工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新模式應(yīng)用研究

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摘要：本文通過數(shù)字技術(shù)虛擬性的方式、方法、途徑的理論性研究，基于數(shù)字化技術(shù)的多感知性、交互操作性、對現(xiàn)實(shí)事物關(guān)系、活動、認(rèn)知的實(shí)際模擬性，通過數(shù)字技術(shù)（如：VR技術(shù)、AR技術(shù)、3D成像技術(shù)等）虛擬工業(yè)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)管理、制造加工、設(shè)計(jì)體驗(yàn)、設(shè)計(jì)服務(wù)等事件的實(shí)際情景，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與制造的多樣化信息交互，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，為工業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、制造、研發(fā)的創(chuàng)新開辟一種新型的理念與模式。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；數(shù)字虛擬；創(chuàng)新模式

1國內(nèi)外數(shù)字虛擬技術(shù)下工業(yè)設(shè)計(jì)模式研究現(xiàn)狀

信息時(shí)代下的數(shù)字技術(shù)已成為西方各個(gè)國家工業(yè)設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)與制造模式的創(chuàng)新驅(qū)動力之一，并已形成了較為充實(shí)的理論依據(jù)與指導(dǎo)。美國和德國這些工業(yè)信息化、工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家最早開展了數(shù)字化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造模式，例如：美國的哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院運(yùn)用數(shù)字虛擬技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域展開了動態(tài)雕塑設(shè)計(jì)、交互空間設(shè)計(jì)數(shù)字參數(shù)化建筑設(shè)計(jì)、動態(tài)視覺信息設(shè)計(jì)等多種類型的數(shù)字設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新形式。與此同時(shí)，歐洲各國不僅將數(shù)字虛擬技術(shù)運(yùn)用到了工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，還運(yùn)用到了醫(yī)療、軍事、工業(yè)制造等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。我國數(shù)字虛擬技術(shù)與國外相比，雖然我國在數(shù)字技術(shù)方面制定了相關(guān)的政策扶持、發(fā)展規(guī)劃、研究計(jì)劃，尤其在數(shù)字虛擬技術(shù)方面受到了多家國家自然科學(xué)基金委、九五規(guī)劃、國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃的高度重視，并將其置于學(xué)科研究的重點(diǎn)，并逐步在各行各業(yè)進(jìn)行試驗(yàn)性的實(shí)施。但是在數(shù)字虛擬技術(shù)的應(yīng)用方面呈現(xiàn)出起步晚，發(fā)展較為緩慢，資金注入不滿足需求，理論指導(dǎo)不強(qiáng)，形式單一，系統(tǒng)性弱，技術(shù)受限等問題與薄弱環(huán)節(jié)。

2工業(yè)設(shè)計(jì)與數(shù)字虛擬技術(shù)應(yīng)用的功能關(guān)系

工業(yè)設(shè)計(jì)是人類以滿足物質(zhì)功能需求和審美情感需求為目的，進(jìn)行設(shè)計(jì)要素的構(gòu)思和策劃，通過借助材料媒介及制作工藝，采用創(chuàng)新的藝術(shù)表現(xiàn)手法，將設(shè)計(jì)構(gòu)想實(shí)體化，將技術(shù)與藝術(shù)完美融合，創(chuàng)造實(shí)用與美感于一體的產(chǎn)品，更好地滿足使用者與社會的需求。然而由于專業(yè)涉及內(nèi)容范圍廣，受影響因素多，設(shè)計(jì)與制造的環(huán)境復(fù)雜。因此，在我國工業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、制造、流程等方面發(fā)展受到了一定環(huán)境、人力、財(cái)力、安全性等方面的限制。數(shù)字虛擬技術(shù)主要通過計(jì)算機(jī)、軟件等設(shè)備，設(shè)定創(chuàng)建一種模擬現(xiàn)實(shí)的四維人環(huán)境或者四維的物環(huán)境，以視覺、聽覺、觸覺等方面的信息交互設(shè)計(jì)，讓參與者獲得真實(shí)的體驗(yàn)、經(jīng)歷與感受。數(shù)字化虛擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人類對復(fù)雜事物的認(rèn)知性，幫助人類更為直觀、科學(xué)的分析復(fù)雜事物之間的邏輯關(guān)系與原由，實(shí)現(xiàn)了人類與空間、實(shí)踐、事物的四維辯證關(guān)系的認(rèn)知，為人類認(rèn)知、探索、掌握客觀世界的規(guī)律提供了一種新型的方式。通過以上分析可得出工業(yè)設(shè)計(jì)與數(shù)字虛擬技術(shù)的基本功能關(guān)系：數(shù)字虛擬技術(shù)對于工業(yè)設(shè)計(jì)來說是一種補(bǔ)充與創(chuàng)新驅(qū)動劑。應(yīng)用數(shù)字虛擬技術(shù)于工業(yè)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)、制造、管理、流程、服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)之中，可真實(shí)地創(chuàng)造表現(xiàn)出各種工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程、制造加工技術(shù)、材料分析、設(shè)計(jì)服務(wù)、產(chǎn)品體驗(yàn)等實(shí)際設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工的仿真情景，提供多種途徑的實(shí)踐設(shè)計(jì)體驗(yàn)，使工業(yè)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)、制造、流程管理等方面的前期研發(fā)、實(shí)驗(yàn)或者后期服務(wù)、驗(yàn)證、體驗(yàn)等方面，彌補(bǔ)人力、物力、財(cái)力、環(huán)境、安全等方面因素的不足，對于提高工業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)與制造的成效性、自主能動性、有著較好的實(shí)踐意義。

3實(shí)施數(shù)字虛擬下的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新模式的構(gòu)建形式

3.1建立數(shù)字虛擬化工業(yè)設(shè)計(jì)造型要素設(shè)計(jì)模式

工業(yè)設(shè)計(jì)造型設(shè)計(jì)是產(chǎn)品形態(tài)的美學(xué)藝術(shù)表現(xiàn)。產(chǎn)品的造型形態(tài)表現(xiàn)出產(chǎn)品的使用功能以及用戶特征、環(huán)境特征、行業(yè)特征，同時(shí)表達(dá)了人們在滿足自身物質(zhì)生活的基礎(chǔ)上，更加追求精神世界的訴求。從經(jīng)濟(jì)角度看分析，一個(gè)具有美學(xué)內(nèi)涵的產(chǎn)品形態(tài)更容易創(chuàng)造出產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)附加值。在數(shù)字化技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，將數(shù)字虛擬技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)設(shè)計(jì)造型形態(tài)的設(shè)計(jì)、制造中，具體內(nèi)容方式可通過以下方式：數(shù)字虛擬技術(shù)按照形態(tài)的分類虛擬各類產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)的出模和裝配原理，如：“直線型”產(chǎn)品形態(tài)、“曲線型”產(chǎn)品形態(tài)、“特異性”產(chǎn)品形態(tài)等。通過此各類產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)出模和裝配原理的數(shù)字模擬，再融入到三維工程軟件（如：PRO/E、RHINO等）之中，在工業(yè)設(shè)計(jì)形態(tài)設(shè)計(jì)中，可利用三維工程軟件對產(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行參數(shù)化建模，在軟件中可對“直線型”、“曲線型”、“特異性”等各類產(chǎn)品形態(tài)中的各個(gè)點(diǎn)、線、面、體設(shè)計(jì)組構(gòu)模塊進(jìn)行參數(shù)化的形式美設(shè)計(jì)、修改與法則驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合虛擬出模和裝配技術(shù)對各類產(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行模擬的出模與裝配實(shí)驗(yàn)。最后輸出到參數(shù)化工程設(shè)計(jì)軟件Rhino中，或者3D打印機(jī)中形成最終數(shù)字或?qū)嵨锬Ｐ停阌诤笃诠I(yè)設(shè)計(jì)制造加工的測試與驗(yàn)證。

3.2建立數(shù)字虛擬化工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要素設(shè)計(jì)模式

工業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字化虛擬設(shè)計(jì)制造可利用數(shù)字虛擬Unity3D、Cult3D軟件，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)踐設(shè)計(jì)的流程、技術(shù)、方法的基礎(chǔ)，實(shí)施虛擬三維動態(tài)分析與設(shè)計(jì)、研究、實(shí)驗(yàn)。在工業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)的過程中，可以利用Unity3D或Cult3D數(shù)字虛擬軟件，在虛擬的三維可視化空間中建立工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的虛擬數(shù)據(jù)模型，通過IGES格式虛擬數(shù)字模型的三維可視化呈現(xiàn)，對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)上分析與實(shí)驗(yàn)，例如：結(jié)構(gòu)出模分析與實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)裝備解析與實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)溫度變形分析與實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析與實(shí)驗(yàn)等，最終通過學(xué)科分析與反復(fù)試驗(yàn)總結(jié)、歸納相關(guān)工程數(shù)據(jù)，并存儲數(shù)據(jù)，形成大數(shù)據(jù)模塊，以圖形或者圖像的三維可視化形式呈現(xiàn)出來。

3.3建立數(shù)字虛擬化工業(yè)設(shè)計(jì)材料要素設(shè)計(jì)模式

工業(yè)設(shè)計(jì)材料涵蓋了金屬材料、塑料材料、硅膠材料、納米材料等等形式繁多，屬性各異的材料類別，且每類材料都有著各自的設(shè)計(jì)、加工、成型等特性各異，材料與材料之間的設(shè)計(jì)結(jié)合與運(yùn)用方式各異。數(shù)字化虛擬技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用過程中可通過以下方式實(shí)現(xiàn)：運(yùn)用VR數(shù)字化虛擬3D技術(shù)，在VR虛擬軟件平臺上（如：Keyshot、3Dmax等）形成三維的模型信息，設(shè)計(jì)者通過VR虛擬軟件平臺所提供的三維數(shù)據(jù)模型信息可進(jìn)行材料應(yīng)用的虛擬設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。例如：在塑料材料的設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用中，運(yùn)用Keyshot三維VR虛擬軟件平臺進(jìn)行塑料材料的虛擬設(shè)計(jì)、應(yīng)用，在虛擬平臺系統(tǒng)中對于塑料材料虛擬模型實(shí)施在不同空間環(huán)境、光照、造型形態(tài)、工藝、時(shí)間等因素下的木質(zhì)材料自身相關(guān)表象、數(shù)據(jù)、特質(zhì)的交互表現(xiàn)與四維動態(tài)分析，分析究塑料材料各種數(shù)據(jù)與屬性，研究、梳理出各材料特性要素的關(guān)系，并綜合處理、總結(jié)相關(guān)數(shù)據(jù)，并再次通過Keyshot三維VR虛擬軟件平臺虛擬應(yīng)用于具體工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品塑料材料的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。

3.4建立數(shù)字虛擬化工業(yè)設(shè)計(jì)制造工藝模式

設(shè)計(jì)制造與加工工藝是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品由概念圖紙模型轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌錾唐返闹匾h(huán)節(jié)之一，同時(shí)也是產(chǎn)品批量化生產(chǎn)，實(shí)施商業(yè)化市場運(yùn)作與銷售的重要影響因素。制造方式與加工工藝的選擇適當(dāng)與否，決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最終表現(xiàn)效果，以及產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣。通過借助數(shù)字虛擬技術(shù)，如：VR、AR等技術(shù)，發(fā)揮數(shù)字虛擬技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)的特性，并充分應(yīng)用于各類工業(yè)設(shè)計(jì)制造、加工的實(shí)踐教學(xué)之中，按照工業(yè)設(shè)計(jì)各類生產(chǎn)加工及工藝的要求，虛擬表現(xiàn)出實(shí)際生產(chǎn)加工一線場景及相關(guān)設(shè)備操作、工藝流程展示等環(huán)節(jié)，對復(fù)雜性工業(yè)設(shè)計(jì)制造加工、工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性的分析、研究，總結(jié)設(shè)計(jì)實(shí)施的可行性方案，從而大大降低了設(shè)計(jì)制造內(nèi)容的難度，提升了設(shè)計(jì)制造加工實(shí)踐能力培養(yǎng)的實(shí)效性。

4總結(jié)

數(shù)字虛擬技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新中的應(yīng)用，順應(yīng)了科學(xué)技術(shù)發(fā)展觀的現(xiàn)代數(shù)字信息化的設(shè)計(jì)、制造、研發(fā)、服務(wù)理念。數(shù)字虛擬技術(shù)可突破、改變現(xiàn)有傳統(tǒng)式的工業(yè)設(shè)計(jì)模式，同時(shí)，工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程、制造加工技術(shù)、材料分析、設(shè)計(jì)服務(wù)、產(chǎn)品體驗(yàn)等環(huán)節(jié)較好地解決解決其在人力、物力、財(cái)力、環(huán)境、安全等方面因素的弊端與不足，對于提高工業(yè)設(shè)計(jì)研發(fā)設(shè)計(jì)、制造、體驗(yàn)、服務(wù)的成效性與經(jīng)濟(jì)性具有較高的創(chuàng)新實(shí)踐意義。

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作者：吳志堅(jiān) 單位：鄭州西亞斯學(xué)院