学文网产品结构设计篇1
摘要：功能是产品设计的首要要素，没有功能的实物不能称之为产品，与功能要素密不可分的就是产品的结构，结构是实现功能的基础，结构的变化会引起功能的变化。产品结构是否合理直接影响产品的加工性、产品的操作性、产品的外观形态、产品的使用寿命、甚至影响产品功能的实现，因此合理的结构设计是产品设计的重点。然而影响结构设计的要素众多，同时受使用环境的限制，给设计带来很大困难，故本文对影响产品结构要素进行细致分析，希望对产品设计师有参考作用。
关键词：产品；结构；设计；要素
1产品的基本结构要素
在当今的产品设计中，形式、功能和技术被认为是产品构成的三大要素。产品的形式就是产品借以展现的样式、状态，主要是指产品的外观形态，产品形式本身就是作为产品功能的一种反映而存在，在产品设计这一极具创造力的活动中，功能是一件产品最重要的本质所在，任何产品之所以有价值就是因其功能的实现，没有功能的产品就不能称之为产品；技术是指实现产品的形式及实现产品功能的手段和方法。而与产品三要素息息相关的就是产品的结构设计，产品结构设计直接影响着产品的形式、功能和技术，合理的结构设计可以使产品的外观形态展示的更加完美，合理的结构设计可以使产品的功能更加合理，也可以使技术更加简单，所以结构设计是产品设计中的重要组成部分。
2产品结构的相关要素
产品设计的目的，就是要创造出既要满足功能价值也要满足审美价值的产品，在这两个要素中，功能是产品的本质，产品设计的首要目的就是实现其功能，而保证产品功能得以实现的，重要的就是结构。结构决定了产品的功能，结构也丰富着产品的形态。结构是设计中特别应该加以重视的环节。结构设计的巧妙与否与以下要素有关：
2.1产品结构与功能
a品的功能通过结构体现出来，结构的变化可能导致功能的变化，可以做一个形象的比喻，把结构系统比喻成产品功能实现的硬件，它是实现产品功能的前提，反映了设计对象是由哪些零部件构成以及如何构成的，各个零部件之间的相互关系。功能系统比喻成是产品功能实现的软件，是隐藏在结构系统之中，只有通过产品的使用才能体现出来。消费者在购买商品时，看到的是产品的结构以及由结构所确定的产品整体外形，真正需要的是产品的功能，是产品设计最本质、最核心的东西，是设计者和使用者最终追求的目标。产品的功能与结构相辅相成，不可缺少。设计师在设计产品时，不能一味追求产品的功能而忽略实现产品功能的结构，应考虑结构的可实珊性。
2.2产品结构与形态
产品的形态是指产品的形式与状态。产品的形态是以人的感受方式将产品的内在性能体现在人的知觉上，产品的形态处理是一种形式美的手段，产品形态上的处理本质上就是结构上的设计，产品的设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑产品造型的美学价值，使之对人产生吸引力。从心理学角度看，人60%的决定取决于第一印象。技术产品的社会属性是商品，在买方市场的时代，为产品设计一个能吸引顾客的外观是一个重要的设计要求；同时造型美观的产品可使操作者减少因精力疲惫而产生的误操作。考虑造型时，应注意下述三个问题：（1）尺寸比例协调。在结构设计时，应注意保持外形轮廓各部分尺寸之间均匀协调的比例关系，应有意识地应用“黄金分割法“来确定尺寸，使产品造型更具美感。（2）形状简单统一。结构设计时，应使这些形状配合适当，基本形状应在视觉上平衡，接近对称又不完全对称的外形易产生倾倒的感觉；尽量减少形状和位置的变化，避免过分凌乱；改善加工工艺。（3）色彩、***案的支持和点缀。在机械产品表面涂漆，除具有防止腐蚀的功能外，还可增强视觉效果。恰当的色彩可使操作者眼睛的疲劳程度降低，并能提高对设备显示信息的辨别能力。
2.3产品结构与稳定性
所谓结构的稳定性就是指结构在荷载作用下维持其原有平衡形式的能力。结构的稳定性是结构设计的重要因素之一，只有结构稳定的产品才具有长期使用性。在产品结构设计时，应尽量遵循以下原则来增加产品的稳定性。（1）调整产品结构的形状，使产品支撑面增大，支撑面积越大产品越稳定，这就是课座椅腿经常外倾的原因，主要是为了增加其支撑面积，从而提高产品的稳定性。（2）调节产品重心的位置，在竖直方向，产品重心越低产品越稳定，在水平方向，产品重心越靠近产品中心产品越稳定，这也是不倒翁之所以不倒的原因，就是因为它的重心接近地面。同时在产品设计时，为了提高产品的稳定性，应尽量减少使用细长杆件。（3）尽量利用三角形框架或其他稳定性组合结构来增加产品稳定性。在我们生活中，有很多这样的例子，例如照相机托架展开后为多个三角形的组合体。
结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。如在地震多发地区，人们将啤酒瓶之类的物体倒置在地上，利用这一不稳定的结构实现预报地震的功能。
2.4产品结构与强度
产品设计应满足强度要求，所谓强度就是指产品能抵抗外力的能力。要使产品具有符合要求的强度，就必须要考虑产品的选材、结构的形状及连接方式。（1）强度与材料有关。材料种类不同，其结构强度就不同。金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革构成的结构强度都不同，所以要根据产品的使用场合及受力情况进行合理选材。（2）强度与材料结构的形状有关。材料的截面形状不同，其结构强度也都不同。通常实心材料如果横面积相同，矩形材料边长方向的抗弯强度要比圆形材料高；而截面积不相同的空心材料要比实心材料的抗弯强度高，这就是自行车架通常用空心管材的原因，不但可以减少重量，还可以增加抗弯强度。（3）强度与构件之间的连接方式有关。构件之间的连接方式通常有活动链接和固定连接两种。机械连接、焊接、粘结属于固定连接；移动连接、转动连接属于活动连接。通常在做结构设计时，要避免连接处为产品受力处，以免加速产品损坏。在产品造型设计中，连接的目的就是为了将不同形态的构件衔接在一起，从而使产品能够发挥其功能，是产品的重要结构之一。在选择分割连接位置时，应尽力避免产品受力处，应选择在非受力点，从而增加产品的使用寿命，而能够达到同一种效果的连接的方式并不唯一，这就要求设计师根据产品特定的环境进行选择，在满足强度要求的前提下遵循的主要原则为以加工工艺简单、安装拆卸便利为原则。
2.5产品结构与受力
我们根据产品结构形式上的不同，可以将产品结构划分为实体结构、框架结构和壳体结构。所谓实体结构是指一般是实心的，特点是外力分布在整个体积中，能够承受比较大的力，这种结构可以应用在受力较大的场合，例如重工机器中。框架结构是指形态比较简单，主要由细长的构件组成，特点是支撑空间而不充满空间，主要承受水平或垂直方向的力。例如置物架等。这类产品因受放置物品的重力作用，需要加强两侧立板的强度。壳体结构：指层状的结构，能够巧妙地将外力分散到整个表面，根据这一特征，壳体类产品在选择加工材料时可以适当降低材料的厚度，目前塑料材质的壳体类应用较多。产品设计时应先分析产品的受力，根据其受力方式选择合适的结构。
3结语
在产品设计中，结构设计与众多要素有关，巧妙的结构能够在实现产品功能的基础上简化加工工艺，节约生产成本、提高产品的价值。要想设计出巧妙的结构通常要从产品的功能、产品的形态、产品的稳定性、产品的强度、产品的受力等方面进行综合考虑，本文针对影响产品结构设计的要素进行细致分析，希望为产品设计师带来帮助。
产品结构设计篇2
《机电技术杂志》2014年第二期
1TRIZ理论分析运用实例
下面以产品设计中解决高顶盖凹陷强度低的实例来说明39个通用技术参数、40个发明原理、矛盾矩阵的综合应用步骤和求解过程。
1.1问题描述公司生产的海狮高顶盖车身，外观尺寸大（3400mm×1970mm×470mm）、拉延深度高（约470mm）、外观质量要求高，零件主要缺陷为拉延刚性不足，有裂纹、暗伤等，产品不良率高。系统主要工艺为冲压和焊接。零件焊接后顶盖侧面产生的失稳凹陷不平，严重时需刮腻子进行修补缺陷，影响生产效率，顾客不满意。
1.2原因分析
1.2.1设计结构原因提取现有产品高顶盖进行结构分析，发现问题的关键在于高顶盖产品的结构上，对现有车型高顶盖系统进行分析，两侧焊接止口根部尺寸R值较大（为R5~6.5mm），零件拉延后零件塌陷。顶盖两侧表面平直设计，没有形成一定弧度；靠近R根部无台阶设计；与水槽焊接止口平直，没有形成一定的锐角，对产品的结构有一定的影响。侧面结构如***2所示。
1.2.2模具制造原因目前高顶盖加工工艺采用拉延切边、冲孔整形的工艺。在拉延工艺中直接形成R5根部尺寸和侧部形状尺寸，零件的整体刚性靠材料的充分塑性形实现。
1.2.3目前问题的解决方法和影响1）侧面凹陷是通过顶盖侧面增加补强板解决侧面强度不足的问题。带来的影响增加车身重量，增加制造成本，还影响使用功能。2）通过增加零件拉延力参数提高侧面的强度，带来的影响是零件产生暗伤或裂纹，造成废品率提高，提高检测成本。
1.2.4提取技术矛盾产品外形结构简单，对模具精度要求不高。但会带来产品强度降低的风险。
1.3提取技术参数
根据2.2.4提取的矛盾是：产品结构简单，两侧面强度不能降低。根据TRIZ技术系统通用技术参数中的定义，选择“参数14——系统的强度”，作为改善的参数。在改善“系统的强度”这个参数的同时，零件加工提出更高的要求，即要求零件工作过程中，必须相应地增加设备的压力，提高工装的精度，提高材料的可加工性级别，以避免物体有害因素的的恶化。在加工过程中恶化的参数时可加工性。根据通用技术参数中的定义，选择“参数32——可制造性”，以此作为被恶化的参数。
1.4查找TRIZ矛盾矩阵
提高系统的强度为欲改善的参数：选参数14——强度。设备精度提高为被恶化的参数：选参数32——制造性。查找TRIZ矛盾矩阵，从矩阵表查找参数14和参数32对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是：11、3、10、32。与发明原理序号对应，得到这4条发明原理依次是：11预先防范原理；3局部性质原则；10预先作用原理；32变色原理。
1.5发明原理分析
原理11为预先防范。分析：***1零件结构，侧面平直，R根部没有加强台阶，可以考虑在产品设计时事先防范，将零件平直型面预先进行弧度设计。该原理对优化设计有一定的作用。原理3局部性质原则。分析：表现在从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构。侧面强度不足，在侧面增加台阶过度到R根部。中间采用圆弧过渡，负面内容，会对零件的拉延性有影响。原理10预先作用。分析：原顶盖焊接时侧面凹陷，侧面焊接止口边上翘1.5°，通过预先角度使零件与水槽焊接时，通过力的传递提高顶盖侧面刚度。负面内容，会对水槽焊接焊点质量有影响。原理32为变色原则，对方案贡献不大。
2求解后的产品结构设计与优化方案
根据TRIZ理论给出的创新原理的启示和现实情况分析，利用产品结构局部改善和预先在产品结构上预留一定的角度可以方便有效解决高顶盖强度低造成凹陷的缺陷，保证高顶盖系统的强度。求解后的顶盖侧面设计如***3所示。改进后设计，通过止口的反翘设计，在焊接加工中起到通过焊接力的传递到R根部，通过水槽的反作用力传递到顶盖侧面，使顶盖侧面刚度提高，此设计降低拉延模具的制造难度，拉延时R值可放大，通过后续整形实现止口反翘并将R值整小。通过TRIZ预先的求解，快速找到解决问题的方法，提高工作效率和准确率，为新产品结构优化提供理论依据。新设计的高顶盖产品零件加工仍采用拉延切边、冲孔整形的工艺，与原工艺一致，不同的是在整形工位将根部R5整形到R3，这对零件的强度起到重要的作用。
3结语
根据TRIZ理论创新的新产品高顶盖制造质量达到预期效果，减少后期顶盖侧面加补强板的工序，材料由进口材料改为国产料，仅此减少成本费用100多元/台。通过对加长高顶盖设计优化的案例，体现了TRIZ理论在汽车产品设计和解决问题中的应用价值，为企业新产品开发和解决实际问题提供了可借鉴的模式。
作者：周署玲方乌糖单位：厦门金龙汽车车身有限公司
产品结构设计篇3
《中国科技产业杂志》2015年第五期
一、谷邦科技实现电脑结构设计重大创新
云南谷邦科技有限公司通过近两年的探索、研究，最终成功开发出集笔记本及台式机两种优点的新型电脑。该电脑性能好、扩展性强、使用方便，易于收藏，方便移动，节省使用空间及费用，无须专用电脑桌椅，是企业办公、家庭娱乐、野外施工及企业工控的最佳选择。目前，台式电脑的优点在于其数据处理能力较强，但其便携性能较差；笔记本式电脑的便携性较好，但数据处理能力相对较弱。该新型计算机与现有技术相比有了较大的改进，兼具了台式电脑和笔记本电脑的双重优点，不仅具有较强的数据处理能力，还具有良好的便携性。该电脑包括一体式电脑（如***）、第一盖板、第二盖板、无线键盘、无线鼠标和可调节支架。第一盖板和第二盖板组合形成完整盖板，一体式电脑和第一盖板及第二盖板共同形成闭合的腔体，一体式电脑包括液晶屏及背面主机，液晶屏和第一盖板相活性相连（可分离），第一盖板可折叠于第二盖板后面。无线键盘设置在第一盖板上，鼠标存放于液晶屏背面的收纳腔内。一体式电脑通表链式支架支撑，调节支架即可调节液晶屏的角度的，移动时可叠平支架。该结构可使计算机具较强的数据处理能力，还具有良好的便携性及收藏性。国家专利技术“一种计算机”结构简单，易投产，实施成本较低，实用性强，具有广阔的发展前景和市场空间；该专利技术设计理念新颖，运行可靠、结构科学，弥补了国内在计算机产品结构设计领域的不足。
二“一种计算机”获得产学研技术专家充分认可
2014年11月9日，中国产学研合作促进会技术转移专家委员会在北京组织专家对“一种计算机”专利项目进行了咨询评议，专家组对该专利项目的咨询意见如下。一、专利发明人认为目前常用计算机中台式机的数据处理能力强，但其便携性及收藏性较差；笔记本电脑的便携性比较好，但其数据处理能力较弱。为更好地满足实际应用，需要有一种既有较强数据处理能力又具有较好的便携性和收藏性的计算机。这是考虑市场需要的设计，目的明确，应予以肯定。二、设计的计算机由一体式电脑，组合盖板，无线键盘，无线鼠标，可调节支架及多种连接件组成，其连接、支撑结构设计有特点，设计方案完整，为计算机具有良好可移动性及收藏性提供了一种方案。发明人为满足不同人群的需要，也列举了多种方案，还考虑到可选用的盖板材质等，这些都利于本专利的知识产权保护。三、本专利对于保证计算机的便携及收藏所需的夹持、支撑、固定、拆装等部件均有详述及大量工作，但其计算机核心部件：主板、键盘、鼠标和显示屏等均采用通用部件，因此该专利的实质应是：“一种计算机的便携装置”或“一种计算机的便携辅助装置”。四、此装置在结构上仍较为复杂，建议进一步改进设计，简化结构；建议在改进结构及材质选用时着重考虑不同用户群的需求。五、建议寻求与专业厂家合作，调查市场需求，与市场上同类计算机产品进行对比分析，对本设计进行切实的经济效益分析，以确定本产品的市场定位。国家专利“一种计算机”结构简单、易于制造，方便拆卸，使计算机根据实际需要改变其结构成为可能且应用场合较为广泛，不但可以应用于民用计算机，而且可以应用于***用计算机。该电脑有较强的数据能力，有很好的防尘功能及便携性，无论对于野外施工、企业工控还是家庭应用及企业办公，都有较大的前景，能够产生较好的社会效益和经济效益。
三、“一种计算机”有望引领电脑行业新发展
从电脑诞生开始，人类就不断地追求它的高性能及易用性，追求它的便携性及收藏性。电脑产品的升级及更新的速度是其他行业所不能比拟的，无论是软件还是硬件，其技术每3～6月就更新一次。纵观电脑行业的发展历程及前景，更高性能、更便携、更易用、更简约、更高性价比是这一行业矢志不渝的追求。“一种计算机”正是上述理念的具体体现，它对传统电脑结构进行突破，实现传统电脑结构的又一次升级，在保证高性能的前提下，易用性、便携性及收藏性都大幅度的提升，有效地集成了台式电脑、笔记本电脑的优点，是电脑的集大成者。并且，在生产制造中采用不同的外观尺寸、不同的电脑配件，即可实现简约的桌面台式电脑、笔记本脑、Windows平板电脑的生产，在当前市场竞争力很强的形势下，实现台式机、笔记本及Windows平板电脑完整产业链的生产及经营活动。“一种计算机”有望成为电脑结构的新标准并引领整个行业的发展，为人类社会信息化产业发展作出贡献，为企业带来更好的经济效益。云南谷邦科技有限公司成立于2012年9月，是集电脑软硬件开发应用及销售的一体化公司。经过近两年多的努力与发展，已获得国家知识产权局三项实用新型专利及一项外观专利授权。在为用户创造更多价值的同时，云南谷邦科技有限公司更是致力于为不同群体的用户提供更高的应用需求，大力推动新产品普及和公司创新发展，立志成为行业中更好的专业化IT公司。
作者：王霆健
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