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篇(1)

關(guān)鍵詞:模態(tài)仿真分析;航天電子產(chǎn)品;結(jié)構(gòu)設(shè)計;ANSYS

中圖分類號:TB115

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0307-03

1 航天電子產(chǎn)品力學(xué)特點

航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的功能是維持設(shè)備的外部構(gòu)型,提供內(nèi)部電路板組件、獨立的元器件及模塊的安裝空間,滿足安裝要求,確保在各種受載條件下元器件、組件的安全,其中力學(xué)設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的內(nèi)容之一。

航天電子產(chǎn)品所承受的載荷根據(jù)其力學(xué)特性可分為靜載荷和動載荷,通常靜載荷可以通過采取適當(dāng)措施減小其影響。動載荷則比較復(fù)雜,航天器在地面到發(fā)射、進(jìn)入軌道和返回地面的各階段工作狀態(tài)下要經(jīng)受各種環(huán)境條件,都屬于動載荷范疇,下表是航天器飛行過程中的動態(tài)激勵特性。

POGO:液體火箭發(fā)動機(jī)的液體輸送系統(tǒng)與火箭結(jié)構(gòu)之間的液固耦合現(xiàn)象。

動載荷中的高頻部分容易衰減,低頻部分則不容易衰減,如果航天電子產(chǎn)品中的元器件或結(jié)構(gòu)組件的固有頻率與上述動態(tài)激勵的頻率相同,則容易引起共振,發(fā)生事故,所以航天電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須盡量提高整體的基頻。

模態(tài)分析的目的是確定航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性(固有頻率和振型)。因為它一方面可以避免與電子元件及控制元件的頻率共振,另一方面是其它動力響應(yīng)分析的基礎(chǔ),為結(jié)構(gòu)設(shè)計選型提供依據(jù)。

2 航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

航天結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般流程如圖1所示。其中一個數(shù)值分析驗證和試驗驗證兩個反饋環(huán)節(jié),其中的力學(xué)分析就包含模態(tài)分析,但此時模態(tài)分析的目的是檢驗詳細(xì)設(shè)計后的結(jié)構(gòu)是否滿足基頻的要求。一般從總體設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計中間環(huán)節(jié)往往憑設(shè)計人員的工程經(jīng)驗,如果到詳細(xì)設(shè)計完成后的力學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)問題,則需要重新進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計,甚至可能需要對總體設(shè)計的進(jìn)行更改。

同時,由于模態(tài)分析可以使用比較簡單的模型,使用有限元分析便可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率,需要的代價很小,且在結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計之前增加一項模態(tài)分析能有助于結(jié)構(gòu)的選型,可以提前發(fā)現(xiàn)問題,有效的減少結(jié)構(gòu)設(shè)計的反復(fù),并能為詳細(xì)力學(xué)分析提供初始數(shù)據(jù)。結(jié)合實際工作提出如下結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化流程,具體如圖2所示:

下文就通過一個實例來分析總體設(shè)計階段增加模態(tài)分析的對于航天電子產(chǎn)品設(shè)計的重要作用。

3 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)

有限元的基本思想是將彈性體離散成有限個單元,然后據(jù)各單元節(jié)點的位移協(xié)調(diào)和節(jié)點力平衡,其動力學(xué)基本方程:

由于一般結(jié)構(gòu)阻尼對結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響極小,所以,求結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型時,直接用無阻尼的自由振動方程求解,即:

因任意彈性體的自由振動都可分解為一系列的簡諧振動的迭加:即結(jié)構(gòu)上各節(jié)點位移為:

δ0為節(jié)點位移振幅向量(即振型),與時間t無關(guān)的位移幅值;

ω為與該振型對應(yīng)的頻率。

將節(jié)點位移代入動力方程,化簡得廣義特征值問題:

上式稱為結(jié)構(gòu)的特征方程。設(shè)計結(jié)構(gòu)的自由度為n,則特征方程為ω的n次代數(shù)方程,其n個根稱為特征值,記為ω21,…ω2n。

它們的平方根稱為系統(tǒng)的固有頻率,即ωr,r=1,…n

將這些固有頻率從小到大依次排列為ω1≤ω2…ωn

最低的頻率ω1稱為基頻,它是所有頻率中最重要的一個。

對于有n個自由度正定系統(tǒng),就得到ω2的n個大于零正實根。振型就是任一階固有頻率作簡諧振動時,各頻率對應(yīng)的n個振幅值間所具有確定的相對比值,表示系統(tǒng)有一定的振動形態(tài)。由于篇幅所限其具體方法本文不再贅述。

4 模態(tài)分析應(yīng)用實例

航天電子產(chǎn)品中電路板形狀的選擇是一個比較常見的任務(wù),也是電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和可靠性設(shè)計的基礎(chǔ)。下面將就某儀器的三種電路板方案進(jìn)行分析,來說明模態(tài)分析在結(jié)構(gòu)選型過程中的應(yīng)用。

4.1 有限元建模

本文模型建立過程中對其忽略電路板和元器件細(xì)節(jié),在ANSYS有限元軟件平臺上,假設(shè)有效載荷和模塊結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻分布。本文結(jié)合實際,選擇三種面積基本相當(dāng)?shù)碾娐钒逍螤钭鳛閭溥x,具體情況如下:

方案A的電路板為正方形,其對應(yīng)的箱體為薄的、底面為正方形的箱體,如圖3所示。

圖3 方案A電路板外形和其可能對應(yīng)的箱體外形圖

方案B電路板選擇為長方形,其對應(yīng)的箱體是薄的、底面為長方形的箱體,相對于方案A,其特點是減小了面板面積,增加了長度,如圖4所示。

圖4 方案B電路板外形和其可能對應(yīng)的箱體外形圖

方案C則選擇兩層電路板布線,通過四顆支柱連接,其對應(yīng)的箱體是比A、B兩個方案高的正方形箱體,但減小了底面積,如圖5所示。

三種方案各有優(yōu)缺點,在沒有其它設(shè)計約束的情況下,電路設(shè)計人員和結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要憑經(jīng)驗選擇一種方案作為設(shè)計的輸入,本文試圖通過對三種電路板的模態(tài)分析試圖找出其中的優(yōu)劣,進(jìn)而做出選擇。

4.2 模態(tài)仿真分析

在ANSYS軟件中我們利用3D-Elastic Shell 63和3D-Elastic Beam 4單元對電路板的連接桿進(jìn)行模擬。輸入實常數(shù)及材料常數(shù),以Smartsizing網(wǎng)格密度的方式。電路板材料采用環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板,電路板連接結(jié)構(gòu)采用2A12硬鋁。

由于主要影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是最低幾階的固有頻率,本例中我們?nèi)∏?階固有頻率進(jìn)行計算,具體計算過程從簡,由于經(jīng)過了適當(dāng)簡化,普通配置的臺式機(jī)的計算時間一般只需要幾秒鐘。在相同的邊界條件和物理屬性參數(shù)的情況下,經(jīng)過仿真計算,獲得了三種不同方案的電路板結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,三種方案的基頻和振型結(jié)果分別見表2,三種方案的第一階振型和應(yīng)力云圖分別見圖6、圖7和圖8。

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

上述結(jié)果可以看到,方案A的固有頻率最小為221.03Hz,方案B的固有頻率最小為187.02Hz,固有頻率均大于100Hz,且均未出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況均能符合要求。分析結(jié)果顯示出正方形電路板方案的固有頻率更高,對結(jié)構(gòu)

設(shè)計更加有利。如果僅從模態(tài)分析考慮,電路板形狀應(yīng)該

選擇方案A,且箱體選擇薄的、底面為正方形的結(jié)構(gòu),如圖3所示。

方案C的最小固有頻率為23.10Hz,基頻太低,與表1中動態(tài)激勵中的低頻部分重疊較多,容易引起共振而破壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。且方案C的產(chǎn)生的應(yīng)力比前兩個方案大,并且出現(xiàn)了應(yīng)力集中的情況,薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在4根支柱的連接處,有可能在上下兩層電路板的這8個點對造成直接的破壞,換句話說,要采用方案C則需要對兩電路板進(jìn)一步加固,或改為其他的雙層固定方式,并同時解決固定支柱位置的應(yīng)力集中問題。

4.4 討論和說明

關(guān)于以上分析,還有以下幾點需要總結(jié)和說明:

(1)通過上文分析,可以得出,方案A最優(yōu),可以作為下一步結(jié)構(gòu)設(shè)計的輸入,如果必須選C則應(yīng)該另選其他的支撐形式,并且還要對連接處做進(jìn)一步分析,處理好電路板上應(yīng)力集中的問題;

(2)采用模態(tài)分析對航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)選型有一定的指導(dǎo)意義,能從大量的方案種找出可能比較合理的方案,并為詳細(xì)設(shè)計后的力學(xué)分析提供了初步的分析依據(jù);

(3)模態(tài)分析僅僅是航天電子結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析的一種,也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ),故模態(tài)分析數(shù)據(jù)良好并不能說明其他動力學(xué)分析可以忽略。反之如果模態(tài)分析出現(xiàn)問題,則必須認(rèn)真分析結(jié)果,并采取措施提高基頻;

(4)計算的時候僅考慮了電路板,忽略了元器件的重量和分布,忽略了電路板上覆銅層的特點,所以計算結(jié)果與實際可能有一定差別,但計算結(jié)果能對定性的分析構(gòu)型的優(yōu)劣提供可靠依據(jù),對結(jié)構(gòu)選型有一定的參考價值。且計算固有頻率和振型結(jié)果,沒有考慮阻尼等因素,還需進(jìn)一步仿真分析修正和模擬空間環(huán)境模態(tài)分析試驗驗證。

5 結(jié)束語

航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中,使用有限元分析方法進(jìn)行初步的模態(tài)分析可較方便的得到某一構(gòu)型的基頻和振型,為判斷結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣提供了依據(jù),可以給電路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了初始的輸入,也為進(jìn)一步動態(tài)仿真分析和模擬空間環(huán)境模態(tài)分析試驗驗證提供了依據(jù),由此可以看出,在總體設(shè)計階段增加簡單的模態(tài)分析可以以很小的代價獲得最終產(chǎn)品的大致評價,對初始設(shè)計階段的選型有一定的指導(dǎo)意義,可以減少設(shè)計的盲目性,可以改進(jìn)航天電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計流程。

參考文獻(xiàn)

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引言

電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計中，首先要考慮實際工作需要，進(jìn)行設(shè)計需求分析。需求是電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計首要解決的問題，只有在明確需求的前提下，結(jié)合工作需要，然后合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從而更好為各項工作水平，促進(jìn)工作水平提升，讓電子產(chǎn)品為各項工作提供有效服務(wù)。

1電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計的需求

設(shè)計需求是電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計前首先要明白的內(nèi)容，對后續(xù)設(shè)計和開發(fā)工作發(fā)揮指導(dǎo)作用，具體是指對電子產(chǎn)品在性能、行為、功能、設(shè)計等方面的期望。需求分析的目的是闡述設(shè)計的目的及意義，為電子產(chǎn)品設(shè)計和實現(xiàn)提供指導(dǎo)。計算機(jī)技術(shù)在設(shè)計中的應(yīng)用，不僅推動管理現(xiàn)代化，還能提升管理水平。尤其是在電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計工作中，更需要開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計系統(tǒng)，順應(yīng)這種趨勢，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，促進(jìn)管理水平提高。同時在設(shè)計過程中，還要考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性以及與其他系統(tǒng)的兼容性，為系統(tǒng)升級和更新創(chuàng)造良好條件。電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計中應(yīng)該進(jìn)行綜合全面考慮，應(yīng)用信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備管理、系統(tǒng)管理、用戶管理等各項功能操作，為電子產(chǎn)品應(yīng)用，學(xué)習(xí)相關(guān)知識創(chuàng)造條件。總的來說，電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計應(yīng)該具備以下幾項功能：注意收集管理員的管理經(jīng)驗，系統(tǒng)具備讓管理員與用戶互動的功能，采用科學(xué)管理模式促進(jìn)系統(tǒng)管理效率提高，系統(tǒng)涵蓋電子產(chǎn)品的大部分管理工作。在具備這些功能的前提下，合理進(jìn)行電子產(chǎn)品設(shè)計，促進(jìn)管理工作水平提高，為電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計水平提升創(chuàng)造便利。

2電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計的原則

為提高用戶綜合素質(zhì)，培養(yǎng)用戶動手操作能力和實踐技能，更好適應(yīng)工作崗位需要，重視電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計是十分必要的，能為這些目標(biāo)順利實現(xiàn)提供保障。包裝設(shè)計能服務(wù)各項工作，以方便管理，實現(xiàn)資源共享，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息技術(shù)、現(xiàn)代管理理念、網(wǎng)絡(luò)等，構(gòu)建有效的系統(tǒng)，滿足電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計需要，更好服務(wù)于管理和學(xué)習(xí)的各項工作。電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計的原則包括以下幾項。2.1包裝成本最低原則。為節(jié)約成本，降低使用的費用，整體包裝應(yīng)該采用系統(tǒng)工程思想，避免浪費現(xiàn)象發(fā)生，滿足電子產(chǎn)品需要，提高整體包裝設(shè)計水平。要注重對設(shè)計進(jìn)行價值分析，有效滿足客戶需要。包裝綜合成本包括包裝生產(chǎn)、使用、流通成本。應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)計工作，重視每個環(huán)節(jié)的管理，努力節(jié)約成本，防止資金出現(xiàn)超支現(xiàn)象。2.2包裝材料節(jié)約環(huán)保原則。選用綠色、節(jié)能、無毒、無污染的材料，通過選用節(jié)能環(huán)保型材料，不僅能滿足整體包裝設(shè)計需要，還可以實現(xiàn)包裝材料的無毒化，便利人們使用，有利于人們的身心健康。要避免出現(xiàn)過度包裝現(xiàn)象，節(jié)約資源，降低不必要的損失，并保護(hù)周圍環(huán)境。還要減輕包裝制品的重量，方便裝卸和運輸，節(jié)約流通成本，避免資金出現(xiàn)浪費現(xiàn)象。2.3包裝可重復(fù)利用原則。注重材料和制品的重復(fù)和循環(huán)利用，降低材料費用，節(jié)約設(shè)計成本。在整體包裝材料性質(zhì)的選擇和利用上，必須采用可重復(fù)和可再生利用的材料，落實綠色節(jié)約理念。如果材料難以循環(huán)利用，那么也要選用可降解材料。這樣在產(chǎn)品使用之后，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行降解和處理，避免污染周圍環(huán)境。

3電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計的策略

在落實設(shè)計原則，有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計的前提下，還要注重相關(guān)策略應(yīng)用，促進(jìn)電子產(chǎn)品整體包裝設(shè)計水平提高，使其更好發(fā)揮作用。3.1包裝材料選擇。常用材料為聚苯乙烯發(fā)泡塑料、聚氨酯發(fā)泡塑料、瓦楞紙板、蜂窩紙板等。綜合考慮材料的性能、價值、產(chǎn)品重量大小等，結(jié)合電子產(chǎn)品使用環(huán)境，合理選用材料。3.2包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。先分析和測試產(chǎn)品的易損傷部位，對關(guān)鍵部位緩沖防護(hù)。考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性、尺寸大小、重心位置、外部形狀、產(chǎn)品外殼材料等，確定電子產(chǎn)品的緩沖和關(guān)鍵部位。包裝結(jié)構(gòu)常用局部緩沖法，結(jié)構(gòu)形式有天地蓋、左右套、四棱結(jié)構(gòu)、八角襯墊等。根據(jù)電子產(chǎn)品性能合理選用，實現(xiàn)對產(chǎn)品的保護(hù)。3.3包裝測試。包括振動試驗和跌落試驗，嚴(yán)格按要求試驗和檢測，確保電子產(chǎn)品性能良好。將電子產(chǎn)品固定在振動架，試驗頻率10-55-10Hz，單振幅0.35mm，每個周期5min，在外包裝箱長度、寬度、高度上各做10min。然后進(jìn)行“一角三棱角六面”跌落試驗，可按自由落體方式跌落，或跌路在試驗機(jī)上，確保跌落在水泥地或鋼板臺面。開箱檢驗電子產(chǎn)品，如果外形沒有受損，功效正常，則測試通過。3.4包裝運輸。合理確定最佳運輸路線，確保運輸工具之間匹配，實現(xiàn)產(chǎn)品包裝和物流尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化和集成化，方便產(chǎn)品包裝和運輸，還有利于確保電子產(chǎn)品安全，促進(jìn)其性能有效發(fā)揮。科學(xué)設(shè)計物流路線，節(jié)約運輸成本，提高產(chǎn)品整體包裝性能，確保產(chǎn)品供應(yīng)及時到位，還有利于節(jié)約產(chǎn)品存儲費用。合理選擇存儲和運輸設(shè)備，實現(xiàn)對電子產(chǎn)品的保護(hù)，加強(qiáng)防護(hù)工作，避免在運輸過程中電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)受損。3.5包裝回收再利用。設(shè)計中必須考慮整體包裝的綜合性能，提高其回收與可再生利用性，降低不必要的損失，促進(jìn)產(chǎn)品作用的充分發(fā)揮。要合理設(shè)計產(chǎn)品，減少包裝材料，節(jié)約成本，防止出現(xiàn)環(huán)境污染現(xiàn)象，進(jìn)而實現(xiàn)對周圍環(huán)境的有效保護(hù)。

結(jié)束語

篇(3)

外觀設(shè)計是電子產(chǎn)品設(shè)計的重要方面，也是電子產(chǎn)品是否能受到公眾認(rèn)可的直接感受。通過大眾心理調(diào)研，結(jié)合電子產(chǎn)品功能需求，制定電子產(chǎn)品外觀的原則與方法，是保障電子產(chǎn)品科學(xué)性、創(chuàng)新性以及現(xiàn)實性的前提。目前，電子產(chǎn)品外觀設(shè)計軟件及新的方法途徑層出不窮，除了相關(guān)的電子產(chǎn)品專用設(shè)計軟件外，具有豐富圖像圖形處理功能的軟件，在電子產(chǎn)品設(shè)計中發(fā)揮著愈來愈大的作用，MATLAB、AUTOCAD、3DMAX以及一些地理信息系統(tǒng)軟件也在電子產(chǎn)品設(shè)計的多維呈現(xiàn)及空間表達(dá)方面，發(fā)揮著積極作用。無論電子產(chǎn)品如何設(shè)計，除了需要考慮3D空間造型藝術(shù)等因素外，還必須考慮產(chǎn)品的外觀與功能友好結(jié)合的特征。具體而言，電子產(chǎn)品外觀的整體與協(xié)調(diào)性，外觀與環(huán)境的適應(yīng)性以及外觀與安全性等，均是創(chuàng)意及設(shè)計過程需要充分考慮的。符合時代特征的產(chǎn)品，才會受到用戶的喜愛。電子產(chǎn)品在其外形演變的過程中，可以清晰地體味到科技以人為本的原則。同時，結(jié)合當(dāng)今電子產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，提出對未來電子材料及市場發(fā)展趨勢的探索與展望，無疑具有重要的前瞻性與現(xiàn)實的必要性。

1.電子產(chǎn)品外觀設(shè)計的主要特點

目前，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段，基于各類電子產(chǎn)品設(shè)計的新穎創(chuàng)意層出不窮。特別是隨著人們對電子產(chǎn)品功能要求的日益提升以及大眾審美觀念的不斷增強(qiáng)，人們對產(chǎn)品的要求已不滿足于其實用性及可靠性等方面，人們更多地是對于產(chǎn)品外觀、材質(zhì)、工藝乃至色彩感覺、富于個性等方面的多樣化要求，在這些需求的催動下，越來越高的審美要求成為電子產(chǎn)品的內(nèi)在特征之一。在電子產(chǎn)品外觀設(shè)計中，令人喜愛的外觀一定對于產(chǎn)品營銷推廣是非常有益的，隨著綠色、環(huán)保、低碳理念的不斷普及，基于仿生學(xué)原理的外觀設(shè)計更能在審美情趣方面給人以美的享受，并在一定程度上能起到形象、逼真、有趣、生動、簡捷、美觀等多種作用。同時，在電子設(shè)計產(chǎn)品外觀時，其外型的尺寸、色彩、指示視覺系統(tǒng)要給人們明確易懂的操作感受，滿足人們在選擇電子產(chǎn)品時更多的對外形的大小，色彩的冷暖明暗度，以及人體工程學(xué)的要求，突出電子產(chǎn)品與人的親合力。隨著社會的進(jìn)步，特別是低碳環(huán)保以及綠色經(jīng)濟(jì)理念的逐漸深入人心，人們的消費理念與審美情趣發(fā)生了變化，現(xiàn)代電子產(chǎn)品的外觀設(shè)計也是愈加趨向個性化與綠色化。縱觀以前的產(chǎn)品，主要是以實現(xiàn)其基本功能為目的，而忽略了外觀對用戶購買所產(chǎn)生的影響，提供給用戶選擇的款式較少，單調(diào)而顯得古板。現(xiàn)在除了基本功能配置選擇外，還有多種性格傾向選擇，結(jié)合了色彩學(xué)和心理學(xué)在外觀方向?qū)τ脩舻馁徺I傾向進(jìn)行了拓寬，使有更多的選擇空間，而豐富的外觀造型變化能適應(yīng)不同職業(yè)、不同人群的審美喜好。電子產(chǎn)品外觀設(shè)計需要展現(xiàn)的主要內(nèi)涵是人體工學(xué)的因素和產(chǎn)品的美學(xué)含義。電子產(chǎn)品在一定程度上是滿足大眾不同需求的現(xiàn)代信息技術(shù)產(chǎn)品，作為產(chǎn)品外觀造型設(shè)計則必須滿足用戶的使用需求。電子產(chǎn)品外觀設(shè)計不是簡單的借鑒與模仿，而是需要用理性的邏輯思維來引導(dǎo)感性的形象思維，針對具體問題提出一系列解決方案。通信技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日新月異，人們的需要也愈加難以琢磨和難以滿足，對電子產(chǎn)品的外觀設(shè)計提出了更高的要求。設(shè)計及生產(chǎn)具有時尚化、個性化、人性化和娛樂化的電子產(chǎn)品，在豐富娛樂生活的同時其功能和外觀上能達(dá)到平衡和統(tǒng)一，是人們所追求的重要目標(biāo)。同時，電子產(chǎn)品設(shè)計者與使用者是互動的，兩者之間不可分割。電子產(chǎn)品設(shè)計者對使用者起著理念傳播及引導(dǎo)的作用，而電子產(chǎn)品使用者的藝術(shù)修養(yǎng)及審美情趣，又在一定程度上能夠激發(fā)設(shè)計者向更高更新更時尚的方向發(fā)展，并在一定程度上促進(jìn)設(shè)計的內(nèi)容與形式在藝術(shù)層面上得到完美的統(tǒng)一。也就是說，在這種背景下設(shè)計會越來越有文化品位，也會越來越人性化。

1.1外觀形態(tài)與功能的一致性及協(xié)調(diào)性的統(tǒng)一

電子產(chǎn)品的設(shè)計在一定程度上而言是一門藝術(shù)。浮華的外觀設(shè)計并不能帶來好的用戶體驗，反而會起到反效果，理想的電子產(chǎn)品的外觀設(shè)計要給使用者帶來愉悅的身心體驗。電子產(chǎn)品的外觀設(shè)計是為了能讓用戶體驗變得更美好的初衷，應(yīng)當(dāng)建立在使用戶身心愉悅的基礎(chǔ)上。電子產(chǎn)品和人們的日常生活密切相關(guān)，因此，要實現(xiàn)科學(xué)合理的外觀設(shè)計，就需要在創(chuàng)造令人舒適的產(chǎn)品外觀方面不斷地努力與探索，力求為人們創(chuàng)造更為舒適與更為美好的工作與生活的人性化設(shè)計，并協(xié)調(diào)好產(chǎn)品外觀的新穎性與技術(shù)性以及電子產(chǎn)品功能的關(guān)系，追求外觀特征與功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一的目標(biāo)。總之，電子產(chǎn)品外觀設(shè)計還應(yīng)當(dāng)適應(yīng)現(xiàn)代社會多元化的客觀需要。

1.2產(chǎn)品外觀人性化與藝術(shù)性的統(tǒng)一

現(xiàn)如今人們對于產(chǎn)品功能和性能提出了更高層次的要求。為了順應(yīng)和滿足用戶需求，將人性化的設(shè)計應(yīng)用到了電子產(chǎn)品開發(fā)中。人性化重要表現(xiàn)特征是個性化，電子產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計人員應(yīng)針對不同的使用人群、不同的使用環(huán)境以及電子產(chǎn)品的定位，進(jìn)行多要素的精細(xì)化分類，不斷創(chuàng)新出方便用戶的電子產(chǎn)品。電子產(chǎn)品外觀設(shè)計應(yīng)在一定程度上彰顯人性化與藝術(shù)性完美結(jié)合與和諧統(tǒng)一。電子產(chǎn)品形態(tài)自由度空前廣闊，電子市場競爭也推動了電子產(chǎn)品外觀的創(chuàng)新程度，起最終決定作用的是使用者的特定需求或是喚起用戶對電子產(chǎn)品功能的聯(lián)想，或是方便使用者的使用，或是引發(fā)使用者的親切感，由于每個使用者都是特殊的個體，人性化與藝術(shù)化的最終體現(xiàn)應(yīng)包含對個體需求的滿足。

1.3產(chǎn)品實用性與先進(jìn)性的統(tǒng)一

實用性作為外觀設(shè)計的首要原則，反映設(shè)計師對產(chǎn)品外觀設(shè)計的把握程度，首先要滿足方便、高效、安全的要求，實現(xiàn)其功能是電子產(chǎn)品外觀設(shè)計的主導(dǎo)思想，決定著電子產(chǎn)品實用性與先進(jìn)性的方向。同時，還必須符合廣大使用者健康的審美觀和習(xí)俗愛好，過于夸張個性的外形或者浮夸的色彩搭配反而會造成用戶的反感。不能使電子產(chǎn)品成為華而不實的形式主義產(chǎn)物，也不能只是單純地看重實用功能而忽略掉其他的方面。缺乏實用性只注重外觀設(shè)計，與電子產(chǎn)品設(shè)計的初衷背道而馳，而華而不實的設(shè)計除了會增大產(chǎn)品的生產(chǎn)成本外，同時還會給市場營銷造成負(fù)面效應(yīng)。因此，電子產(chǎn)品在追求當(dāng)今社會對外觀的需求的一般性理念背景下，同時還必須充分保留電子產(chǎn)品的現(xiàn)實用途。

1.4產(chǎn)品時尚性與時代感的統(tǒng)一

產(chǎn)品外觀的創(chuàng)新最主要是立足時尚信息的同時并符合當(dāng)代社會審美的需求，創(chuàng)造富有時代氣息的產(chǎn)品，除了為生產(chǎn)者贏得更多的市場外，還能夠帶動電子產(chǎn)品領(lǐng)域的創(chuàng)新性變革。電子產(chǎn)品設(shè)計的外觀新穎、完美、健康、和諧，才能促使使用者在感受到美感的同時欣賞到美好的設(shè)計。目前，市場競爭的日益激烈，產(chǎn)品更新的速度也越來越快，外觀上也要求不斷地更新來適應(yīng)市場的需求與發(fā)展。企業(yè)需要加快產(chǎn)品外觀設(shè)計創(chuàng)新的速度，使產(chǎn)品體現(xiàn)時尚性與時代感的完美統(tǒng)一，才可能滿足和帶動使用者不斷變化的需求。電子產(chǎn)品風(fēng)格是一個國家物質(zhì)文明和精神文明的共同體現(xiàn)，是社會化生產(chǎn)與社會進(jìn)步的有機(jī)結(jié)合，也是歷史文化與人文地理特征的重要體現(xiàn)。創(chuàng)新出有著本國審美取向和文化特點的電子產(chǎn)品以及加強(qiáng)產(chǎn)品創(chuàng)新和追求風(fēng)格體驗是未來電子產(chǎn)品發(fā)展的方向。

2.電子產(chǎn)品外觀美學(xué)設(shè)計的一般思路與方法

電子產(chǎn)品的外觀設(shè)計需要設(shè)計師對當(dāng)代的外觀趨勢有準(zhǔn)確的把握，從大眾電子產(chǎn)品的外觀形態(tài)創(chuàng)造出新穎的外觀，基于美學(xué)理念，把產(chǎn)品功能信息、文化歷史信息、人文審美情趣及生產(chǎn)工藝水平等有機(jī)結(jié)合起來，設(shè)計合理科學(xué)的電子產(chǎn)品外觀形態(tài)。事實上，基于各類信息及外觀數(shù)據(jù)，設(shè)計者就可以進(jìn)行3D建模，通過整體外觀設(shè)計，拆分零部件，每個子零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計等過程，實現(xiàn)總體電子產(chǎn)品的創(chuàng)新性外觀設(shè)計。在具體的電子產(chǎn)品設(shè)計過程中，人們從各類眾多的產(chǎn)品中梳理總結(jié)出了多種方法，其中元素化設(shè)計法、功能化設(shè)計法，以及集成化設(shè)計法等是常用的電子產(chǎn)品設(shè)計方法。特別要提及的元素化設(shè)計法是將客觀需求作為電子產(chǎn)品功能構(gòu)思、元件設(shè)計、線路規(guī)劃、動作控制等依據(jù)，并重點從電子產(chǎn)品開發(fā)的宏觀理念到微觀過程，根據(jù)功能特征，將客觀需求信息有效地轉(zhuǎn)換為電子產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標(biāo)和操作規(guī)程的方法。現(xiàn)在的電子產(chǎn)品設(shè)計和以往已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，以往傳統(tǒng)的設(shè)計逐漸的被新技術(shù)所取代。具體而言，電子產(chǎn)品設(shè)計者把整個電子產(chǎn)品設(shè)計視為由若干個元素組成的系統(tǒng)，每個元素既有一定的獨立性又具有密切的聯(lián)系，將所有的元素進(jìn)行整合也就是局部到整體的過程，最終通過各元素的協(xié)同與耦合，從而實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)的一體化。集成化設(shè)計方法是運用計算機(jī)能夠識別的語言對電子產(chǎn)品的特征的進(jìn)行描述，建立相應(yīng)的知識庫及推理機(jī)制，再利用已儲存的領(lǐng)域知識和建立的推理機(jī)制實現(xiàn)計算機(jī)輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計；現(xiàn)實實施過程中，可以利用CAD和3Dmax等相關(guān)軟件來實現(xiàn)，建立知識庫即根據(jù)功能將電器元件進(jìn)行分類，并利用代碼描述功能和元件類別。隨著技術(shù)的發(fā)展，把3D打印的理念融合其中，更能符合未來電子產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)的創(chuàng)新思路。

3.主要結(jié)論

3.1合理科學(xué)的外形設(shè)計是電子產(chǎn)品使用的客觀要求

現(xiàn)代電子產(chǎn)品類型多樣，為了迎合用戶對新穎外觀追求的需要，現(xiàn)在的電子市場不乏出現(xiàn)了很多匪夷所思的外觀產(chǎn)品。把握電子產(chǎn)品設(shè)計的原則，不能憑空臆造，同時產(chǎn)品的外觀要有內(nèi)涵，其外型的尺寸、色彩、指示視覺系統(tǒng)要讓人明確易懂。操作界面要簡單明了，操作方式簡便易懂而且要符合人體工程學(xué)的要求，突出與人的親合力。

3.2美學(xué)原理與功能協(xié)調(diào)原理是電子產(chǎn)品設(shè)計的重要基礎(chǔ)

在電子產(chǎn)品設(shè)計中，產(chǎn)品外觀設(shè)計的美學(xué)特征與功能是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的，電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造型及外觀比例、色彩設(shè)置等諸多要素的有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)了電子產(chǎn)品的內(nèi)涵特征，它們貫穿于電子外觀設(shè)計的整體過程中。

3.3材料科學(xué)的發(fā)展有利于設(shè)計低碳節(jié)能及綠色環(huán)保產(chǎn)品

篇(4)

關(guān)鍵詞： 復(fù)雜電子產(chǎn)品； 三維裝配工藝技術(shù)； MBD； 可視化

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0081?02

裝配是制造業(yè)的主要活動，形成產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)[1]，在電子行業(yè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品，裝配工時和費用大概占用總費用的40%～60%，三維CAD/CAM軟件因其本身強(qiáng)大的功能，成為企業(yè)應(yīng)用的主流趨勢。三維數(shù)字化設(shè)計和工藝可實現(xiàn)全機(jī)規(guī)模的三維數(shù)字設(shè)計、預(yù)裝配合動靜態(tài)數(shù)字協(xié)調(diào)，計算機(jī)輔助設(shè)計和制造并行，縮短了研制周期，提高了設(shè)計質(zhì)量[2]，然而數(shù)字化裝配工藝技術(shù)相對于三維零件設(shè)計和加工的發(fā)展明顯滯后，成為企業(yè)提高生產(chǎn)效益和產(chǎn)品質(zhì)量的瓶頸[3]，因此數(shù)字化裝配工藝技術(shù)的發(fā)展成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

1 需求現(xiàn)狀

雷達(dá)等復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計主要實現(xiàn)2個方面的目標(biāo)：

（1） 對產(chǎn)品總體裝配工藝設(shè)計進(jìn)行有效驗證；

（2） 利用可視化的作業(yè)指導(dǎo)書，有效地指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場總裝[4]。

目前在復(fù)雜電子產(chǎn)品制造業(yè)普遍存在以下問題：

（1） 工藝與設(shè)計缺少協(xié)同。工藝和設(shè)計不在同一平臺，沒有同一個數(shù)據(jù)源，設(shè)計EBOM無法自動集成，數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)化，工藝只能被動等待，無法盡早進(jìn)入到產(chǎn)品設(shè)計階段和避免出現(xiàn)設(shè)計模型工藝性差的問題。

（2） 裝配工藝設(shè)計仍然采用傳統(tǒng)的二維方式表達(dá)，上游設(shè)計產(chǎn)生的三維數(shù)字模型沒有得到充分利用。就目前裝配工藝設(shè)計本身來說，大多數(shù)企業(yè)還是依靠傳統(tǒng)的二維裝配圖紙和裝配工藝規(guī)程卡片進(jìn)行工藝設(shè)計，首先由工藝設(shè)計人員設(shè)計圖紙及經(jīng)驗想象出三維裝配空間、設(shè)計裝配順序，并用二維工藝過程卡片表達(dá)出來。然后由裝配工人照工藝設(shè)計人員設(shè)計的二維數(shù)據(jù)理解裝配順序及要求，在大腦中再次構(gòu)建出三維裝配過程，因此，整個產(chǎn)品裝配的環(huán)節(jié)與工藝設(shè)計人員和裝配工人的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗關(guān)系過于密切，不能充分利用和繼承設(shè)計產(chǎn)生的三維CAD數(shù)據(jù)，難以保證工藝設(shè)計的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化[5]。

（3） 裝配進(jìn)度不易控制，裝配周期不易保證。由于目前的工藝設(shè)計環(huán)境不具備三維工藝驗證能力，致使裝配過程中是否存在干涉、裝配順序是否合理、工藝裝備是否滿足需要、操作空間是否開敞等一系列問題只有到了生產(chǎn)試制階段才暴露出來。從而使裝配周期不易保證，嚴(yán)重影響了復(fù)雜電子產(chǎn)品研制的進(jìn)度和質(zhì)量。

（4） 一些復(fù)雜產(chǎn)品的裝配，因為缺少可視化的三維動態(tài)裝配過程，不便于裝配工人使用和理解。在目前大多數(shù)企業(yè)的現(xiàn)場裝配，工人主要依靠二維圖紙和工藝過程卡進(jìn)行裝配操作，對于一些復(fù)雜產(chǎn)品的裝配來說，因為缺少可視化的三維動態(tài)裝配過程，工人理解起來往往會有一定難度，有時還會產(chǎn)生歧義[6]。三維裝配工藝可視化技術(shù)為裝配工人提供一種可預(yù)先驗證的、易于理解的可視化指導(dǎo)平臺，使裝配工人直觀理解，減少了操作錯誤，提高產(chǎn)品裝配生產(chǎn)效率、降低產(chǎn)品成本、為企業(yè)贏得競爭優(yōu)勢。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

三維裝配工藝設(shè)計流程分為產(chǎn)品設(shè)計、裝配工藝設(shè)計和制造3個階段。在產(chǎn)品設(shè)計階段，首先由設(shè)計人員和工藝人員建立零部件和工裝模具的三維數(shù)字化模型，并對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，獲得三維裝配工藝仿真、規(guī)劃與管理系統(tǒng)中所需的輕量化數(shù)據(jù)模型。在裝配工藝設(shè)計階段，工藝設(shè)計人員根據(jù)產(chǎn)品裝配模型提供的信息，進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，得到產(chǎn)品的最佳裝配順序，在三維環(huán)境下進(jìn)行工藝規(guī)劃和仿真，選取合適的工裝工具和裝配方法，最終輸出優(yōu)化的裝配工藝方案， 所形成的三維裝配工藝通過PLM系統(tǒng)進(jìn)行審簽。在制造階段，利用可視化工具和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境將裝配仿真驗證文件、三維工作指令和工藝設(shè)計文件等工藝信息導(dǎo)入到企業(yè)ERP系統(tǒng)，車間裝配人員可以一邊觀看產(chǎn)品的裝配過程仿真畫面，一邊進(jìn)行實際裝配。從而提高裝配效率和準(zhǔn)確性，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)三維裝配工藝需要以下關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

3.1 基于MBD的數(shù)字化定義技術(shù)

MBD將設(shè)計、制造、檢驗、管理信息融入一體，目前被航空行業(yè)普遍認(rèn)同為解決數(shù)字化設(shè)計制造的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。MBD 技術(shù)改變了以往同時依據(jù)二維工程圖紙和三維實體模型來設(shè)計產(chǎn)品裝配工藝和零件加工工藝的做法[8]。在MBD的技術(shù)體系中，MBD數(shù)據(jù)集的內(nèi)容包含設(shè)計工藝、制造、檢驗等各部門的信息[9]，以三維數(shù)模完全替代二維工程圖紙，成為數(shù)字化制造過程中的唯一依據(jù)。工藝人員在MBD 的工藝設(shè)計規(guī)范的指導(dǎo)下，讀取來自上游結(jié)構(gòu)設(shè)計信息，并將輕量化、完整化，這是進(jìn)行三維裝配工藝設(shè)計和進(jìn)行產(chǎn)品裝配仿真的前提，直接依據(jù)三維實體模型開展三維工藝設(shè)計給整個產(chǎn)品中的工藝設(shè)計工作帶來一次全新的變革。

3.2 人機(jī)交互環(huán)境下三維工藝規(guī)劃及仿真技術(shù)

裝配規(guī)劃和仿真技術(shù)是裝配過程的重要環(huán)節(jié)，裝配順序和裝配方案直接關(guān)系產(chǎn)品的可裝配行、裝配質(zhì)量和裝配成本[10]。依據(jù)數(shù)字化裝配工藝流程，建立三維數(shù)字化裝配工藝模型，通過裝配現(xiàn)場可視化技術(shù)建立與產(chǎn)品裝配相似的數(shù)字化虛擬裝配環(huán)境，在工藝工作開展的同時及產(chǎn)品實物裝配之前，按照確定的裝配工藝流程進(jìn)行數(shù)字化模擬仿真，在裝配時進(jìn)行零件與兩件、零件與工裝的干涉檢查；通過對產(chǎn)品裝配拆卸過程的仿真，驗證裝配順序設(shè)計的合理性；模擬操作者的操作過程以便發(fā)現(xiàn)操作空間大小是否滿足裝配需要，操作者身體或肢體能否到達(dá)裝配位置等問題，并將這些仿真結(jié)果通過仿真報告提交產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計等進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 三維裝配工藝可視化技術(shù)

三維裝配工藝可視化技術(shù)是把產(chǎn)品設(shè)計信息、制造資源信息和工藝設(shè)計信息整合起來以數(shù)字化的形式傳遞到車間現(xiàn)場，并展示出來的方法。操作者能夠采用該技術(shù)讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動畫、裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等信息，最終形成三維數(shù)字化工藝展示，使工人能夠準(zhǔn)確、迅速地查閱裝配過程中需要的信息。減少了由于操作者理解不透徹帶來的質(zhì)量問題。

4 結(jié) 語

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品的裝配復(fù)雜性日趨大型化、復(fù)雜化，數(shù)字化裝配成為趨勢。同時，無紙化與制造已經(jīng)成為制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，三維裝配工藝設(shè)計的實施實現(xiàn)了復(fù)雜電子產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化，減少了現(xiàn)場設(shè)計更改率和裝配返工率，縮短了裝配周期，提高了裝配質(zhì)量和裝配效率。為企業(yè)提升核心競爭力奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳欣.三維裝配工藝技術(shù)在雷達(dá)裝配中的應(yīng)用研究[J].電子機(jī)械工程，2012（8）：56?57.

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篇(5)

關(guān)鍵詞： 疊層結(jié)構(gòu)； 熱應(yīng)力； 流體動力學(xué)； 有限元； Abaqus

中圖分類號： TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品在體積基本保持不變的情況下，功率有顯著增加，器件的散熱量也增大.為保證電子產(chǎn)品工作的可靠性，如何散熱成為重要的問題.從電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析來看，需要做2個方面的工作，其一是了解在極限工作溫度狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力分布；其二是采用風(fēng)扇強(qiáng)制散熱時，疊層結(jié)構(gòu)的空氣流動情況.Abaqus有限元軟件不僅可解決相對簡單的線性問題，也可用于許多復(fù)雜的非線性問題.[1]Abaqus包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫，并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料.[2]作為通用的模擬工具，Abaqus除能解決大量結(jié)構(gòu)（如應(yīng)力位移）問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)（流體滲透應(yīng)力耦合）分析及壓電介質(zhì)分析等.[3]采用有限元軟件Abaqus的Standard模塊，針對疊層器件結(jié)構(gòu)，建立熱應(yīng)力有限元模型；采用Abaqus的CFD模塊，建立流體動力學(xué)有限元模型；最后根據(jù)上述2個模型的計算結(jié)果，分析產(chǎn)品熱應(yīng)力和空氣的流動情況，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù).

1疊層結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力有限元分析

某型疊層器件結(jié)構(gòu)由4層板和3層芯片構(gòu)成.設(shè)計首先要求考慮，當(dāng)器件溫度達(dá)到200 ℃時，該疊層器件的熱應(yīng)力分布.[4]疊層器件的材料參數(shù)為：芯片材料的彈性模量為131 GPa，泊松比為0.3，熱膨脹系數(shù)為2.8×10-6 ℃-1；板材料為FR4，彈性模量為224 GPa，泊松比為0.28，熱膨脹系數(shù)為1.8×10-5 ℃-1.為詳細(xì)考察結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分布情況，建立三維有限元模型，采用8節(jié)點六面體三維實體單元C3D8R.

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，取1/4結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型.為能夠獲得質(zhì)量較高的有限元網(wǎng)格，首先建立多個形狀簡單的“Part”；然后通過“Assembly”組合成疊層結(jié)構(gòu)的形狀；再用命令“Merge/Cut InstancesGeometry Intersecting BoundariesRetain”將各個簡單結(jié)構(gòu)連接成一個整體；最后采用“ToolsPatitionCreate Partition”命令，將結(jié)構(gòu)切割成可以劃分較高質(zhì)量網(wǎng)格的有限元模型.

最后獲得具有8節(jié)點三維塊體單元C3D8R的1/4疊層器件的有限元模型，該模型單元總數(shù)為3 395個，節(jié)點總數(shù)為4 800個.

1/4疊層結(jié)構(gòu)的有限元計算等效應(yīng)力云圖見圖1，可知，疊層結(jié)構(gòu)在芯片和板兩種材料的結(jié)合部位應(yīng)力較大，特別是在兩種材料連接的角點位置應(yīng)力最大（見圖2）.

圖 11/4疊層結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖

圖 2兩層材料邊界的等效應(yīng)力曲線

根據(jù)上述有限元計算分析可知，采用Abaqus的Standard模塊，可以對疊層器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的有限元熱應(yīng)力計算分析.本模型所采用的建模策略為：先分別建立各簡單疊層器件中的簡單三維幾何模型，然后用“Assembly”搭接出整體結(jié)構(gòu)的建模手段，比通常建模采用直接建立一個“Part”的方法，更便于把整體結(jié)構(gòu)分割成易于劃分網(wǎng)格的簡單幾何體，也更容易得到質(zhì)量較高的8節(jié)點六面體單元.

2疊層器件流場的有限元分析

為了解疊層器件通過風(fēng)扇吹風(fēng)散熱的情況，進(jìn)行流體動力學(xué)分析.考慮到Abaqus的CFD求解器是基于混合間斷有限元法/有限體積法和有限元法的求解方法，可以解決與層流和湍流相關(guān)的流體力學(xué)問題，所以使用該有限元模塊對疊層器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行空氣的流場分析.

首先建立疊層4層板的三維有限元流體動力學(xué)模型，假設(shè)風(fēng)扇在結(jié)構(gòu)的一側(cè)吹風(fēng).為了解在空氣流動情況下，結(jié)構(gòu)表面的空氣流速情況，選擇電子原件中的疊層器件，定義疊層器件表面空氣流速為0，空氣從疊層器件的一側(cè)流進(jìn)，另一側(cè)流出.根據(jù)實際電子結(jié)構(gòu)，選取疊層器件以及周圍空間建立流體動力學(xué)三維有限元模型.為節(jié)省計算資源，仍然利用疊層器件的對稱性，建立三維流體動力學(xué)對稱模型.為獲得質(zhì)量較高的8節(jié)點六面體單元形狀，在建立模型時，仍然采用“搭積木”的方式，即首先根據(jù)模型的幾何形狀，分別建立一些形狀簡單具有六面體長方形的幾何模型，然后利用“Assembly”中的有關(guān)命令結(jié)合“切割”命令，獲得具有高質(zhì)量六面體單元形狀的流體動力學(xué)有限元模型.

流體動力學(xué)有限元模型采用八節(jié)點六面體形狀的FC3D8單元，共劃分29 560個單元，33 302個節(jié)點.

疊層4層結(jié)構(gòu)空氣流場分布見圖3.從有限元計算結(jié)果可知，在模擬風(fēng)扇吹風(fēng)散熱過程中，疊層結(jié)構(gòu)外表面的空氣流動快，相比之下各層之間的空氣流量較小.

圖 3疊層4層結(jié)構(gòu)空氣流場分布

為更細(xì)致地觀察疊層結(jié)構(gòu)中板與板之間的流場情況，建立兩板之間空氣流動的有限元流體動力學(xué)模型，計算結(jié)果見圖4和5，可知，在風(fēng)扇直接吹到的表面，風(fēng)壓和風(fēng)速較大；但在風(fēng)扇吹不到的部位風(fēng)速較小，說明散熱較差.如果采用強(qiáng)制通風(fēng)散熱技術(shù)時，要采用多個風(fēng)扇從不同方向吹風(fēng)散熱的方法，才能達(dá)到較好的效果.

圖 4兩層板之間的空氣流速云圖

圖 5兩層板之間風(fēng)扇吹風(fēng)產(chǎn)生的壓力云圖

通過Abaqus/CFD對疊層器件的流體動力學(xué)有限元計算分析可知，采用“搭積木”式的建模方法，盡管在建模開始時，需要詳細(xì)考慮如何把疊層器件的流體動力學(xué)幾何模型進(jìn)行分解，但對分解好的簡單幾何模型進(jìn)行建模、組裝和搭接，以及進(jìn)一步網(wǎng)格劃分就非常簡便.

由于疊層器件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果只建立一個能夠詳盡表述出該器件流場分布情況的流體動力學(xué)模型，將會耗費大量的計算資源和計算時間，而采用整體模型和局部模型相結(jié)合的分析方法，可以有效降低計算資源和計算時間.

比較以前求解流體動力學(xué)所采用的有限差分等方法的流體力學(xué)求解器，Abaqus/CFD求解器具有很強(qiáng)的求解功能，特別是在處理三維流體模型問題時，通常易于解決其他流體力學(xué)軟件無法求解或者需要計算很長時間的模型，在求解功能和求解時間方面具有顯著的求解優(yōu)勢.但是，Abaqus/CFD模塊只提供三維模型的分析功能，沒有一、二維分析功能，因此需要工程技術(shù)人員在使用過程中更新建模思路.例如，在其他軟件中建立一、二維流體模型時，就應(yīng)該考慮如何還原成為具有三維特性的Abaqus/CFD的流體力學(xué)模型.

3結(jié)束語

通過使用Abaqus/Standard和Abaqus/CFD對疊層器件熱應(yīng)力和流體動力學(xué)有限元分析可知，利用三維實體單元C3D8R建立的疊層器件有限元模型，可以有效計算分析結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布情況.通過分析結(jié)果知道，最大熱應(yīng)力在芯片和板兩種材料相結(jié)合的邊界部位.利用FC3D8單元建立的疊層器件流體動力學(xué)的有限元計算可知，在使用風(fēng)扇通風(fēng)時，疊層板之間的空氣流動較器件外表面流速小，兩板之間空氣流速隨著兩板之間間隙的減小而減小.

采用Abaqus的流、固體分析方法，可以有效分析疊層器件結(jié)構(gòu)的工作情況，該軟件可為疊層器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱提供有效的分析工具.

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篇(6)

【關(guān)鍵詞】熱循環(huán)注塑模具；關(guān)鍵技術(shù)；科學(xué)

前言

近年來，為滿足人們對注塑產(chǎn)品的要求，快速熱循環(huán)注塑成型技術(shù)應(yīng)運而生。該技術(shù)是一種表面無缺陷！高光澤度的塑料成型技術(shù)。利用該技術(shù)，可獲得表面無熔接痕、無流痕、無表面浮纖等缺陷的外觀優(yōu)越的塑料制品，既可取消噴涂工藝，顯著減少或完全消除因噴涂造成的污染，又可節(jié)省或省去昂貴的二次加工費用，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)塑料產(chǎn)品的綠色化生產(chǎn)。因此，該技術(shù)市場競爭力強(qiáng)，應(yīng)用前景十分廣闊。

一、快速熱循環(huán)注塑成型的工藝原理

快速熱循環(huán)注塑（RHCM）作為一種新的注塑成型技術(shù)，也可以叫做高光無痕注塑成型。是一種采用快速加熱和快速冷卻注塑模具及動態(tài)溫控裝置，并對模具溫度實行閉環(huán)控制的注塑成型技術(shù)。

快速熱循環(huán)注塑的工藝過程同傳統(tǒng)常規(guī)注塑的成型周期基本一致，可分為合模、射膠、保壓、冷卻、熔膠、開模、制品取出等7 個階段。不同的地方在于其可以根據(jù)各工藝階段的特點來調(diào)整模具溫度。其工藝原理是： 在一個注塑成型周期中，快速熱循環(huán)注塑工藝的模具溫度將在一個比較大的溫度區(qū)間內(nèi)波動變化。在模具的快速加熱階段，首先為了使模具溫度上升到聚合物的熔點或熱變形溫度以上，要通過利用動態(tài)溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)這一目標(biāo)。接著，為了保證塑料熔體良好的充模狀態(tài)，需要將高溫維持一定的時間。下一個階段是熔體的注射階段，將聚合物的熔體注射到模具的型腔之中，注射和保壓過程中為了防止熔體的過早冷凝，要一直使模具保持較高的溫度。高壓保持之后將進(jìn)入冷卻階段，快速冷卻已定型的聚合物熔體，將聚合物熔體溫度迅速降低到塑料頂出溫度以下。最后階段，打開模具，取出注塑制品。

二、快速熱循環(huán)注塑技術(shù)的主要特點

快速熱循環(huán)注塑技術(shù)是目前國際上最前沿的注塑成型技術(shù)，同傳統(tǒng)的注塑技術(shù)相比，其最大特點在于采用快速加熱和快速冷卻注塑模具及動態(tài)溫控裝置。其主要特點和優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）高效率

在快速熱循環(huán)注塑成型過程中，其工作的核心部分在于對模具溫度的動態(tài)控制。在整個注塑過程中，由于采用模具的快速加熱和快速冷卻設(shè)備，可以在很短的時間內(nèi)完成對模具的加熱和冷卻，減少注塑時間。因此，快速熱循環(huán)注塑成型可以大大縮短注塑成型的周期，從而降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的成型效率。快速熱循環(huán)注塑可以使厚壁成型注塑周期可降低60%以上。

（二）高質(zhì)量

快速熱循環(huán)注塑技術(shù)采用快速加熱和快速冷卻注塑模具及動態(tài)溫控裝置，可以提高注塑產(chǎn)品的質(zhì)量，改善產(chǎn)品性能。首先，快速熱循環(huán)注塑工藝的高模溫注塑可以有效改善熔體的流動性，有效避免熔體的過早冷凝，由于冷凝層的消失，顯著提高了熔體的流動能力，降低高分子鏈的取向程度。因此可以極大地增強(qiáng)產(chǎn)品表面的光潔度，使塑件表面光潔度可達(dá)到鏡面效果，改善塑件的表面質(zhì)量，從而獲得均質(zhì)性更優(yōu)的注塑產(chǎn)品；其次，可以改善或徹底消除塑件表面縮水現(xiàn)象，尤其是復(fù)雜微型零件應(yīng)用空間大。

三、快速熱循環(huán)注塑工藝關(guān)鍵技術(shù)

（一）注塑模優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

注塑成型制品的質(zhì)量主要取決于材料性能！制品結(jié)構(gòu)！模具設(shè)計和加工以及成型工藝。傳統(tǒng)的提高制品質(zhì)量的方法主要是用嘗試法通過不斷試模來調(diào)整工藝參數(shù)和改進(jìn)模具設(shè)計，效率低下。隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的進(jìn)步和智能算法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計等優(yōu)化設(shè)計理論的發(fā)展，將注塑成型模擬技術(shù)、模具設(shè)計方法和優(yōu)化設(shè)計理論有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)成型過程和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是當(dāng)前研究的熱點問題之一。

（二）快速熱循環(huán)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)計

注塑產(chǎn)品的質(zhì)量不僅與模具結(jié)構(gòu)和成型工藝及其參數(shù)有關(guān)，還取決于產(chǎn)品本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否符合成型的工藝性要求。結(jié)構(gòu)良好的塑件，不僅能提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，還能減少產(chǎn)品的成型缺陷。RHCM成型工藝雖然能夠消除產(chǎn)品表面的熔接痕、流痕等缺陷，能得到表面光澤度優(yōu)越的高品質(zhì)產(chǎn)品，但是產(chǎn)品表面卻容易產(chǎn)生縮痕（Sink）且成型產(chǎn)品難于脫模。

（三）快速熱循環(huán)模具關(guān)鍵部位設(shè)計研究

RHCM注塑成型過程中，模具加熱的溫度較高，冷卻時所需的時間必然延長，欲保證產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，勢必對模具結(jié)構(gòu)提出更高的要求”根據(jù)RHCM工藝及其塑件的結(jié)構(gòu)特點，研究適合于Rl>CM注塑的模具結(jié)構(gòu)，包括澆注系統(tǒng)、變溫系統(tǒng)和其它影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵部件設(shè)計方法，既可保證塑件的成型質(zhì)量又可提高生產(chǎn)效率。

（四）快速熱循環(huán)注塑產(chǎn)品質(zhì)量控制研究

目前，快速熱循環(huán)注塑工藝主要應(yīng)用于生產(chǎn)高光、無熔痕等表面質(zhì)量要求較高的塑料制品，如液晶電視機(jī)前殼、數(shù)碼電子產(chǎn)品外殼！汽車內(nèi)飾等薄殼類產(chǎn)品。雖然快速熱循環(huán)注塑技術(shù)可以提高產(chǎn)品的表觀質(zhì)量和強(qiáng)度，但是實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)該技術(shù)難以很好地解決制品的縮痕！翹曲變形以及體積收縮等缺陷。隨著對注塑件品質(zhì)要求的不斷提高，制品的翹曲！縮痕等缺陷同樣備受關(guān)注，尤其是薄壁類塑件尺寸的穩(wěn)定性已成為衡量塑件品質(zhì)的一項重要指標(biāo)”對于薄壁類塑件，翹曲變形是一種無法避免的注射成型缺陷，會影響產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和穩(wěn)定性，長時間的翹曲還會導(dǎo)致塑件變形與表面微裂紋，因此在注射成型中應(yīng)盡量減小此類缺陷。

（五）快速熱循環(huán)注塑生產(chǎn)線構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究

RHCM注塑的工藝過程與常規(guī)注塑基本一致，但RHCM注塑增加了模具快速加熱與快速冷卻及溫度動態(tài)控制過程。在模具加熱階段，需使模溫升高到塑料的熱變形溫度以上，以保證塑料熔體良好的充模狀態(tài)；而在冷卻階段，需要向模具內(nèi)部管路中通入低溫冷卻水，以使熔體溫度迅速降低到塑料的頂出溫度以下，減少注塑成型周期。因此，RHCM生產(chǎn)線的建立需綜合考慮模具溫度的動態(tài)變化過程和生產(chǎn)中實施的成本及難易程度。

四、結(jié)論

快速熱循環(huán)注塑模具極大的改變了現(xiàn)代社會的生活與生產(chǎn)過程，對于我們的社會有著極為重要的價值與意義，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要產(chǎn)物。因此，我們應(yīng)該對該技術(shù)予以充分的研究，促進(jìn)其更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

篇(7)

一、工業(yè)設(shè)計對于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的重要作用

(一)工業(yè)設(shè)計對于促進(jìn)以人為本、和諧發(fā)展的重要作用

1、工業(yè)設(shè)計以消費者為核心。青蛙設(shè)計公司創(chuàng)始人哈姆特?艾斯林格(Hartmut Esslinger)曾說過，“設(shè)計的目的是創(chuàng)造更為人性化的環(huán)境”。設(shè)計以滿足消費者需要為核心，以市場需求為導(dǎo)向，越是適應(yīng)消費者需求的產(chǎn)品，設(shè)計就越具有市場價值。因此，成功的設(shè)計首先取決于對消費者偏好，對文化、歷史、風(fēng)俗習(xí)慣等社會環(huán)境因素的理解。摩托羅拉公司為了開拓南美市場，曾調(diào)查了11個國家，通過了解當(dāng)?shù)叵M者的生活習(xí)慣和興趣偏好明確了設(shè)計理念，市場占有率從20％上升為80％。

2、工業(yè)設(shè)計創(chuàng)造新的消費模式。一項新技術(shù)的發(fā)明往往引發(fā)設(shè)計創(chuàng)新與革命，而設(shè)計革命創(chuàng)造了嶄新的市場需求，由此為人們改變傳統(tǒng)的生活方式，建立新的消費模式創(chuàng)造條件。20世紀(jì)60到70年代，美國人快速接受了日本消費電子產(chǎn)品和汽車，從此改變了審美情趣和生活品質(zhì)。60年代早期，美國消費者的家用娛樂產(chǎn)品用黑木的文件柜包起來，款式猶如家具，這一時期，美國和歐洲品牌控制了大量市場。而索尼隨身聽(sony Walkman)進(jìn)入美國市場后，使用鋁和鋼新材料制造，體積小、輕便、音樂可以任意選擇，更加人性化、現(xiàn)代化。因此，索尼隨身聽的設(shè)計創(chuàng)新改變了美國消費者的需求偏好。

3、工業(yè)設(shè)計促進(jìn)資源節(jié)約與生態(tài)環(huán)境和諧。從1962年到1967年的5年間，日本汽車數(shù)量從500萬輛迅速增長到1000萬輛。由此而引發(fā)了大量的交通事故、空氣污染、石油危機(jī)等問題。這一時期，汽車設(shè)計師開始考慮提高汽車安全性能、環(huán)保性能、節(jié)約能源等問題，引進(jìn)安全保險杠、汽車安全帶、改善節(jié)能系統(tǒng)、引入電子技術(shù)等，使汽車設(shè)計達(dá)到高效節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，綠色設(shè)計的概念已經(jīng)成為全球現(xiàn)代設(shè)計發(fā)展的主要趨勢，綠色設(shè)計要求設(shè)計師在設(shè)計過程中的每一個決策中都充分考慮到提高環(huán)境效益和發(fā)展質(zhì)量。其核心理念是“3R”(Reduce、Recycle、Reuse)，即減少物質(zhì)能源消耗、減少有害物質(zhì)的排放，產(chǎn)品與零部件能夠回收并再生循環(huán)和重新利用。在綠色設(shè)計理念的指導(dǎo)下，注重節(jié)能環(huán)保成為評價設(shè)計好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。

(二)工業(yè)設(shè)計對于提高企業(yè)競爭力的重要作用

工業(yè)設(shè)計在實現(xiàn)產(chǎn)品差異化、提高產(chǎn)品附加值、塑造國際名牌、提高市場占有率、創(chuàng)造明星企業(yè)等方面都具有顯著作用。

1、工業(yè)設(shè)計是推動企業(yè)自主創(chuàng)新的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從創(chuàng)新形式來看，設(shè)計創(chuàng)新是十分典型的集成創(chuàng)新。設(shè)計師綜合運用各種技術(shù)成果，通過設(shè)計創(chuàng)新和改進(jìn)實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)。例如，手機(jī)由最初單一的接聽電話功能發(fā)展到具有發(fā)短信、聽收音機(jī)、拍照、上網(wǎng)、GPS定位系統(tǒng)等多種功能，就是運用設(shè)計進(jìn)行集成創(chuàng)新的結(jié)果。從創(chuàng)新風(fēng)險來看，原始創(chuàng)新投資大，周期長，風(fēng)險大，需要具有雄厚的資金，適用于實力較強(qiáng)的大企業(yè)。而設(shè)計創(chuàng)新投資少、風(fēng)險小、可以省去新技術(shù)開發(fā)階段所付出的巨額資金和高昂人力資本投入，往往成為中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。從創(chuàng)新環(huán)節(jié)來看，設(shè)計貫穿從產(chǎn)品的概念到生產(chǎn)、流通的整個過程，促進(jìn)了技術(shù)創(chuàng)新和新材料應(yīng)用。

2、工業(yè)設(shè)計是提高企業(yè)贏利能力的重要因素。工業(yè)設(shè)計通過提高產(chǎn)品附加值提高了企業(yè)效益。美國、英國、日本、芬蘭等國家的調(diào)查和研究都證明了設(shè)計對提高企業(yè)銷售收入、新產(chǎn)品開發(fā)能力，創(chuàng)造市場需求等方面的重要作用。日立公司每增加1000億日元的銷售額，設(shè)計的作用占51％。英國工業(yè)設(shè)計委員會曾針對英國上市公司進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查對象是過去十年中設(shè)計的有效使用者及其股價活動，發(fā)現(xiàn)63家公司的有價證券在1994至2003年的熊市和牛市中大多超過了FTSE(Financial Times Security Exchange)指數(shù)的200％。據(jù)英國國家設(shè)計委員會調(diào)查，英國50％以上的企業(yè)使用設(shè)計后，銷售收入、利潤和競爭力明顯提高，英國快速增長的公司中有95％使用設(shè)計開發(fā)新產(chǎn)品。韓國企業(yè)使用設(shè)計的占60％以上，許多企業(yè)設(shè)計費用占銷售收入的6％。

3、設(shè)計成為企業(yè)開拓市場的先導(dǎo)。許多企業(yè)成功地運用設(shè)計提高了市場開拓能力和競爭力。20世紀(jì)80年代末，銳步彪馬公司(Reebok Puma)發(fā)現(xiàn)籃球運動員由于腳踝關(guān)節(jié)經(jīng)常受傷不能正常在比賽中發(fā)揮水平，于是設(shè)計了保護(hù)踝關(guān)節(jié)的運動鞋，兩年內(nèi)這條產(chǎn)品流水線帶動了大約20億美元的銷售額。20世紀(jì)90年代末，摩托羅拉使用設(shè)計成功地提高了中國手機(jī)市場的競爭力。1999年推出了世界上第一代內(nèi)置鍵盤輸入法的全中文手機(jī)CD928+，1999年3月和6月又連續(xù)推出了兩款頗具轟動性的新型手機(jī)，半年時間止住了市場占有率持續(xù)下跌的頹勢。

4、設(shè)計成為塑造企業(yè)品牌的關(guān)鍵要素。品牌形成首先是產(chǎn)品個性化的結(jié)果，而設(shè)計是創(chuàng)造這種個性化的先決條件，一個產(chǎn)品如果沒有新穎的、個性化的、并為消費者所接受的設(shè)計就不可能成為長久不衰的國際品牌。

(三)工業(yè)設(shè)計對于提升產(chǎn)業(yè)競爭力的重要作用

工業(yè)設(shè)計作為國民經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)，對于提升產(chǎn)業(yè)競爭力具有支撐性作用。尤其體現(xiàn)在對于制造業(yè)的帶動能力，促進(jìn)新材料、新工藝的應(yīng)用與創(chuàng)新能力，提高改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的能力等方面。

從美國經(jīng)驗來看，美國趕超日本汽車產(chǎn)業(yè)主要通過設(shè)計創(chuàng)新和改進(jìn)。日本的汽車設(shè)計新穎，質(zhì)量不斷提高，對美國汽車行業(yè)造成強(qiáng)大的競爭壓力。日本汽車制造商從提出新車構(gòu)想到批量生產(chǎn)只需3年時間，而美國汽車制造商則需要花費4到6年時間。上世紀(jì)90年代以后，美國汽車制造商開始克服設(shè)計、制造與銷售之間的障礙，提高了與外部設(shè)計團(tuán)隊的合作，設(shè)計師、工程師、供應(yīng)商、制造商之間開始使用信息化手段密切合作，將設(shè)計周期縮短了一半，通過汽車的計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)的使用，使得汽車設(shè)計的整體質(zhì)量和效率得到提高。

從芬蘭經(jīng)驗來看，設(shè)計對于提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)競爭力的貢獻(xiàn)十分明顯。芬蘭80％的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)使用設(shè)計，出口企業(yè)全部都有自主設(shè)計的產(chǎn)品。主要包括：①紡織、服裝和皮革業(yè)；②家具業(yè)；③玻璃和制陶業(yè)。這些產(chǎn)業(yè)80％以上使用設(shè)計師，其中以紡織、服裝和皮革業(yè)使用的設(shè)計師數(shù)量最多。此外，金屬制造、機(jī)械制造、電子設(shè)備、計算機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)，以及電器零部件、橡膠和塑料制造、汽車制造、 健康、食品、建筑、木材等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，這些領(lǐng)域有50％的企業(yè)使用設(shè)計師，其中以金屬制造業(yè)使用設(shè)計師數(shù)量最多，其次是食品業(yè)。

二、我國工業(yè)設(shè)計的發(fā)展現(xiàn)狀與趁勢

本世紀(jì)以來，我國工業(yè)設(shè)計服務(wù)業(yè)進(jìn)入了加快發(fā)展階段。

(一)工業(yè)設(shè)計呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢

1、產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。北京工業(yè)設(shè)計業(yè)規(guī)模和技術(shù)服務(wù)水平均居國內(nèi)領(lǐng)先地位。2009年工業(yè)設(shè)計及相關(guān)業(yè)務(wù)收入達(dá)60億元，目前有200余家企業(yè)建立了自己的設(shè)計部門；有專業(yè)工業(yè)設(shè)計公司400余家，主要集中在IT、通訊設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。2009年，深圳工業(yè)設(shè)計產(chǎn)值近20億，工業(yè)設(shè)計企業(yè)3500家，占據(jù)全國60％。2009年無錫市擁有工業(yè)設(shè)計及相關(guān)企業(yè)近200家，實現(xiàn)營業(yè)收入超過50億元。廣州共有工業(yè)設(shè)計公司100家左右。

2、園區(qū)聚集效應(yīng)逐步顯現(xiàn)。工業(yè)設(shè)計園區(qū)日益成為產(chǎn)業(yè)聚集的重要載體。近年來，一些有條件的地區(qū)陸續(xù)建立了設(shè)計產(chǎn)業(yè)園。較有代表性的有：無錫(國家)工業(yè)設(shè)計園、深圳田面設(shè)計之都、上海市8號橋設(shè)計創(chuàng)意園、北京DRCT業(yè)設(shè)計創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)基地、順德國家工業(yè)設(shè)計示范基地等。這些園區(qū)在當(dāng)?shù)卣拇罅χС窒拢諊匈Y本、民營資本和外資共同投資興建，采取市場化運營方式，形成了明顯的聚集效應(yīng)。(見表1)

資料來源：中國工業(yè)設(shè)計協(xié)會。

3、人力資源隊伍迅速擴(kuò)大。據(jù)調(diào)查，我國設(shè)計從業(yè)者年齡結(jié)構(gòu)主要在20至30歲之間，所占比例達(dá)到93％。地域分布主要經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市。其中，華北、華東、華南地區(qū)分別為24％、22％和20％，西南和東北地區(qū)分別占8％，西北地區(qū)為4％。目前，北京、上海、浙江、江蘇、廣東等地區(qū)的設(shè)計從業(yè)人員迅速增長。2009年，北京從業(yè)人員超過2萬人；深圳超過5萬人；廣州從業(yè)人員約45000人，其中設(shè)計師約21000人；上海工業(yè)設(shè)計人員已近萬人，人才集聚優(yōu)勢明顯：無錫各類設(shè)計研發(fā)人員2000多人。2006年全國設(shè)有工業(yè)設(shè)計的院校其260多所，相當(dāng)于2000年的2倍，每年畢業(yè)生數(shù)萬人，為我國工業(yè)設(shè)計產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)和管理人才支撐。

(二)企業(yè)設(shè)計創(chuàng)新能力顯著提高

1、企業(yè)設(shè)計創(chuàng)新意識逐步增強(qiáng)。通過問卷調(diào)查了解，絕大多數(shù)企業(yè)認(rèn)為設(shè)計創(chuàng)新十分重要，主要表現(xiàn)在以下方面：①提升企業(yè)競爭力；②提升品牌價值；③擴(kuò)大企業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)模；④節(jié)能降耗；⑤降低成本；⑥提升品牌國際競爭力；⑦開拓國際市場；⑧提升高新企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力；⑨提高企業(yè)利潤；⑩提升和優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。企業(yè)使用外觀設(shè)計占全部工業(yè)設(shè)計比重通常在50％以上，使用實用新型專利通常在40％以下。

2、企業(yè)專利擁有量快速提高。據(jù)調(diào)查，我國大約70％的工業(yè)設(shè)計活動在制造企業(yè)內(nèi)部。2009年我國外觀設(shè)計專利、實用新型、發(fā)明三項專利授權(quán)量分別為249701件、203802件和128489件，分別相當(dāng)于2001年的5.73倍、3.75倍和7.88倍。其中，2009年的國內(nèi)外觀設(shè)計授權(quán)量占外觀設(shè)計專利權(quán)量總量的93.8％。(見圖1)

3、企業(yè)運用工業(yè)設(shè)計開拓國際市場、創(chuàng)建品牌的能力增強(qiáng)。海爾、聯(lián)想、TCL、一汽、吉利、奇瑞等―批制造企業(yè)通過設(shè)計創(chuàng)新使產(chǎn)品進(jìn)入了國際市場。海爾集團(tuán)2006年用于設(shè)計費用的投入達(dá)到8億元，在海外建立了8個設(shè)計分部。聯(lián)想集團(tuán)創(chuàng)新設(shè)計的“天禧”電腦創(chuàng)下37.5億元的產(chǎn)值，公司專業(yè)設(shè)計人員100多人，年設(shè)計費用投入達(dá)到5000萬元以上，分別在美國、日本建立了設(shè)計中心。廣東東菱集團(tuán)以生產(chǎn)出口小家電為主，通過設(shè)計創(chuàng)新銷售收入明顯提高，國際市場占有率明顯提高。2000至2005年，工業(yè)設(shè)計投入超過3000萬元，企業(yè)銷售額年均增長率超過55％，專利數(shù)量增長5倍。

(三)工業(yè)設(shè)計公司逐步壯大

1、設(shè)計業(yè)務(wù)領(lǐng)域不斷拓寬，產(chǎn)業(yè)鏈不斷攀升。我國工業(yè)設(shè)計公司多數(shù)是2000年以后成立的，主要分布在北京、上海、浙江、江蘇、廣東、山東等沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，服務(wù)領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋通訊產(chǎn)品、醫(yī)療機(jī)械、家電、交通工具、家具、玩具、服裝等各個行業(yè)。設(shè)計公司除主要從事產(chǎn)品設(shè)計外，還向視覺傳達(dá)設(shè)計、信息交互設(shè)計、會展設(shè)計、服飾設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、包裝設(shè)計、工程設(shè)計以及設(shè)計管理與咨詢等領(lǐng)域延伸。除主要從事外觀設(shè)計外，逐步向結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計、工藝設(shè)計等價值鏈高端環(huán)節(jié)拓展，部分公司產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)向上游的產(chǎn)品開發(fā)和下游的制造業(yè)領(lǐng)域(ODM)延伸拓展。

2、人才優(yōu)勢和體制優(yōu)勢明顯。工業(yè)設(shè)計服務(wù)業(yè)已經(jīng)成為解決大學(xué)生就業(yè)的主要渠道。目前，設(shè)計公司大學(xué)生人數(shù)一般占公司員工總數(shù)的70％以上。工業(yè)設(shè)計公司具有較強(qiáng)的體制活力。民營和股份制企業(yè)占90％以上。運營模式呈現(xiàn)出多樣化的特點。主要有：自由職業(yè)設(shè)計顧問公司、政府投資的設(shè)計公司、院校工作室等模式。

3、企業(yè)競爭力逐步增強(qiáng)。在手機(jī)、電子產(chǎn)品、汽車等設(shè)計領(lǐng)域逐步形成了具有行業(yè)影響力的設(shè)計公司。尤其是手機(jī)行業(yè)出現(xiàn)了龍旗、德信無線、中電賽龍、希姆通等具有國際影響力的設(shè)計公司，2006年，這四家公司的營業(yè)額分別為19.8億元、6.5億元、4億元、3.8億元。毅昌、嘉藍(lán)圖、浪尖、中信國華標(biāo)識、同濟(jì)同捷、指南、龍域、洛可可等一批設(shè)計公司已經(jīng)具備了較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，獲得了國際設(shè)計大獎，廣泛承接政府、國內(nèi)大型企業(yè)、跨國公司的設(shè)計業(yè)務(wù)。

(四)工業(yè)設(shè)計對外開放程度顯著提高

1、跨國公司在華設(shè)計機(jī)構(gòu)明顯增長。2000年之后，跨國公司設(shè)計機(jī)構(gòu)進(jìn)入我國速度明顯加快，索尼、三星、摩托羅拉、諾基亞、通用汽車、大眾汽車、現(xiàn)代汽車等大型跨國公司都在中國相繼建立設(shè)計研發(fā)中心。這些設(shè)計機(jī)構(gòu)涉及通信、計算機(jī)、家電、裝備制造、汽車、照明等產(chǎn)品領(lǐng)域。從成立動因來看，一方面是跨國公司為了不斷提高中國市場的占有率必須進(jìn)行本土化設(shè)計：另一方面是充分利用中國人力成本優(yōu)勢。從服務(wù)對象來看，主要為海外母公司開拓本土市場服務(wù)。

2、外資設(shè)計公司在華經(jīng)營逐步活躍。據(jù)調(diào)查，外資設(shè)計公司在中國設(shè)立子公司主要基于靠近當(dāng)?shù)厥袌觥⒐?jié)約成本和利用本地設(shè)計人才。外資設(shè)計公司在華經(jīng)營具有以下主要特點。一是以承接本土設(shè)計業(yè)務(wù)為主，尤其是國內(nèi)大型品牌企業(yè)成為其主要客戶。二是國際化程度高，承接海外業(yè)務(wù)主要來自美國、意大利、德國、韓國、印度、東歐、俄羅斯以及中國臺灣、中國香港等國家和地區(qū)。三是本土化程度提高。目前外資設(shè)計公司除少量高層管理人員由母公司委派外，本土化程度一般達(dá)到70％以上。

3、工業(yè)設(shè)計國際服務(wù)外包發(fā)展迅速。進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國已經(jīng)成為國際設(shè)計服務(wù)業(yè)轉(zhuǎn)移的主要目的地。2006年對外設(shè)計咨詢業(yè)營業(yè)額為3.3億美元，是2001年的5.2倍，2008年增長為近4億美元。承接國際設(shè)計外包業(yè)務(wù)已經(jīng)覆蓋電子信息、汽車、通訊設(shè)備、醫(yī)療器械、家電、玩具以及鐵路、城市軌道交通等領(lǐng)域。