對工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材探討

王永耀

摘要：工業(yè)設(shè)計需要以工學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、美學(xué)為基礎(chǔ)，工程材料屬于其中重點(diǎn)，具體實(shí)踐需保證工程材料性能可以滿足設(shè)計需要。基于此，本文將簡單分析工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材方法，并從兩方面深入探討工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材策略，以供相關(guān)業(yè)內(nèi)人士參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計;可持續(xù)發(fā)展;知情構(gòu)造理論

前言：

在大規(guī)模開發(fā)的材料資源支持下，工程材料因使用優(yōu)秀的性能與工藝得到廣泛應(yīng)用，基于安全、審美、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、技術(shù)等因素的工程選材也受到廣泛關(guān)注。為保證工程選材科學(xué)性，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材方法

1.1傳統(tǒng)選材方法

所謂工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的傳統(tǒng)選材，指的是以工業(yè)設(shè)計師掌握常用工程材料特征和具體材料分類時，參照設(shè)計經(jīng)驗(yàn)開展的工程選材，傳統(tǒng)選材方法可細(xì)分為三類：第一，經(jīng)驗(yàn)選材。工業(yè)設(shè)計師可基于手冊、習(xí)慣、經(jīng)驗(yàn)等選用工程材料，這種方法存在較高主觀性，很多時候不會開展力學(xué)方面的計算與測試，隨意選擇常用材料的結(jié)構(gòu)或零件選材也較為常見，這使得經(jīng)驗(yàn)選材方法在滿足工業(yè)設(shè)計需求方面往往存在一定欠缺;第二，試錯選材。試錯選材也被稱作“配方法”或“炒菜法”，在新型工程材料的研究與開發(fā)過程中，試錯選材的應(yīng)用較為普遍，該選材方法的資源、人力消耗較大，且耗時較長，逐漸無法適應(yīng)不斷加快的工程材料開發(fā)速度;第三，行業(yè)傳統(tǒng)選材。可結(jié)合工業(yè)設(shè)計行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，及工業(yè)產(chǎn)品的便捷性及可行性選材，多數(shù)情況不進(jìn)行力學(xué)相關(guān)計算，僅結(jié)合行業(yè)傳統(tǒng)習(xí)慣完成最終材料選擇[1]。

1.2半經(jīng)驗(yàn)選材方法

結(jié)合工業(yè)設(shè)計師的習(xí)慣、選材經(jīng)驗(yàn)及工程材料特點(diǎn)，半經(jīng)驗(yàn)選材方法在應(yīng)用中能夠更為科學(xué)有序進(jìn)行選材，這類方法的應(yīng)用需充分了解工業(yè)設(shè)計產(chǎn)品，常用的半經(jīng)驗(yàn)選材方法如下所示：第一，篩選法選材。基于對工程材料的初步了解和工作經(jīng)驗(yàn)，工業(yè)設(shè)計師可首先劃定候選材料范圍，之后結(jié)合產(chǎn)品功能需求和設(shè)計要求綜合考察各類材料，最終完成工程材料選擇;第二，類比法選材。結(jié)合同類工業(yè)產(chǎn)品選材經(jīng)驗(yàn)，類比法選材可結(jié)合不同尺寸、不同產(chǎn)品用材開展針對性的對比分析，有目的選材能夠在保證工業(yè)產(chǎn)品需求和性能的前提下科學(xué)推進(jìn)，對比分析能夠在選材過程中實(shí)現(xiàn)。但值得注意的是，類比法選材需要工業(yè)設(shè)計師具備更高的專業(yè)知識水平，這一水平直接影響選材質(zhì)量。

1.3現(xiàn)代選材方法

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代選材方法在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，典型的現(xiàn)代選材方法包括：第一，綜合評價法選材。該方法需要對多個評價指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建，評價可圍繞具體設(shè)計對象開展，能夠反映整體情況的綜合指標(biāo)可順利獲取。綜合評價法選材的具體應(yīng)用需要開展候選材料篩選，之后進(jìn)行針對性的評價與處理，材料優(yōu)劣順序可最終確定;第二，專家系統(tǒng)選材。結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)，專家系統(tǒng)選材可通過算法、軟件實(shí)現(xiàn)推理選材，不斷更新和補(bǔ)充的知識學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫需在其中發(fā)揮重要作用;第三，數(shù)據(jù)庫輔助選材。定量分析屬于工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域現(xiàn)代選材方法的核心所在，因此可通過建設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)處理和查詢服務(wù)，為選材工作提供輔助。

2工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材策略

2.1基于可持續(xù)發(fā)展的選材策略

工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材除采用上述方法外，還可以結(jié)合可持續(xù)發(fā)展需要，以此結(jié)合材料工藝和特性，兼顧環(huán)境屬性進(jìn)行工程選材，該策略的具體應(yīng)用需關(guān)注以下幾方面要點(diǎn)：第一，優(yōu)選綠色材料。基于人類健康和環(huán)境優(yōu)化目標(biāo)，工業(yè)設(shè)計師需結(jié)合材料發(fā)展趨勢及具體特性，優(yōu)選環(huán)保、無害的材料，如硅藻泥涂料、樹木纖維、秸稈材料等;第二，降低材料種類。現(xiàn)階段我國工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用的制造技術(shù)較為多樣，智能化的制造業(yè)發(fā)展趨勢也日漸明顯，為滿足智能化生產(chǎn)需要，參照智能化、模塊化、參數(shù)化的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，應(yīng)設(shè)法減少材料種類，以此規(guī)避重復(fù)設(shè)計、縮短設(shè)計周期、降低環(huán)境和制造成本、簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、降低再生難度;第三，選擇可分解性材料。堆肥、焚燒、填埋、資源化屬于現(xiàn)階段我國主要垃圾處理方式，為降低工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域工程選材對環(huán)境造成的負(fù)擔(dān)，可從垃圾處理角度思考，適當(dāng)選擇淀粉塑料等可分解性材料;第四，選擇可再生材料。基于成本節(jié)約與環(huán)境保護(hù)考慮，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材還應(yīng)優(yōu)選可再生材料，這類材料對資源的消耗較小，對環(huán)境的污染較低，同時可考慮選擇不加任何涂鍍的原材料進(jìn)行工業(yè)設(shè)計，進(jìn)一步降低環(huán)境污染。

2.2基于知情構(gòu)造理論的選材策略

工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材還可以應(yīng)用知情構(gòu)造理論，該方法最早用于建筑領(lǐng)域，通過對設(shè)計組分間相互聯(lián)系的強(qiáng)化，通過數(shù)據(jù)計算即可在設(shè)計組分間相互提供設(shè)計信息，該理論能夠在工業(yè)設(shè)計中結(jié)合材料計算與制造技術(shù)、應(yīng)力大小等因素，以此在工業(yè)設(shè)計過程中作為設(shè)計變量輸入，設(shè)計模型可基于材料性質(zhì)基礎(chǔ)形成。工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能在很大程度上由材料性質(zhì)決定，產(chǎn)品形式則由結(jié)構(gòu)性能決定，材質(zhì)的表達(dá)會受到作為設(shè)計變量輸入的結(jié)構(gòu)、形式計算過程限制。對屬于早期工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計生成階段的形式、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計成分來說，產(chǎn)品設(shè)計初期技術(shù)人員與設(shè)計人員需要加強(qiáng)協(xié)作，設(shè)計實(shí)踐可通過材質(zhì)數(shù)據(jù)計算得到支持，這不僅能夠?yàn)楣こ踢x材提供依據(jù)，在設(shè)計難度降低、工業(yè)產(chǎn)品制作周期節(jié)約方面也有著出色表現(xiàn)。在具體實(shí)踐中，需結(jié)合工業(yè)設(shè)計建設(shè)知情構(gòu)造材料選材模型，該模型負(fù)責(zé)對選材受到的用戶需求影響進(jìn)行研究，材料屬性可結(jié)合知情構(gòu)造理論開展定量化分析。在模型的具體應(yīng)用中，需結(jié)合每項(xiàng)用戶需求，通過規(guī)則推理方法開展對應(yīng)材料屬性需求匹配，材料屬性主觀權(quán)重基于質(zhì)量無法確定，材料屬性客觀權(quán)重計算可使用競爭性評估的熵分析法，以此完成綜合權(quán)重計算，各備選材料通過模糊綜合評價計算確定綜合得分，工業(yè)設(shè)計的最合適工程材料可最終確定。在知情構(gòu)造環(huán)節(jié)，基于知情構(gòu)造理論的選材策略需圍繞應(yīng)力環(huán)境、需求信息、制造技術(shù)等開展材料計算，工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計則需要圍繞材料選擇、可靠性分析、外觀設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、可持續(xù)設(shè)計、生命周期評估等方面開展具體研究，同時將顧客需求向功能需求、材料屬性需求轉(zhuǎn)換，并結(jié)合環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、工藝性、使用性、美學(xué)性等原則進(jìn)行材料選擇，在用戶需求調(diào)研和需求挖掘、市場數(shù)據(jù)收集支持下，開展權(quán)重計算與材料屬性多目標(biāo)決策，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材即可在知情構(gòu)造材料選材模型支持下高質(zhì)量完成，圖1為知情構(gòu)造材料選擇模型。

值得注意的是，為保證基于知情構(gòu)造理論的選材策略應(yīng)用取得預(yù)期效果，具體實(shí)踐還應(yīng)關(guān)注材料規(guī)則庫的建設(shè)，需保證其具備優(yōu)秀良好的泛化能力，解決策略應(yīng)用可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)冗余、資料匹配度低等問題。

結(jié)論：綜上所述，工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域中的工程選材需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的基于可持續(xù)發(fā)展選材策略、基于知情構(gòu)造理論選材策略等內(nèi)容，則提供了可行性較高的工業(yè)選材路徑。為更好滿足工業(yè)設(shè)計需要，圍繞智能化選材技術(shù)開展的相關(guān)探索必須得到重視。

參考文獻(xiàn)：

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[2]韓珍玉.基于LCA的機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計中材料優(yōu)化選擇評價研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2018（10）：68-72.