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電子產品結構設計精品(七篇)

時間:2023-07-19 16:56:44

序論:寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感,挖掘那些隱藏在內心深處的真相,好投稿為您帶來了七篇電子產品結構設計范文,愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑,助力您的創作。

篇(1)

關鍵詞:模態仿真分析;航天電子產品;結構設計;ANSYS

中圖分類號:TB115

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)09-0307-03

1 航天電子產品力學特點

航天電子產品結構的功能是維持設備的外部構型,提供內部電路板組件、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,其中力學設計是結構設計中最重要的內容之一。

航天電子產品所承受的載荷根據其力學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措施減小其影響。動載荷則比較復雜,航天器在地面到發射、進入軌道和返回地面的各階段工作狀態下要經受各種環境條件,都屬于動載荷范疇,下表是航天器飛行過程中的動態激勵特性。

POGO:液體火箭發動機的液體輸送系統與火箭結構之間的液固耦合現象。

動載荷中的高頻部分容易衰減,低頻部分則不容易衰減,如果航天電子產品中的元器件或結構組件的固有頻率與上述動態激勵的頻率相同,則容易引起共振,發生事故,所以航天電子產品的結構設計過程中必須盡量提高整體的基頻。

模態分析的目的是確定航天電子產品結構的動態特性(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分析的基礎,為結構設計選型提供依據。

2 航天電子產品結構設計流程

航天結構設計的一般流程如圖1所示。其中一個數值分析驗證和試驗驗證兩個反饋環節,其中的力學分析就包含模態分析,但此時模態分析的目的是檢驗詳細設計后的結構是否滿足基頻的要求。一般從總體設計到詳細設計中間環節往往憑設計人員的工程經驗,如果到詳細設計完成后的力學分析中發現問題,則需要重新進行詳細設計,甚至可能需要對總體設計的進行更改。

同時,由于模態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構的固有頻率,需要的代價很小,且在結構詳細設計之前增加一項模態分析能有助于結構的選型,可以提前發現問題,有效的減少結構設計的反復,并能為詳細力學分析提供初始數據。結合實際工作提出如下結構設計的優化流程,具體如圖2所示:

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

3 模態分析理論基礎

有限元的基本思想是將彈性體離散成有限個單元,然后據各單元節點的位移協調和節點力平衡,其動力學基本方程:

由于一般結構阻尼對結構的固有頻率和振型影響極小,所以,求結構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:即結構上各節點位移為:

δ0為節點位移振幅向量(即振型),與時間t無關的位移幅值;

ω為與該振型對應的頻率。

將節點位移代入動力方程,化簡得廣義特征值問題:

上式稱為結構的特征方程。設計結構的自由度為n,則特征方程為ω的n次代數方程,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,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,各頻率對應的n個振幅值間所具有確定的相對比值,表示系統有一定的振動形態。由于篇幅所限其具體方法本文不再贅述。

4 模態分析應用實例

航天電子產品中電路板形狀的選擇是一個比較常見的任務,也是電路設計、結構設計和可靠性設計的基礎。下面將就某儀器的三種電路板方案進行分析,來說明模態分析在結構選型過程中的應用。

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節,在ANSYS有限元軟件平臺上,假設有效載荷和模塊結構質量均勻分布。本文結合實際,選擇三種面積基本相當的電路板形狀作為備選,具體情況如下:

方案A的電路板為正方形,其對應的箱體為薄的、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的箱體外形圖

方案B電路板選擇為長方形,其對應的箱體是薄的、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。

三種方案各有優缺點,在沒有其它設計約束的情況下,電路設計人員和結構設計人員要憑經驗選擇一種方案作為設計的輸入,本文試圖通過對三種電路板的模態分析試圖找出其中的優劣,進而做出選擇。

4.2 模態仿真分析

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行模擬。輸入實常數及材料常數,以Smartsizing網格密度的方式。電路板材料采用環氧酚醛層壓玻璃布板,電路板連接結構采用2A12硬鋁。

由于主要影響系統結構是最低幾階的固有頻率,本例中我們取前5階固有頻率進行計算,具體計算過程從簡,由于經過了適當簡化,普通配置的臺式機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的情況下,經過仿真計算,獲得了三種不同方案的電路板結構的固有頻率和振型,三種方案的基頻和振型結果分別見表2,三種方案的第一階振型和應力云圖分別見圖6、圖7和圖8。

4.3 模態分析結果

上述結果可以看到,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,且均未出現應力集中的情況均能符合要求。分析結果顯示出正方形電路板方案的固有頻率更高,對結構

設計更加有利。如果僅從模態分析考慮,電路板形狀應該

選擇方案A,且箱體選擇薄的、底面為正方形的結構,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中動態激勵中的低頻部分重疊較多,容易引起共振而破壞系統結構。且方案C的產生的應力比前兩個方案大,并且出現了應力集中的情況,薄弱環節出現在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力集中問題。

4.4 討論和說明

關于以上分析,還有以下幾點需要總結和說明:

(1)通過上文分析,可以得出,方案A最優,可以作為下一步結構設計的輸入,如果必須選C則應該另選其他的支撐形式,并且還要對連接處做進一步分析,處理好電路板上應力集中的問題;

(2)采用模態分析對航天電子產品結構選型有一定的指導意義,能從大量的方案種找出可能比較合理的方案,并為詳細設計后的力學分析提供了初步的分析依據;

(3)模態分析僅僅是航天電子結構動力學分析的一種,也是其他動力學分析的基礎,故模態分析數據良好并不能說明其他動力學分析可以忽略。反之如果模態分析出現問題,則必須認真分析結果,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,所以計算結果與實際可能有一定差別,但計算結果能對定性的分析構型的優劣提供可靠依據,對結構選型有一定的參考價值。且計算固有頻率和振型結果,沒有考慮阻尼等因素,還需進一步仿真分析修正和模擬空間環境模態分析試驗驗證。

5 結束語

航天電子產品結構設計過程中,使用有限元分析方法進行初步的模態分析可較方便的得到某一構型的基頻和振型,為判斷結構的優劣提供了依據,可以給電路設計和結構設計提供了初始的輸入,也為進一步動態仿真分析和模擬空間環境模態分析試驗驗證提供了依據,由此可以看出,在總體設計階段增加簡單的模態分析可以以很小的代價獲得最終產品的大致評價,對初始設計階段的選型有一定的指導意義,可以減少設計的盲目性,可以改進航天電子產品結構設計流程。

參考文獻

篇(2)

引言

電子產品整體包裝設計中,首先要考慮實際工作需要,進行設計需求分析。需求是電子產品整體包裝設計首要解決的問題,只有在明確需求的前提下,結合工作需要,然后合理設計系統結構。從而更好為各項工作水平,促進工作水平提升,讓電子產品為各項工作提供有效服務。

1電子產品整體包裝設計的需求

設計需求是電子產品整體包裝設計前首先要明白的內容,對后續設計和開發工作發揮指導作用,具體是指對電子產品在性能、行為、功能、設計等方面的期望。需求分析的目的是闡述設計的目的及意義,為電子產品設計和實現提供指導。計算機技術在設計中的應用,不僅推動管理現代化,還能提升管理水平。尤其是在電子產品整體包裝設計工作中,更需要開發相應的設計系統,順應這種趨勢,對相關數據進行有效處理,促進管理水平提高。同時在設計過程中,還要考慮系統的可擴展性以及與其他系統的兼容性,為系統升級和更新創造良好條件。電子產品整體包裝設計中應該進行綜合全面考慮,應用信息技術和互聯網技術,進行設備管理、系統管理、用戶管理等各項功能操作,為電子產品應用,學習相關知識創造條件。總的來說,電子產品整體包裝設計應該具備以下幾項功能:注意收集管理員的管理經驗,系統具備讓管理員與用戶互動的功能,采用科學管理模式促進系統管理效率提高,系統涵蓋電子產品的大部分管理工作。在具備這些功能的前提下,合理進行電子產品設計,促進管理工作水平提高,為電子產品整體包裝設計水平提升創造便利。

2電子產品整體包裝設計的原則

為提高用戶綜合素質,培養用戶動手操作能力和實踐技能,更好適應工作崗位需要,重視電子產品整體包裝設計是十分必要的,能為這些目標順利實現提供保障。包裝設計能服務各項工作,以方便管理,實現資源共享,利用數據庫技術、信息技術、現代管理理念、網絡等,構建有效的系統,滿足電子產品整體包裝設計需要,更好服務于管理和學習的各項工作。電子產品整體包裝設計的原則包括以下幾項。2.1包裝成本最低原則。為節約成本,降低使用的費用,整體包裝應該采用系統工程思想,避免浪費現象發生,滿足電子產品需要,提高整體包裝設計水平。要注重對設計進行價值分析,有效滿足客戶需要。包裝綜合成本包括包裝生產、使用、流通成本。應該加強設計工作,重視每個環節的管理,努力節約成本,防止資金出現超支現象。2.2包裝材料節約環保原則。選用綠色、節能、無毒、無污染的材料,通過選用節能環保型材料,不僅能滿足整體包裝設計需要,還可以實現包裝材料的無毒化,便利人們使用,有利于人們的身心健康。要避免出現過度包裝現象,節約資源,降低不必要的損失,并保護周圍環境。還要減輕包裝制品的重量,方便裝卸和運輸,節約流通成本,避免資金出現浪費現象。2.3包裝可重復利用原則。注重材料和制品的重復和循環利用,降低材料費用,節約設計成本。在整體包裝材料性質的選擇和利用上,必須采用可重復和可再生利用的材料,落實綠色節約理念。如果材料難以循環利用,那么也要選用可降解材料。這樣在產品使用之后,能夠對其進行降解和處理,避免污染周圍環境。

3電子產品整體包裝設計的策略

在落實設計原則,有效指導產品設計的前提下,還要注重相關策略應用,促進電子產品整體包裝設計水平提高,使其更好發揮作用。3.1包裝材料選擇。常用材料為聚苯乙烯發泡塑料、聚氨酯發泡塑料、瓦楞紙板、蜂窩紙板等。綜合考慮材料的性能、價值、產品重量大小等,結合電子產品使用環境,合理選用材料。3.2包裝結構設計。先分析和測試產品的易損傷部位,對關鍵部位緩沖防護。考慮產品結構特性、尺寸大小、重心位置、外部形狀、產品外殼材料等,確定電子產品的緩沖和關鍵部位。包裝結構常用局部緩沖法,結構形式有天地蓋、左右套、四棱結構、八角襯墊等。根據電子產品性能合理選用,實現對產品的保護。3.3包裝測試。包括振動試驗和跌落試驗,嚴格按要求試驗和檢測,確保電子產品性能良好。將電子產品固定在振動架,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,或跌路在試驗機上,確保跌落在水泥地或鋼板臺面。開箱檢驗電子產品,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,實現產品包裝和物流尺寸的標準化和集成化,方便產品包裝和運輸,還有利于確保電子產品安全,促進其性能有效發揮。科學設計物流路線,節約運輸成本,提高產品整體包裝性能,確保產品供應及時到位,還有利于節約產品存儲費用。合理選擇存儲和運輸設備,實現對電子產品的保護,加強防護工作,避免在運輸過程中電子產品結構受損。3.5包裝回收再利用。設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,促進產品作用的充分發揮。要合理設計產品,減少包裝材料,節約成本,防止出現環境污染現象,進而實現對周圍環境的有效保護。

結束語

篇(3)

外觀設計是電子產品設計的重要方面,也是電子產品是否能受到公眾認可的直接感受。通過大眾心理調研,結合電子產品功能需求,制定電子產品外觀的原則與方法,是保障電子產品科學性、創新性以及現實性的前提。目前,電子產品外觀設計軟件及新的方法途徑層出不窮,除了相關的電子產品專用設計軟件外,具有豐富圖像圖形處理功能的軟件,在電子產品設計中發揮著愈來愈大的作用,MATLAB、AUTOCAD、3DMAX以及一些地理信息系統軟件也在電子產品設計的多維呈現及空間表達方面,發揮著積極作用。無論電子產品如何設計,除了需要考慮3D空間造型藝術等因素外,還必須考慮產品的外觀與功能友好結合的特征。具體而言,電子產品外觀的整體與協調性,外觀與環境的適應性以及外觀與安全性等,均是創意及設計過程需要充分考慮的。符合時代特征的產品,才會受到用戶的喜愛。電子產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,結合當今電子產業的現狀,提出對未來電子材料及市場發展趨勢的探索與展望,無疑具有重要的前瞻性與現實的必要性。

1.電子產品外觀設計的主要特點

目前,電子產業的發展已經進入了一個新的發展階段,基于各類電子產品設計的新穎創意層出不窮。特別是隨著人們對電子產品功能要求的日益提升以及大眾審美觀念的不斷增強,人們對產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品外觀、材質、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品的內在特征之一。在電子產品外觀設計中,令人喜愛的外觀一定對于產品營銷推廣是非常有益的,隨著綠色、環保、低碳理念的不斷普及,基于仿生學原理的外觀設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,在電子設計產品外觀時,其外型的尺寸、色彩、指示視覺系統要給人們明確易懂的操作感受,滿足人們在選擇電子產品時更多的對外形的大小,色彩的冷暖明暗度,以及人體工程學的要求,突出電子產品與人的親合力。隨著社會的進步,特別是低碳環保以及綠色經濟理念的逐漸深入人心,人們的消費理念與審美情趣發生了變化,現代電子產品的外觀設計也是愈加趨向個性化與綠色化。縱觀以前的產品,主要是以實現其基本功能為目的,而忽略了外觀對用戶購買所產生的影響,提供給用戶選擇的款式較少,單調而顯得古板。現在除了基本功能配置選擇外,還有多種性格傾向選擇,結合了色彩學和心理學在外觀方向對用戶的購買傾向進行了拓寬,使有更多的選擇空間,而豐富的外觀造型變化能適應不同職業、不同人群的審美喜好。電子產品外觀設計需要展現的主要內涵是人體工學的因素和產品的美學含義。電子產品在一定程度上是滿足大眾不同需求的現代信息技術產品,作為產品外觀造型設計則必須滿足用戶的使用需求。電子產品外觀設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。通信技術和數字技術的發展日新月異,人們的需要也愈加難以琢磨和難以滿足,對電子產品的外觀設計提出了更高的要求。設計及生產具有時尚化、個性化、人性化和娛樂化的電子產品,在豐富娛樂生活的同時其功能和外觀上能達到平衡和統一,是人們所追求的重要目標。同時,電子產品設計者與使用者是互動的,兩者之間不可分割。電子產品設計者對使用者起著理念傳播及引導的作用,而電子產品使用者的藝術修養及審美情趣,又在一定程度上能夠激發設計者向更高更新更時尚的方向發展,并在一定程度上促進設計的內容與形式在藝術層面上得到完美的統一。也就是說,在這種背景下設計會越來越有文化品位,也會越來越人性化。

1.1外觀形態與功能的一致性及協調性的統一

電子產品的設計在一定程度上而言是一門藝術。浮華的外觀設計并不能帶來好的用戶體驗,反而會起到反效果,理想的電子產品的外觀設計要給使用者帶來愉悅的身心體驗。電子產品的外觀設計是為了能讓用戶體驗變得更美好的初衷,應當建立在使用戶身心愉悅的基礎上。電子產品和人們的日常生活密切相關,因此,要實現科學合理的外觀設計,就需要在創造令人舒適的產品外觀方面不斷地努力與探索,力求為人們創造更為舒適與更為美好的工作與生活的人性化設計,并協調好產品外觀的新穎性與技術性以及電子產品功能的關系,追求外觀特征與功能協調統一的目標。總之,電子產品外觀設計還應當適應現代社會多元化的客觀需要。

1.2產品外觀人性化與藝術性的統一

現如今人們對于產品功能和性能提出了更高層次的要求。為了順應和滿足用戶需求,將人性化的設計應用到了電子產品開發中。人性化重要表現特征是個性化,電子產品研發與設計人員應針對不同的使用人群、不同的使用環境以及電子產品的定位,進行多要素的精細化分類,不斷創新出方便用戶的電子產品。電子產品外觀設計應在一定程度上彰顯人性化與藝術性完美結合與和諧統一。電子產品形態自由度空前廣闊,電子市場競爭也推動了電子產品外觀的創新程度,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品功能的聯想,或是方便使用者的使用,或是引發使用者的親切感,由于每個使用者都是特殊的個體,人性化與藝術化的最終體現應包含對個體需求的滿足。

1.3產品實用性與先進性的統一

實用性作為外觀設計的首要原則,反映設計師對產品外觀設計的把握程度,首先要滿足方便、高效、安全的要求,實現其功能是電子產品外觀設計的主導思想,決定著電子產品實用性與先進性的方向。同時,還必須符合廣大使用者健康的審美觀和習俗愛好,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。不能使電子產品成為華而不實的形式主義產物,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計,與電子產品設計的初衷背道而馳,而華而不實的設計除了會增大產品的生產成本外,同時還會給市場營銷造成負面效應。因此,電子產品在追求當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品的現實用途。

1.4產品時尚性與時代感的統一

產品外觀的創新最主要是立足時尚信息的同時并符合當代社會審美的需求,創造富有時代氣息的產品,除了為生產者贏得更多的市場外,還能夠帶動電子產品領域的創新性變革。電子產品設計的外觀新穎、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計。目前,市場競爭的日益激烈,產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市場的需求與發展。企業需要加快產品外觀設計創新的速度,使產品體現時尚性與時代感的完美統一,才可能滿足和帶動使用者不斷變化的需求。電子產品風格是一個國家物質文明和精神文明的共同體現,是社會化生產與社會進步的有機結合,也是歷史文化與人文地理特征的重要體現。創新出有著本國審美取向和文化特點的電子產品以及加強產品創新和追求風格體驗是未來電子產品發展的方向。

2.電子產品外觀美學設計的一般思路與方法

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

3.主要結論

3.1合理科學的外形設計是電子產品使用的客觀要求

現代電子產品類型多樣,為了迎合用戶對新穎外觀追求的需要,現在的電子市場不乏出現了很多匪夷所思的外觀產品。把握電子產品設計的原則,不能憑空臆造,同時產品的外觀要有內涵,其外型的尺寸、色彩、指示視覺系統要讓人明確易懂。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的要求,突出與人的親合力。

3.2美學原理與功能協調原理是電子產品設計的重要基礎

在電子產品設計中,產品外觀設計的美學特征與功能是協調統一的,電子產品結構造型及外觀比例、色彩設置等諸多要素的有機結合,體現了電子產品的內涵特征,它們貫穿于電子外觀設計的整體過程中。

3.3材料科學的發展有利于設計低碳節能及綠色環保產品

篇(4)

關鍵詞: 復雜電子產品; 三維裝配工藝技術; MBD; 可視化

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

裝配是制造業的主要活動,形成產品生命周期的重要環節[1],在電子行業結構復雜的產品,裝配工時和費用大概占用總費用的40%~60%,三維CAD/CAM軟件因其本身強大的功能,成為企業應用的主流趨勢。三維數字化設計和工藝可實現全機規模的三維數字設計、預裝配合動靜態數字協調,計算機輔助設計和制造并行,縮短了研制周期,提高了設計質量[2],然而數字化裝配工藝技術相對于三維零件設計和加工的發展明顯滯后,成為企業提高生產效益和產品質量的瓶頸[3],因此數字化裝配工藝技術的發展成為亟待解決的關鍵問題。

1 需求現狀

雷達等復雜電子產品三維裝配工藝設計主要實現2個方面的目標:

(1) 對產品總體裝配工藝設計進行有效驗證;

(2) 利用可視化的作業指導書,有效地指導生產現場總裝[4]。

目前在復雜電子產品制造業普遍存在以下問題:

(1) 工藝與設計缺少協同。工藝和設計不在同一平臺,沒有同一個數據源,設計EBOM無法自動集成,數據需要轉化,工藝只能被動等待,無法盡早進入到產品設計階段和避免出現設計模型工藝性差的問題。

(2) 裝配工藝設計仍然采用傳統的二維方式表達,上游設計產生的三維數字模型沒有得到充分利用。就目前裝配工藝設計本身來說,大多數企業還是依靠傳統的二維裝配圖紙和裝配工藝規程卡片進行工藝設計,首先由工藝設計人員設計圖紙及經驗想象出三維裝配空間、設計裝配順序,并用二維工藝過程卡片表達出來。然后由裝配工人照工藝設計人員設計的二維數據理解裝配順序及要求,在大腦中再次構建出三維裝配過程,因此,整個產品裝配的環節與工藝設計人員和裝配工人的技術水平和工作經驗關系過于密切,不能充分利用和繼承設計產生的三維CAD數據,難以保證工藝設計的規范性、標準化和最優化[5]。

(3) 裝配進度不易控制,裝配周期不易保證。由于目前的工藝設計環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試制階段才暴露出來。從而使裝配周期不易保證,嚴重影響了復雜電子產品研制的進度和質量。

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

2 系統體系結構

三維裝配工藝設計流程分為產品設計、裝配工藝設計和制造3個階段。在產品設計階段,首先由設計人員和工藝人員建立零部件和工裝模具的三維數字化模型,并對模型數據進行轉化,獲得三維裝配工藝仿真、規劃與管理系統中所需的輕量化數據模型。在裝配工藝設計階段,工藝設計人員根據產品裝配模型提供的信息,進行裝配序列規劃,得到產品的最佳裝配順序,在三維環境下進行工藝規劃和仿真,選取合適的工裝工具和裝配方法,最終輸出優化的裝配工藝方案, 所形成的三維裝配工藝通過PLM系統進行審簽。在制造階段,利用可視化工具和網絡環境將裝配仿真驗證文件、三維工作指令和工藝設計文件等工藝信息導入到企業ERP系統,車間裝配人員可以一邊觀看產品的裝配過程仿真畫面,一邊進行實際裝配。從而提高裝配效率和準確性,其系統結構如圖1所示。

3 系統關鍵技術

實現三維裝配工藝需要以下關鍵技術上取得突破。

3.1 基于MBD的數字化定義技術

MBD將設計、制造、檢驗、管理信息融入一體,目前被航空行業普遍認同為解決數字化設計制造的關鍵技術之一[7]。MBD 技術改變了以往同時依據二維工程圖紙和三維實體模型來設計產品裝配工藝和零件加工工藝的做法[8]。在MBD的技術體系中,MBD數據集的內容包含設計工藝、制造、檢驗等各部門的信息[9],以三維數模完全替代二維工程圖紙,成為數字化制造過程中的唯一依據。工藝人員在MBD 的工藝設計規范的指導下,讀取來自上游結構設計信息,并將輕量化、完整化,這是進行三維裝配工藝設計和進行產品裝配仿真的前提,直接依據三維實體模型開展三維工藝設計給整個產品中的工藝設計工作帶來一次全新的變革。

3.2 人機交互環境下三維工藝規劃及仿真技術

裝配規劃和仿真技術是裝配過程的重要環節,裝配順序和裝配方案直接關系產品的可裝配行、裝配質量和裝配成本[10]。依據數字化裝配工藝流程,建立三維數字化裝配工藝模型,通過裝配現場可視化技術建立與產品裝配相似的數字化虛擬裝配環境,在工藝工作開展的同時及產品實物裝配之前,按照確定的裝配工藝流程進行數字化模擬仿真,在裝配時進行零件與兩件、零件與工裝的干涉檢查;通過對產品裝配拆卸過程的仿真,驗證裝配順序設計的合理性;模擬操作者的操作過程以便發現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裝配位置等問題,并將這些仿真結果通過仿真報告提交產品設計、工裝設計等進行優化。

3.3 三維裝配工藝可視化技術

三維裝配工藝可視化技術是把產品設計信息、制造資源信息和工藝設計信息整合起來以數字化的形式傳遞到車間現場,并展示出來的方法。操作者能夠采用該技術讀取三維工藝信息、工裝工具信息、三維仿真動畫、裝配產品結構等信息,最終形成三維數字化工藝展示,使工人能夠準確、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量問題。

4 結 語

隨著電子行業的發展,產品的裝配復雜性日趨大型化、復雜化,數字化裝配成為趨勢。同時,無紙化與制造已經成為制造業發展的主流趨勢,三維裝配工藝設計的實施實現了復雜電子產品三維裝配工藝規劃、裝配過程的三維仿真和裝配過程的可視化,減少了現場設計更改率和裝配返工率,縮短了裝配周期,提高了裝配質量和裝配效率。為企業提升核心競爭力奠定堅實的基礎。

參考文獻

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篇(5)

關鍵詞: 疊層結構; 熱應力; 流體動力學; 有限元; Abaqus

中圖分類號: TB115.1文獻標志碼: B

引言

隨著工業技術的發展,電子產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.為保證電子產品工作的可靠性,如何散熱成為重要的問題.從電子產品結構分析來看,需要做2個方面的工作,其一是了解在極限工作溫度狀態下結構所產生的熱應力分布;其二是采用風扇強制散熱時,疊層結構的空氣流動情況.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材料.[2]作為通用的模擬工具,Abaqus除能解決大量結構(如應力位移)問題,還可以模擬其他工程領域的許多問題,例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學(流體滲透應力耦合)分析及壓電介質分析等.[3]采用有限元軟件Abaqus的Standard模塊,針對疊層器件結構,建立熱應力有限元模型;采用Abaqus的CFD模塊,建立流體動力學有限元模型;最后根據上述2個模型的計算結果,分析產品熱應力和空氣的流動情況,為結構設計提供依據.

1疊層結構的熱應力有限元分析

某型疊層器件結構由4層板和3層芯片構成.設計首先要求考慮,當器件溫度達到200 ℃時,該疊層器件的熱應力分布.[4]疊層器件的材料參數為:芯片材料的彈性模量為131 GPa,泊松比為0.3,熱膨脹系數為2.8×10-6 ℃-1;板材料為FR4,彈性模量為224 GPa,泊松比為0.28,熱膨脹系數為1.8×10-5 ℃-1.為詳細考察結構的熱應力分布情況,建立三維有限元模型,采用8節點六面體三維實體單元C3D8R.

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

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

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

圖 11/4疊層結構的等效應力云圖

圖 2兩層材料邊界的等效應力曲線

根據上述有限元計算分析可知,采用Abaqus的Standard模塊,可以對疊層器件結構進行有效的有限元熱應力計算分析.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”搭接出整體結構的建模手段,比通常建模采用直接建立一個“Part”的方法,更便于把整體結構分割成易于劃分網格的簡單幾何體,也更容易得到質量較高的8節點六面體單元.

2疊層器件流場的有限元分析

為了解疊層器件通過風扇吹風散熱的情況,進行流體動力學分析.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的流體力學問題,所以使用該有限元模塊對疊層器件結構進行空氣的流場分析.

首先建立疊層4層板的三維有限元流體動力學模型,假設風扇在結構的一側吹風.為了解在空氣流動情況下,結構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流進,另一側流出.根據實際電子結構,選取疊層器件以及周圍空間建立流體動力學三維有限元模型.為節省計算資源,仍然利用疊層器件的對稱性,建立三維流體動力學對稱模型.為獲得質量較高的8節點六面體單元形狀,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”中的有關命令結合“切割”命令,獲得具有高質量六面體單元形狀的流體動力學有限元模型.

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

疊層4層結構空氣流場分布見圖3.從有限元計算結果可知,在模擬風扇吹風散熱過程中,疊層結構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層結構空氣流場分布

為更細致地觀察疊層結構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模型,計算結果見圖4和5,可知,在風扇直接吹到的表面,風壓和風速較大;但在風扇吹不到的部位風速較小,說明散熱較差.如果采用強制通風散熱技術時,要采用多個風扇從不同方向吹風散熱的方法,才能達到較好的效果.

圖 4兩層板之間的空氣流速云圖

圖 5兩層板之間風扇吹風產生的壓力云圖

通過Abaqus/CFD對疊層器件的流體動力學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,需要詳細考慮如何把疊層器件的流體動力學幾何模型進行分解,但對分解好的簡單幾何模型進行建模、組裝和搭接,以及進一步網格劃分就非常簡便.

由于疊層器件結構比較復雜,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所采用的有限差分等方法的流體力學求解器,Abaqus/CFD求解器具有很強的求解功能,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,就應該考慮如何還原成為具有三維特性的Abaqus/CFD的流體力學模型.

3結束語

通過使用Abaqus/Standard和Abaqus/CFD對疊層器件熱應力和流體動力學有限元分析可知,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構熱應力分布情況.通過分析結果知道,最大熱應力在芯片和板兩種材料相結合的邊界部位.利用FC3D8單元建立的疊層器件流體動力學的有限元計算可知,在使用風扇通風時,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構的工作情況,該軟件可為疊層器件的結構設計和散熱提供有效的分析工具.

參考文獻:

[1]莊茁, 張帆, 岑松, 等. Abaqus 非線性有限元分析與實例[M]. 北京: 科學出版社,2005: 207237.

[2]石亦平, 周玉蓉. Abaqus有限元分析實例詳解[C]. 北京: 機械工業出版社, 2006: 963.

篇(6)

【關鍵詞】熱循環注塑模具;關鍵技術;科學

前言

近年來,為滿足人們對注塑產品的要求,快速熱循環注塑成型技術應運而生。該技術是一種表面無缺陷!高光澤度的塑料成型技術。利用該技術,可獲得表面無熔接痕、無流痕、無表面浮纖等缺陷的外觀優越的塑料制品,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,又可節省或省去昂貴的二次加工費用,降低生產成本,實現塑料產品的綠色化生產。因此,該技術市場競爭力強,應用前景十分廣闊。

一、快速熱循環注塑成型的工藝原理

快速熱循環注塑(RHCM)作為一種新的注塑成型技術,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溫控裝置,并對模具溫度實行閉環控制的注塑成型技術。

快速熱循環注塑的工藝過程同傳統常規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各工藝階段的特點來調整模具溫度。其工藝原理是: 在一個注塑成型周期中,快速熱循環注塑工藝的模具溫度將在一個比較大的溫度區間內波動變化。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,要通過利用動態溫度控制系統實現這一目標。接著,為了保證塑料熔體良好的充模狀態,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、快速熱循環注塑技術的主要特點

快速熱循環注塑技術是目前國際上最前沿的注塑成型技術,同傳統的注塑技術相比,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溫控裝置。其主要特點和優勢表現在以下幾個方面:

(一)高效率

在快速熱循環注塑成型過程中,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備,可以在很短的時間內完成對模具的加熱和冷卻,減少注塑時間。因此,快速熱循環注塑成型可以大大縮短注塑成型的周期,從而降低生產成本,提高產品的成型效率。快速熱循環注塑可以使厚壁成型注塑周期可降低60%以上。

(二)高質量

快速熱循環注塑技術采用快速加熱和快速冷卻注塑模具及動態溫控裝置,可以提高注塑產品的質量,改善產品性能。首先,快速熱循環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產品表面的光潔度,使塑件表面光潔度可達到鏡面效果,改善塑件的表面質量,從而獲得均質性更優的注塑產品;其次,可以改善或徹底消除塑件表面縮水現象,尤其是復雜微型零件應用空間大。

三、快速熱循環注塑工藝關鍵技術

(一)注塑模優化設計技術

注塑成型制品的質量主要取決于材料性能!制品結構!模具設計和加工以及成型工藝。傳統的提高制品質量的方法主要是用嘗試法通過不斷試模來調整工藝參數和改進模具設計,效率低下。隨著計算機模擬技術的進步和智能算法及數據統計等優化設計理論的發展,將注塑成型模擬技術、模具設計方法和優化設計理論有機結合,實現成型過程和模具結構的優化是當前研究的熱點問題之一。

(二)快速熱循環產品結構關鍵部位設計

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

(三)快速熱循環模具關鍵部位設計研究

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,欲保證產品的生產效率,勢必對模具結構提出更高的要求”根據RHCM工藝及其塑件的結構特點,研究適合于Rl>CM注塑的模具結構,包括澆注系統、變溫系統和其它影響成型質量的關鍵部件設計方法,既可保證塑件的成型質量又可提高生產效率。

(四)快速熱循環注塑產品質量控制研究

目前,快速熱循環注塑工藝主要應用于生產高光、無熔痕等表面質量要求較高的塑料制品,如液晶電視機前殼、數碼電子產品外殼!汽車內飾等薄殼類產品。雖然快速熱循環注塑技術可以提高產品的表觀質量和強度,但是實際生產中發現該技術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。隨著對注塑件品質要求的不斷提高,制品的翹曲!縮痕等缺陷同樣備受關注,尤其是薄壁類塑件尺寸的穩定性已成為衡量塑件品質的一項重要指標”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,會影響產品的應用范圍和穩定性,長時間的翹曲還會導致塑件變形與表面微裂紋,因此在注射成型中應盡量減小此類缺陷。

(五)快速熱循環注塑生產線構建關鍵技術研究

RHCM注塑的工藝過程與常規注塑基本一致,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;而在冷卻階段,需要向模具內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生產線的建立需綜合考慮模具溫度的動態變化過程和生產中實施的成本及難易程度。

四、結論

快速熱循環注塑模具極大的改變了現代社會的生活與生產過程,對于我們的社會有著極為重要的價值與意義,是現代科學技術發展的重要產物。因此,我們應該對該技術予以充分的研究,促進其更好的發展。

參考文獻

篇(7)

一、工業設計對于促進經濟發展方式轉變的重要作用

(一)工業設計對于促進以人為本、和諧發展的重要作用

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

2、工業設計創造新的消費模式。一項新技術的發明往往引發設計創新與革命,而設計革命創造了嶄新的市場需求,由此為人們改變傳統的生活方式,建立新的消費模式創造條件。20世紀60到70年代,美國人快速接受了日本消費電子產品和汽車,從此改變了審美情趣和生活品質。60年代早期,美國消費者的家用娛樂產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、現代化。因此,索尼隨身聽的設計創新改變了美國消費者的需求偏好。

3、工業設計促進資源節約與生態環境和諧。從1962年到1967年的5年間,日本汽車數量從500萬輛迅速增長到1000萬輛。由此而引發了大量的交通事故、空氣污染、石油危機等問題。這一時期,汽車設計師開始考慮提高汽車安全性能、環保性能、節約能源等問題,引進安全保險杠、汽車安全帶、改善節能系統、引入電子技術等,使汽車設計達到高效節能的標準。進入20世紀90年代以來,綠色設計的概念已經成為全球現代設計發展的主要趨勢,綠色設計要求設計師在設計過程中的每一個決策中都充分考慮到提高環境效益和發展質量。其核心理念是“3R”(Reduce、Recycle、Reuse),即減少物質能源消耗、減少有害物質的排放,產品與零部件能夠回收并再生循環和重新利用。在綠色設計理念的指導下,注重節能環保成為評價設計好壞的重要標準。

(二)工業設計對于提高企業競爭力的重要作用

工業設計在實現產品差異化、提高產品附加值、塑造國際名牌、提高市場占有率、創造明星企業等方面都具有顯著作用。

1、工業設計是推動企業自主創新的關鍵環節。從創新形式來看,設計創新是十分典型的集成創新。設計師綜合運用各種技術成果,通過設計創新和改進實現新產品開發。例如,手機由最初單一的接聽電話功能發展到具有發短信、聽收音機、拍照、上網、GPS定位系統等多種功能,就是運用設計進行集成創新的結果。從創新風險來看,原始創新投資大,周期長,風險大,需要具有雄厚的資金,適用于實力較強的大企業。而設計創新投資少、風險小、可以省去新技術開發階段所付出的巨額資金和高昂人力資本投入,往往成為中小企業技術創新的重要途徑。從創新環節來看,設計貫穿從產品的概念到生產、流通的整個過程,促進了技術創新和新材料應用。

2、工業設計是提高企業贏利能力的重要因素。工業設計通過提高產品附加值提高了企業效益。美國、英國、日本、芬蘭等國家的調查和研究都證明了設計對提高企業銷售收入、新產品開發能力,創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,設計的作用占51%。英國工業設計委員會曾針對英國上市公司進行調查,調查對象是過去十年中設計的有效使用者及其股價活動,發現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)指數的200%。據英國國家設計委員會調查,英國50%以上的企業使用設計后,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%使用設計開發新產品。韓國企業使用設計的占60%以上,許多企業設計費用占銷售收入的6%。

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

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

(三)工業設計對于提升產業競爭力的重要作用

工業設計作為國民經濟的先導型產業,對于提升產業競爭力具有支撐性作用。尤其體現在對于制造業的帶動能力,促進新材料、新工藝的應用與創新能力,提高改造傳統產業的能力等方面。

從美國經驗來看,美國趕超日本汽車產業主要通過設計創新和改進。日本的汽車設計新穎,質量不斷提高,對美國汽車行業造成強大的競爭壓力。日本汽車制造商從提出新車構想到批量生產只需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90年代以后,美國汽車制造商開始克服設計、制造與銷售之間的障礙,提高了與外部設計團隊的合作,設計師、工程師、供應商、制造商之間開始使用信息化手段密切合作,將設計周期縮短了一半,通過汽車的計算機輔助設計(CAD)的使用,使得汽車設計的整體質量和效率得到提高。

從芬蘭經驗來看,設計對于提升傳統產業競爭力的貢獻十分明顯。芬蘭80%的傳統產業使用設計,出口企業全部都有自主設計的產品。主要包括:①紡織、服裝和皮革業;②家具業;③玻璃和制陶業。這些產業80%以上使用設計師,其中以紡織、服裝和皮革業使用的設計師數量最多。此外,金屬制造、機械制造、電子設備、計算機相關產業,以及電器零部件、橡膠和塑料制造、汽車制造、 健康、食品、建筑、木材等傳統產業,這些領域有50%的企業使用設計師,其中以金屬制造業使用設計師數量最多,其次是食品業。

二、我國工業設計的發展現狀與趁勢

本世紀以來,我國工業設計服務業進入了加快發展階段。

(一)工業設計呈現快速發展態勢

1、產業規模持續擴大。北京工業設計業規模和技術服務水平均居國內領先地位。2009年工業設計及相關業務收入達60億元,目前有200余家企業建立了自己的設計部門;有專業工業設計公司400余家,主要集中在IT、通訊設備、航空航天等領域。2009年,深圳工業設計產值近20億,工業設計企業3500家,占據全國60%。2009年無錫市擁有工業設計及相關企業近200家,實現營業收入超過50億元。廣州共有工業設計公司100家左右。

2、園區聚集效應逐步顯現。工業設計園區日益成為產業聚集的重要載體。近年來,一些有條件的地區陸續建立了設計產業園。較有代表性的有:無錫(國家)工業設計園、深圳田面設計之都、上海市8號橋設計創意園、北京DRCT業設計創意產業基地、順德國家工業設計示范基地等。這些園區在當地政府的大力支持下,吸收國有資本、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。(見表1)

資料來源:中國工業設計協會。

3、人力資源隊伍迅速擴大。據調查,我國設計從業者年齡結構主要在20至30歲之間,所占比例達到93%。地域分布主要經濟發達城市。其中,華北、華東、華南地區分別為24%、22%和20%,西南和東北地區分別占8%,西北地區為4%。目前,北京、上海、浙江、江蘇、廣東等地區的設計從業人員迅速增長。2009年,北京從業人員超過2萬人;深圳超過5萬人;廣州從業人員約45000人,其中設計師約21000人;上海工業設計人員已近萬人,人才集聚優勢明顯:無錫各類設計研發人員2000多人。2006年全國設有工業設計的院校其260多所,相當于2000年的2倍,每年畢業生數萬人,為我國工業設計產業發展提供了技術和管理人才支撐。

(二)企業設計創新能力顯著提高

1、企業設計創新意識逐步增強。通過問卷調查了解,絕大多數企業認為設計創新十分重要,主要表現在以下方面:①提升企業競爭力;②提升品牌價值;③擴大企業業務規模;④節能降耗;⑤降低成本;⑥提升品牌國際競爭力;⑦開拓國際市場;⑧提升高新企業技術創新能力;⑨提高企業利潤;⑩提升和優化產業結構。企業使用外觀設計占全部工業設計比重通常在50%以上,使用實用新型專利通常在40%以下。

2、企業專利擁有量快速提高。據調查,我國大約70%的工業設計活動在制造企業內部。2009年我國外觀設計專利、實用新型、發明三項專利授權量分別為249701件、203802件和128489件,分別相當于2001年的5.73倍、3.75倍和7.88倍。其中,2009年的國內外觀設計授權量占外觀設計專利權量總量的93.8%。(見圖1)

3、企業運用工業設計開拓國際市場、創建品牌的能力增強。海爾、聯想、TCL、一汽、吉利、奇瑞等―批制造企業通過設計創新使產品進入了國際市場。海爾集團2006年用于設計費用的投入達到8億元,在海外建立了8個設計分部。聯想集團創新設計的“天禧”電腦創下37.5億元的產值,公司專業設計人員100多人,年設計費用投入達到5000萬元以上,分別在美國、日本建立了設計中心。廣東東菱集團以生產出口小家電為主,通過設計創新銷售收入明顯提高,國際市場占有率明顯提高。2000至2005年,工業設計投入超過3000萬元,企業銷售額年均增長率超過55%,專利數量增長5倍。

(三)工業設計公司逐步壯大

1、設計業務領域不斷拓寬,產業鏈不斷攀升。我國工業設計公司多數是2000年以后成立的,主要分布在北京、上海、浙江、江蘇、廣東、山東等沿海發達地區,服務領域已經覆蓋通訊產品、醫療機械、家電、交通工具、家具、玩具、服裝等各個行業。設計公司除主要從事產品設計外,還向視覺傳達設計、信息交互設計、會展設計、服飾設計、環境設計、包裝設計、工程設計以及設計管理與咨詢等領域延伸。除主要從事外觀設計外,逐步向結構設計、功能設計、工藝設計等價值鏈高端環節拓展,部分公司產業鏈已經向上游的產品開發和下游的制造業領域(ODM)延伸拓展。

2、人才優勢和體制優勢明顯。工業設計服務業已經成為解決大學生就業的主要渠道。目前,設計公司大學生人數一般占公司員工總數的70%以上。工業設計公司具有較強的體制活力。民營和股份制企業占90%以上。運營模式呈現出多樣化的特點。主要有:自由職業設計顧問公司、政府投資的設計公司、院校工作室等模式。

3、企業競爭力逐步增強。在手機、電子產品、汽車等設計領域逐步形成了具有行業影響力的設計公司。尤其是手機行業出現了龍旗、德信無線、中電賽龍、希姆通等具有國際影響力的設計公司,2006年,這四家公司的營業額分別為19.8億元、6.5億元、4億元、3.8億元。毅昌、嘉藍圖、浪尖、中信國華標識、同濟同捷、指南、龍域、洛可可等一批設計公司已經具備了較強的技術優勢,獲得了國際設計大獎,廣泛承接政府、國內大型企業、跨國公司的設計業務。

(四)工業設計對外開放程度顯著提高

1、跨國公司在華設計機構明顯增長。2000年之后,跨國公司設計機構進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、現代汽車等大型跨國公司都在中國相繼建立設計研發中心。這些設計機構涉及通信、計算機、家電、裝備制造、汽車、照明等產品領域。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行本土化設計:另一方面是充分利用中國人力成本優勢。從服務對象來看,主要為海外母公司開拓本土市場服務。

2、外資設計公司在華經營逐步活躍。據調查,外資設計公司在中國設立子公司主要基于靠近當地市場、節約成本和利用本地設計人才。外資設計公司在華經營具有以下主要特點。一是以承接本土設計業務為主,尤其是國內大型品牌企業成為其主要客戶。二是國際化程度高,承接海外業務主要來自美國、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。三是本土化程度提高。目前外資設計公司除少量高層管理人員由母公司委派外,本土化程度一般達到70%以上。

3、工業設計國際服務外包發展迅速。進入新世紀以來,我國已經成為國際設計服務業轉移的主要目的地。2006年對外設計咨詢業營業額為3.3億美元,是2001年的5.2倍,2008年增長為近4億美元。承接國際設計外包業務已經覆蓋電子信息、汽車、通訊設備、醫療器械、家電、玩具以及鐵路、城市軌道交通等領域。

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