(fā)和使用一直在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中占有極其重要的地位，其優(yōu)異的性能能夠滿足大部分工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品的設(shè)計要求。近年來，研究學者對工程材料在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域應用方面進行了大量的開創(chuàng)性研究，主要著重于工程材料的選擇及工程材料與工業(yè)設(shè)計的關(guān)系等方面。工程材料的不斷發(fā)展為工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域潛在的發(fā)展空間提供了新的思路和方法。

1工程材料在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展概述

隨著材料資源的大規(guī)模開發(fā)，工程材料以其優(yōu)良的工藝及使用性能在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域被廣泛應用。近年來，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域工程選材方法相關(guān)出版物的數(shù)量也迅速增加，通過檢索Science Citation Index Expanded（SCIE）數(shù)據(jù)庫中關(guān)鍵詞“engineering materials selection”和“industrial design”，共得到224篇文獻，其中包括125篇期刊論文、96篇會議論文、16篇綜述論文及其他論文1篇，如圖1所示。在現(xiàn)有的224篇文獻中，近20年（2001—2021年）共出版了206篇。由此可見，隨著研究人員對工程材料性能的不斷研究及對工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域逐漸深入地探索，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域工程選材方法呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。

2工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材方法

工程材料作為工業(yè)設(shè)計的物質(zhì)基礎(chǔ)和載體，在過去工程師所用材料較為單一，但經(jīng)過不斷地演變和發(fā)展，現(xiàn)如今其類型已經(jīng)相當豐富。掌握各種工程材料的特性，用科學的方法正確選擇材料，已成為設(shè)計師的基本技能。根據(jù)工程材料的歷史演變過程，可將其選材方法分類為傳統(tǒng)選材、半經(jīng)驗選材及現(xiàn)代選材。

2.1 傳統(tǒng)選材

傳統(tǒng)選材通常是工業(yè)設(shè)計師在掌握了工程材料的分類和常用材料特征的前提下，結(jié)合自身設(shè)計經(jīng)驗進行選材，主要分為經(jīng)驗選材、行業(yè)傳統(tǒng)選材及試錯—錯誤法選材。

1）經(jīng)驗選材。經(jīng)驗選材是指憑借工業(yè)設(shè)計師個人經(jīng)驗及習慣或依靠手冊來決定工程材料的選用，主觀性較強，多數(shù)情況下對所選材料不進行力學方面的測試及計算，甚至在某些零件或結(jié)構(gòu)選材過程中會隨意選用一些常用材料。因此，運用此方法選擇并確定工業(yè)設(shè)計需求的工程材料難度較大。

2）行業(yè)傳統(tǒng)選材。行業(yè)傳統(tǒng)選材中設(shè)計師主要根據(jù)其所在工業(yè)設(shè)計行業(yè)多年的經(jīng)驗積累，并基于產(chǎn)品可行性及便捷性原則進行選材，其選材方法和傳統(tǒng)選材方法近似，大多數(shù)情況下也不對工程材料進行力學方面的計算，只是按照本設(shè)計行業(yè)的傳統(tǒng)習慣確定最終材料。

3）試錯—錯誤法選材。試錯—錯誤法選材也就是設(shè)計師經(jīng)常提到的“炒菜法”，又被稱作為“配方法”，一直用以研究和開發(fā)新型的工程材料。然而該方法在使用過程中需耗費大量的人力、物力及財力資源，并且開發(fā)周期較長。隨著當今社會新型工程材料的開發(fā)速度的不斷加快，該方法將會被淘汰。

2.2 半經(jīng)驗選材

半經(jīng)驗選材是將工業(yè)設(shè)計師已有的選材經(jīng)驗、習慣和工程材料相關(guān)專業(yè)知識進行有效結(jié)合，按照一定的科學方法和步驟進行選材。該方法要求設(shè)計師對工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品所用材料有充分地了解，一般將其分為類比法選材和篩選法選材兩種。

1）類比法選材。類比法選材是以同類工業(yè)產(chǎn)品所用工程材料為依據(jù)，針對不同規(guī)格、不同尺寸產(chǎn)品用材進行對比分析的方法。該方法是在能夠保證產(chǎn)品性能及需求的前提下進行有目的的選材，在選材過程中能夠做到對比分析。然而，類比法選材對設(shè)計師在材料學方面的專業(yè)知識提出了更高的要求，因此選材結(jié)果與設(shè)計師設(shè)計水平存在直接關(guān)系。

2）篩選法選材。篩選法是設(shè)計師根據(jù)自身經(jīng)驗和對各種工程材料初步了解后，先確定若干種候選材料，然后再根據(jù)工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品的設(shè)計要求和功能需求對所選材料進行綜合考察的選材方法，其是設(shè)計人員最常使用的方法之一。

2.3 現(xiàn)代選材

1） 數(shù)據(jù)庫輔助選材。工程材料經(jīng)過多年的發(fā)展，其選材方法已逐步以定性分析為主的傳統(tǒng)選材方法過渡到以定量分析為主的現(xiàn)代選材方法。該方法主要是通過建立與設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)庫并對搜集的數(shù)據(jù)進行查詢及處理，從而更好地輔助設(shè)計產(chǎn)品的選材。

2） 專家系統(tǒng)選材。大數(shù)據(jù)和人工智能的結(jié)合被稱為“第四次工業(yè)革命”，其核心部分為實現(xiàn)推理過程并對實際問題進行求解，按照一定的推理過程進行選材。但由于此方法還處于逐漸完善階段，知識學習數(shù)據(jù)庫有待補充和更新，加之日常維護較為困難，靈活性和可擴張性有待進一步提高。

3）綜合評價法選材。綜合評價法是通過構(gòu)建多個評價指標，針對相應的設(shè)計對象進行評價，進而得到一個綜合指標用以反應其整體情況的方法，是統(tǒng)計方法家族的一個重要組成部分。該方法的具體步驟首先通過初步篩選得到候選材料，其次進行綜合評價及處理，最后確定候選材料的優(yōu)劣順序，可為設(shè)計人員選擇最佳工程材料提供重要指導。

3 工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中工程選材的影響因素

需求決定了工程材料的存在價值，也決定了工業(yè)設(shè)計存在的必要性。因此，從工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域需求出發(fā)對影響工程材料選材的影響因素分為以下四個方面：

3.1 功能性需求因素

消費者對于工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品的功能需求通過產(chǎn)品功能的實現(xiàn)得以體現(xiàn)，工程材料便是工業(yè)產(chǎn)品功能實現(xiàn)過程中的物質(zhì)基礎(chǔ)及載體。因此，需要在滿足用戶生理、心理雙重需求的前提下進行選材。

1）安全性需求。安全性是工業(yè)產(chǎn)品必須具備的基本功能及原則，工程材料的選擇必須按照設(shè)計需求進行標準化選擇，同時還要預測并考慮各種潛在的危險及隱患。

2）審美性需求。審美性需求是用戶內(nèi)心的感受，是心理活動過程中對產(chǎn)品的一種感覺。工業(yè)產(chǎn)品的外觀在很大程度上取決于所選材料的特征，如對稱性、平衡性及有序性等。因此，工程材料的選擇對產(chǎn)品外觀的影響是選材過程中必須考慮的重要原因。

3.2 技術(shù)性需求因素

工業(yè)設(shè)計中工程材料的選擇與其加工制造工藝關(guān)系密切。為了確定最終產(chǎn)品的功能需求，材料需經(jīng)受主要的成形過程（鑄造和鍛造）、材料去除過程（機械加工、鉆孔）、連接過程（焊接）和精加工過程（涂漆或電鍍）。產(chǎn)品功能會影響工程材料的選擇，材料選擇通過材料的鑄造、成型、焊接或熱處理能力來影響工藝。此外，選材過程中也要考慮相應的環(huán)境因素，如溫度、濕度、光照及噪音等外界條件。

3.3 經(jīng)濟性需求因素

經(jīng)濟性是指所選材料應有利于降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期以促進平衡高效的生產(chǎn)模式。在確保可用性和實用性能的前提下要求工業(yè)產(chǎn)品使用性價比高的工程材料，用于縮短產(chǎn)品生命周期總成本以獲得最大的經(jīng)濟效益，從而使設(shè)計產(chǎn)品在競爭激烈的市場中保持優(yōu)勢。

3.4 環(huán)境性需求因素

隨著全球制造業(yè)工業(yè)化的不斷推進和演化，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)遭到了嚴重破壞。因此，設(shè)計師在選材過程中必須充分考慮影響環(huán)境的需求因素。在選材過程中應在滿足產(chǎn)品功能及用戶需求的前提下盡量選擇易處理、無污染及可回收的綠色工程材料;對于易產(chǎn)生噪聲的產(chǎn)品應使用具有柔性纖維網(wǎng)狀吸聲材料以降低噪聲污染;對于易分解、易消耗的產(chǎn)品在選材方面應通過必要的降低能耗、節(jié)約減排等手段提高工程材料的使用壽命及效率。

4 結(jié)語

工業(yè)設(shè)計是將創(chuàng)新的理念及市場需求轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品的過程，工程材料是產(chǎn)品設(shè)計的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著計算機科學技術(shù)的不斷發(fā)展，利用機器學習、數(shù)據(jù)庫等現(xiàn)代研究方法以大量試驗和數(shù)據(jù)作為驅(qū)動，正在逐步替代人工選材等傳統(tǒng)方法，為工程材料在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的應用研究提供了新的思路。此外，影響工業(yè)設(shè)計工程材料選擇的因素眾多，設(shè)計師只有充分考慮各個因素并了解工程材料特性、加工工藝等，并熟練掌握工程選材方法，才能為工業(yè)產(chǎn)品選取最佳的工程材料。