（机械设计及理论专业论文）面向全生命周期的产品形态设计研究.pdf

摘要 y8 6 8 l 7 面向全生命周期的产品形态设计研究 专业机械设计及理论 研究生袁莉指导老师 杨随先 摘要 随着工业技术的不断发展，人们的生活水平也随之有了大幅度的提高。人 们感受到了科技进步所带来的丰硕成果。但是，人们在享受一切物质产品的同 时也带来了对资源、能源的巨大消耗，导致了全球性的环境污染。产品全生命 周期设计是解决产品生产、使用及报废回收处理中对环境和资源的破坏或影响 问题的有效方法。 本文对全生命周期设计方法和工业产品形态设计的现状进行了认真的分析 和总结，提出了面向全生命周期的产品形态设计方法，给出了相应的设计流程， 对支持整个设计流程顺利进行的冲突消解原理和生命周期评价系统进行了详细 阐述。论文在理论和实践中的主要成果与特色如下： ( 1 ) 阐述了全生命周期设计以环境保护为特征的设计思想，以及产品形态 设计满足功能和外观要求的特点，分析基于全生命周期产品形态设计的必要性 和目的为了实现产品综合质量最优；在此基础上提出面向全生命周期的产 品形态设计概念及方法。 ( 2 ) 详细讨论了面向全生命周期的产品形态设计方法的影响因素，提出相 应的设计流程。论述了面向全生命周期产品形态设计的基本思想，以及与传统 形态设计的区别，给出了形态设计的三个基本约束，包括环境约束、人本约束 以及市场约束；提出了形态设计影响因素( 功能、材料、结构、风格、宜人性) 的概念及其在全生命周期形态设计中的具体表现和作用：确定了产品形态设计 四川大学硕士学位论文 的影响因素关注度模型，给出了面向全生命周期的形态设计的总体框架和具体 设计流程图，即将设计划分为形态准备阶段、形态构思阶段、形态实现阶段三 大阶段，并给出了每个阶段的具体任务和实现手段。 ( 3 ) 分析了面向全生命周期形态设计中冲突的类型以及产生冲突的原因， 结合t r i z 理论，研究了四十条发明原理，提出了面向全生命周期的形态设计的 冲突问题解决方案八条形态设计冲突消解原理。 ( 4 ) 详细分析了全生命周期评价理论和层次分析法的具体内容和技术框 架，以及实施的步骤，讨论了二者在评价中的优点与缺陷。结合全生命周期形 态设计的特点，提出了阶段性层次分析法，以解决面向全生命周期形态设计的 评估与选择。 ( 5 ) 对饮水机进行面向全生命周期的改型设计。分析了饮水机的具体结构 原理和生命周期形态影响因素。根据面向全生命周期产品形态设计方法，完成 了饮水机进行改型设计，最终成功提交了设计方案。 关键字：形态设计全生命周期设计形态影响因素设计流程设计冲 突阶段性层次分析法 i i r e s e a r c ho np r o d u c tf o r md e s i g nb a s e do nl c d m a j o r m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y p o s t g r a d u a t e y u a nl i s u p e r v i s o ry a n gs u i x i a n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , p e o p l e l sl i v i n gl e v e li s b e c o m i n gh i g h e r p e o p l eh a v eb e e ns h a r e dt h ep l e n t i f u la n ds u b s t a n t i a l f r u i t s b r o u g h tb yt e c h n o l o g i c a la d v a n c e m e n t ，h i l ee n j o y i n gt h e c o n v e n i e n c ea n dc o m f o r tb r o u g h tb yt h ew h o l e n e s si n d u s t r i a lp r o d u c t s ， p e o p l eg i v e ab i gc o n s u m p t i o no fn a t u r er e s o u r c e sa n de n e r g y , a n d p o l l u t et h ew h o l ew o r l d p r o d u c tl i f ec y c l ed e s i g ni s a l le f f i c i e n tm e t h o d t os o l v et h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n td e s t r o y i n ga n dr e s o u r c el a c k i n g d u r i n gt h em a n u f a c t u r i n g ，u s i n g ，r e c l a i m i n gp r o c e s s e s b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h es t a t u sa n dt r e n d so fl i f ec y c l ed e s i g n a n di n d u s t r i a lp r o d u c tf o r md e s i g na r es u m m a r i z e d ，a n dam e t h o do f p r o d u c tf o r md e s i g nb a s e do nl c di sp u tf o r w a r di n t h i s p a p e r a r e l e v a n td e s i g nf l o wi sa l s oe s t a b l i s h e d c o n f l i c ts o l v i n gt h e o r ya n dl i f e c y c l ea n a l y s i ss y s t e mt h a ts u s t a i nt h ew h o l ed e s i g np r o c e s sa r ed i s c u s s e d t h em a i nr e s e a r c hw o r k sa n dt h er e l e v a n ta c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i ca b o u tl i f ec y c l ed e s i g n e da n df o r md e s i g ni s e x p a t i a t e d ，t h ef o r m e ri su p o ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，a n dt h el a t t e r i s a b o u tf u n c t i o na n df o r m t h er e q u i r e m e n ta n dt h ea i mo fp r o d u c tf o r m d e s i g nb a s e do nl c da r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ec o n c e p ta n dt h e m e t h o do fp r o d u c tf o r md e s i g nb a s e do nl c da r ep u tf o r w a r d i l i 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) f r a m eo fd e s i g nf l o wa b o u tf o r md e s i g nb a s e do nl c di sg i v e n o u t t h eb a s i ct h o u g h to fi t i st a k e no u t ，m a dt h ed i f f e r e n c e sb e t w e e n t r a d i t i o n a ld e s i g na n df o r md e s i g nb a s e do nl c da r ed i s c u s s e d a f t e r t h a t ，3r e s t r i c t i o n so fd e s i g n ，i n c l u d i n ge n v i r o n m e n tr e s t r i c t i o n ，h u m a n r e s t r i c t i o n ，a n dm a r k e tr e s t r i c t i o n ，a n dt h e i re m b o d i m e n t sa n de f f e c t so n f o r md e s i g nh a v eb e e na n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ec o n c e p to fi n f l u e n c i n g f a c t o r s ( f u n c t i o n ，m a t e r i a l ，s t r u c t u r e ，s t y l e ，c o m f o r t a b l e ) o nf o r md e s i g n i s p u tf o r w a r d a t t e n t i o nm o d e la b o u ti n f l u e n c i n gf a c t o r si sm a d es u r e t h e n ，t h em a i nd e s i g nf r a m ea n df l o wa r ee d u c e d ，w h i c hi n c l u d e3 p h a s e s ，p r e p a r a t i o n ，c o n c e p t i o na n dr e a l i z a t i o n t h et a s k s a n dt h e i m p l e m e n tt e c h n i q u e so f e a c hp h a s ea r eg i v e no u ta sw e l l ( 3 ) t h et y p ea n dr e a s o n so fc o n f l i c ti nt h ep r o c e s so ff o r md e s i g n a r ea n a l y z e d f o r t yi n v e n t i o np r i n c i p l e so nt h et h e o r yo ft r i zh a v eb e e n s t u d i e d t h e n ，t h ec o n f l i c ts o l v i n gt h e o r yf o rf o r md e s i g ni sp u tf o r w a r d ( 4 ) t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fl i f ec y c l ea n a l y s i sa n d a n a l y t i ch i e r a r c h y p r o c e s sa r eb a t t e d a r o t m d ap h a s ea n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o di sg i v e no u t w h i c hi su s e dt oe v a l u a t ea n d s e l e c te l e m e n td u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ( 5 ) t h ef o r mo fc l e a n i n gw a t e rm a c h i n ei sr e d e s i g n e db a s e do nl i f e c y c l ed e s i g n i t sm a i ns t r u c t u r ea n di n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ea n a l y z e d a d e s i g np r o j e c ti ss u b m i t t e d ，w h i c hi sc o m p l e t e dw i t ht h em e t h o dp u t f o r w a r di nt h i sp a d e r k e yw o r d s ：f o r md e s i g n ，l c d ，f o r mi n f l u e n c ef a c t o r s ，d e s i g n f l o w , d e s i g nc o n f l i c t ，p h a s ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sm e t h o d 第一章绪论 第一章绪论 设计是人类改造自然、获取文明生活的一种基本活动，它历史悠久，伴随 着人类的出现而产生。在远古时代，人们对石器的打造就开始了人类漫漫的设 计之路。 产品是一定功能( 包括使用功能、美学功能等) 的载体，以特殊的物质材 料、结构表现出来，由现代化大机器生产手段批量生产，以满足人们的各种需 求。人们通过对产品的使用，可以改善自身的生存状况。如，早期电话的发明 与使用使得远距离通信成为可能，而如今移动通信技术的发展又使人们生活方 式再一次的改变，手机的使用顿时使朋友、亲人之间变成零距离。设计是一种 把创意变成现实的创造行为，目的是改变人类环境、生产工具和生活方式。 工业设计是随着社会的发展、科学的进步、人类社会进入现代生活而发展 起来的一门新兴学科。它从诞生之日起，就不断地给世界带来惊喜，并在一个 多世纪的发展过程中不断被注入新的内涵。 工业设计是经过产业革命实现工业化大生产后的产物。国际工业设计协会 联合会将工业设计定义为：“就批量生产的产品而言，凭借训练、技术知识、经 验及视觉感受而赋予材料、结构、构造、形态、色彩、表面加工以及装饰以新 的品质和资格，叫工业设计。根据当时的具体情况，工业设计师应在上述工业 产品的全部侧面或其中的几个方面进行工作，而且，当需要设计师对包装、宣 传、展示、市场开发等问题的解决付出自己的技术知识和经验以及视觉评价能 力时，也属于工业设计的范畴l l l 。” 本文将重点对工业设计中产品形态设计进行研究，结合生命周期要求，研 究面向产品生命周期的产品形态设计方法。 1 1 国内外工业产品设计的发展与现状 广义的产品设计包括人类的一切造物活动。现代意义的产品设计即对产品 l 四川大学硕士学位论文 的造型、结构和功能等进行综合设计，以便制造出符合人们需要的实用、经济、 美观的产品。 现代产品设计主要包括以下范围： 2 1 ( 1 ) 消费产品设计。消费产品设计是一个与人类生活密切相关的领域，主 要有家用与公用电器( 如彩电、冰箱、照相机、灯具等) 设计，家用公用机具 设计等。 ( 2 ) 交通设施设计。汽车业的发展与人们的日常生活息息相关，人们可以 很直观地感受到设计的发展给其生活带来的巨大改善。进入2 1 世纪，各种摩托 车、飞机、轮船和自行车的设计正在中国如火如茶地开展。 ( 3 ) 工作机械机器设计。如医疗仪器、计算机、机床、农用机械等也是产 品设计的重要研究对象。 现代工业产品设计的特征： ( 1 ) 时代性。产品设计是以一定的技术为依托的。科学技术的进步，产生 了e t 新月异的新材料、新工艺和新技术，极大地促进了社会的发展。产品设计 也不断体现出时代的特征。设计只有紧跟时代的发展，才能被人们，被社会所 接受。 ( 2 ) 创新性。创新是设计的核心，是工业设计永远不变的主题。产品设计 必须是创新的设计，不然设计就没有生命力，最终会被社会所淘汰。 ( 3 ) 经济性。产品设计的成果最终是要流向市场，所以产品设计必然要以 市场经济效益为出发点。没有经济效益的设计是不成功的设计，只为少数人欣 赏的设计也同样没有竞争力。 ( 4 ) 环保性。随着自然资源的不断减少，环境保护被提上日程。产品设计 的目的是为了改善人类的生存和生活方式，但不能以破坏环境为代价。一方面， 设计师要将绿色产品设计作为其设计创意的出发点，使整个设计保持环境友好 性；另一方面，还要引导消费者进行绿色消费。 近二十年来，设计的外部环境和内部思想出现了许多新的特点，设计的内 涵和外延有了新的扩充，设计向多元化的方向发展。随着现代科学技术文化的 进步，世界各国尤其在欧美、日本等工业发达国家，工业设计已经逐渐智能化， 利用计算机辅助技术进行设计创意，虚拟仿真以及自动化生产已经成为潮流。 设计手段上由以前的完全的手工草图表现，到计算机辅助设计，整个设计过程 第一章绪论 倾向无纸化，使得设计更加智能。工业设计的方法也随着技术的进步而不断提 高，更趋向集体方式，形成了由现代思维科学、技术科学、哲学及方法论、生 态学、计算机技术等多学科构成的现代设计方法体系，产生了包括人性化设计、 绿色设计、虚拟设计和概念设计等一系列新兴设计方法和设计思想。p j 设计思想的变化主要体现在功能与形式的关系上。包豪斯时期，在突破形 式至上的束缚之后，确立了“功能决定形式”的设计原则，即功能追随形式。 八十年代的设计强调形象、生理、心理相联和相统一，其代表是盂菲斯前卫设 计集团和后现代设计师，他们把视觉形象的创造需与人的生理和心理的吻合作 为前提，扩展了功能的概念。【4 卜 6 1 1 2 生命周期设计的发展概况和历史回顾 早期，人们对产品生命周期( p r o d u c tl i f ec y c l e ) 的认识仅仅局限于与产品 销量相关的过程，如图1 - 1 。这个时期的 产品生命周期就是其市场周期。 现在，产品生命周期已涉及到环境、 技术经济、社会等多个领域的概念，是产 品整个生命周期各个阶段的总和，包括了 产品从自然中获得最初的资源、能源、原 材料经过开采、冶炼、加工等生产过程形 成最终的产品，又经过产品的存储、批发、 成长期 成熟期消亡期 使用等过程，直至产品报废或处理的全过程。 1 2 1 产品生命周期思想产生的背景 图卜1 产品生命周期曲线 【7 卜【1 5 ( 1 ) 环境恶化 随着人口的增多以及人类活动的频繁，自然环境正在被无情地破坏，工业 发展带来了巨大的环境污染，地球正在面临着空前的灾难。环境污染加重，主 要是人为原因，工厂的大量开设、交通工具、家庭炉罩的大量使用，使得煤炭、 石油和天然气大量被消耗，产生过多的二氧化碳，形成“温室效应”，加上硫化 第一章绪论 倾向无纸化，使得设计更加智能。工业设计的方法也随着技术的进步而不断提 高，更趋向集体方式，形成了由现代思维科学、技术科学、哲学及方法论、生 态学、计算机技术等多学科构成的现代设计力法体系，产生了包括人眭化设计、 绿色设计、虚拟设计和概念设计等一系列新兴设计方法和设计思想。p 1 设计思想的变化主要体现在功能与形式的关系上。包豪斯时期，在突破形 式至h 的束缚之后，确立了“功能决定形式”的设计原则，即功能追随形式。 八十年代的设计强调形象、生理、心理相联和相统一，其代表是盂菲斯前卫设 计集团和后现代设计师，他们把视觉形象的创造需与人的生理和心理的吻合作 为前提，扩展了功能的概念。h 卜【6 j 1 2 生命周期设计的发展概况和历史回顾 早期。人们对产品生命周期( p r o d u c tl i f ec y c l e ) 的认识仅仅局限于与产品 销量相关的过程，如图1 1 。这个时期的 产品生命周期就是其市场周期。 现在，产品生命周期已涉及到环境、 技术经济、社会等多个领域的概念，是产 品整个生命周期各个阶段的总和，包括了 产品从自然中获得最初的资源、能源、原 材料经过开采、冶炼、加工等生产过程形 成最终的产品，又经过产品的存储、批发、 成长期 成熟期消亡蒯 使用等过程，直至产品报废或处理的全过程。 1 21 产品生命周期思想产生的背景 图卜1 产品生命周期曲线 7 卜【i 却 ( 1 ) 环境恶化 随着人口的增多以及人类活动的频繁，自然环境正在被无情地破坏，工业 发展带来了巨大的环境污染，地球正在面临着空前的灾难。环境污染加重，主 要是人为原因，工厂的大量开设、交通工具、家庭炉罩的大量使用，使得煤炭、 石油和天然气大量被消耗，产生过多的二氧化碳，形成“温室效应”，加上硫化 石油和天然气大量被消耗，产生过多的二氧化碳，形成“温室效应”，加上硫化 四j i l 大学硕七学位论文 物被排入大气中形成酸雨，而使土壤酸化，土壤养分淋溶，肥力下降，地表植 被被破坏，地面水、地下水酸化，对人体产生危害等。其根源是人类对自然资 源的无节制的使用，以及大量的工业活动所带来的结果。【l 6 j 产品生命周期设计要求所设计的产品具有良好的环境属性，在设计、生产、 运输、销售、服务、使用、回收等阶段都要进行环境友好性评价，以真正生产 出供用户使用的绿色产品。1 1 7 j “1 2 0 j ( 2 ) 市场竞争 2 l 世纪是充满竞争的时代，面对国际市场竞争的压力，企业既面临生死存 亡的挑战，也可能获得广阔的发展机遇，其关键取决于是否能及时而有效地开 发出适应市场需求的新产品。要使产品具有市场竞争力，产品的生产周期、质 量、外观、价格、环保性等都起着关键作用。【l q 在可持续发展战略思想深入人心的时代，产品设计的绿色环保性在竞争中 起了很重要的作用，有绿色商品标志的产品的销量远远大于一般产品，国际市 场中谁的产品考虑环保多一些，谁的产品就最有竞争力。正如美国通用汽车公 司福总裁米丹尼认为：“经济发展与环境保护是可以相容的，经济的发展为解 决环境保护问题提供了机会。通过环保降低成本使通用汽车更具有竞争力，对 环境负责是商业竞争中的一个优势。”从设计着手保护环境可降低运营成本， 从而提高了产品在国际市场的竞争力。 2 1 卜1 2 3 】 面对当今这样激烈的、多样化的市场竞争，产品设计必须走全生命周期路 线，将设计、质量、经济性、环保一同考虑，从设计出发，围绕核心的竞争因 素展开设计，以质量竞争作为产品的基础，以经济环保竞争作为再次提升质量 的动力，设计的最初规划表明了后续的回收再利用方法与原则，为减轻环境压 力和满足用户需求而设计出高质量，美观大方、环保的产品。 1 2 2 全生命周期设计研究概况 对全生命周期设计的研究始于2 0 世纪9 0 年代。全生命周期设计是产品设 计方法学的一个重要分支。传统产品设计方法学将工程设计过程分为四个阶段： 任务明确阶段、产品概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段。这种设 计模式是典型的串行的产品和开发方式，虽然利用相关技术各阶段之间能够实 4 第一章绪论 现信息交流和专业互补，但始终不能克服串行模式的致命缺陷，即设计生产的 周期太长；阶段间交流与反馈力度不够；设计只关注当前环节，忽视了后续环 节的重要影响等【1 1 1 。国外著名高校对全生命周期设计进行了研究，其中丹麦工 业大学奥尔廷教授提出了对环境、职业健康、资源消耗产生最小影响的持续工 业生产，并提出了“生命周期概念”，指出：如果产品及其生产系统最初也是为 环境特性而设计，将会取得更为显著的经济及技术效果。从奥尔廷教授的研究 成果中可见，生命周期设计已被重视，成为研究人员所关注的理论方法，并已 广泛展开研究。同时，国际大公司也开展了关于全生命周期设计的研究，丰田 公司于1 9 9 5 年宣布了一份汽车拆卸回收工艺，并详细阐述了汽车拆卸程序，这 一套工艺的研究使得公司产品具有良好的回收性，为提高其市场竞争力作出了 贡献。 紧随国外研究进展，国内学者从2 0 世纪9 0 年代中期开始了对全生命周期 设计方法的研究。国内一些大学开展了对中国小汽车、家用冰箱冰柜产品进行 了全生命周期设计，提出了具体的设计和回收策略；对机电产品的全生命周期 设计研究主要体现在设计方法、产品模型、回收理论的建立上，针对拆卸问题， 提出了拆卸逻辑网络模型，解决了产品的可拆卸性问题；另外，国内部分研究 所进行了全生命周期评估工具l c a t 系统软件的开发，为全生命周期设计提 供计算机平台。全生命周期设计方法具有以下特点：【2 4 】 ( 1 ) 系统性。对整体的考虑，设计不仅仅是设计对象的单纯的设计，而是 把握整体，着眼于与对象或产品有关的外部环境的各种因素，通过它们对产品 的相互影响，从而得出产品的制约因素以及设计想法。 ( 2 ) 并行性。将产品存在的整个生命周期进行同时考虑，分析每个阶段可 能存在的不利因素，在设计时加以解决，有效的利用了时间，提高了效率。 ( 3 ) 集成性。因为全生命周期设计需要在各个阶段进行频繁的信息交流与 反馈，因此采用系统化、模块化的知识结构，利用计算机技术，通过信息的存 储与选择，设计师可以很精确地给设计定位，确定设计的方向和方法手段，以 及设计的具体规划，保证了设计的顺利开展。 在工程设计方面，全生命周期设计思想已经逐渐融入进去，并且发挥了其 强大的系统作用。现在广为研究的d f x 是d e s i g nf o rx ( 面向产品生命周期各 个阶段环节的设计) 的缩写。其中，x 可以代表产品生命周期或其中的某一环 四川大学硕士学位论文 节，如装配、加工、使用、维修、回收报废等，也可以代表产品竞争力或决定 产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。典型的d f x 方法说明如下：【2 5 1 ( 1 ) d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，面向装配的设计) ( 2 ) d f m ( d e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ，面向制造的设计) ( 3 ) d f i ( d e s i g nf o ri n s p e c t i o n ，面向检验的设计) ( 4 ) d f s ( d e s i g nf o rs e r v i e e m a i m a i n r e p a i r ，面向维修的设计) ( 5 ) d f r ( d e s i g nf o rr e c y c l i n g ，面向回收的设计) ( 6 ) d f q ( d e s i g n f o rq u a l i t y ，面向质量的设计) ( 7 ) d f r ( d e s i g nf o rr e l i a b i l i t y ，面向可靠性的设计) ( 8 ) d f e ( d e s i g nf o re n v i r o n m e n t ，面向环境的设计) 针对上述每一个方向，都进行了深入的研究。例如在面向回收设计d f r 方 面，r o s y 等人提出了一种将环境因素融入材料选择过程的方法。该方法在满足 功能、几何形状、材料特性和环境等需求的基础上，使零部件的成本最低，有 效地解决了产品材料的回收和经济性要求。 目前，全生命周期设计存在的缺陷主要体现在领域问题上，机械行业中逐 渐使用全生命周期设计方法，对大型机械、机器的设计考虑到材料的使用，零 部件回收，拆卸等问题，而对每天与人接触的各大产品却研究不够。另外，对 生命周期设计的研究也仅仅停留在上述八个方面，对于人心理要素方面的考虑 不够，即没有完善面向人性化设计、面向市场设计等的设计理论。作为一个完 整的设计理论体系应该满足设计系统中所有相关的设计因素，形成一套完整的 方法学。 1 2 3 全生命周期设计思想在工业设计中的应用研究现状 目前，对全生命周期与工业设计的结合课题的研究还相当少，大多研究人 员已经意识到了环境问题的严重性，并开展了一系列基于环境保护的设计研究， 即在设计之初就考虑到设计结果对环境的不良影响，从而进行改进再设计，以 达到产品全生命周期的环保要求。 对于工业设计而言，全生命周期设计的主要研究内容为尽量减少物质和能 源的消耗、减少有害物质的排放、产品零部件能够方便地分类回收，并能再生 第一章绪论 循环或重新利用：产品造型美观、大方，具有强大的市场竞争力。即产品在设 计阶段就应该考察和得到市场和人的因素，并且确定采用何种材料、资源以及 何种加工方式，同时明确产品在其生命周期过程中所产生的废弃物，并提出处 理方案。 对全生命周期思想在工业设计中的应用研究主要有以下内容及成果：皿6 j ( 1 ) 对设计材料的研究。在材料的选择上，确立了基本的选择准则，包括 材料的可加工性，材料的可再生性以及材料的环保性等相关准则。另外，相应 的材料技术也伴随发展，如可回收再利用材料、节能材料、可降解材料、环境 友好材料逐渐被研制与使用，为设计的发展添砖加瓦。 ( 2 ) 对可拆卸结构的研究。由于产品种类各式各样，不同产品具有不同的 机构形式，因此大多数设计者进行拆卸结构的研究都从设计准则出发，制定出 了一系列基于拆卸性的设计准则【2 7 卜 2 9 1 。概括地说，可拆卸性设计的一般原则为： 第一，减少零件数量，如零件组合、减少连接件的数量等；简化连接结构；良 好的拆卸可达性；局部结构集成，如将同一材料集中于同一零件中去。第二， 尽量避免零件表面的二次加工，为回收零件提供不同标志。第三，减少零件多 样性准则，采用标准化的零部件等等。 ( 3 ) 对使用阶段资源再利用的研究。如节能冰箱的设计，使得用户只需花 费一半电能就可以达到正常的冷藏效果。即减少产品使用过程能源的消耗。另 外，产品使用中考虑如太阳能等清洁能源的利用，转移能源的使用。 目前我国进行工业设计的全生命周期研究还存在着许多问题，各种软硬件 条件都不成熟，需要国家、设计界和设计师个体共同作出努力，逐渐健全并推 动设计向前发展。主要问题如下： ( 1 ) 设计团队或企业整体环保意识不够，即使有意识，但无行动。 ( 2 ) 全生命周期设计理论体系不够完善。 ( 3 ) 缺乏相关支撑技术，如计算机辅助全生命周期设计系统的有待开发， 新结构、新工艺、新回收手段等有待继续发展与创新。 ( 4 ) 国家关于全生命周期设计的政策、法规没有出台。 四川太学硕士学位论文 1 3 课题背景及本文的主要工作 随着环保意识的不断加强以及人们对产品各方面要求的增加，面向产品全 生命周期的设计已深入人心，得到众多设计人员的重视，并在这一领域开展了 许多卓有成效的工作。但就工业设计而言，目前仍主要集中在产品功能和外观 的设计，少有从产品全生命周期的角度进行设计。因此，本课题的开展正是围 绕着如何很好的解决产品设计中形态设计与全生命周期设计之间的关系，并将 全生命周期设计思想引入到产品形态设计当中，使得形态设计生命周期化，即 形态设计满足产品生存的整个周期的要求，不仅是外观的，还有技术的，环境 的要求。 在产品形态设计中运用全生命周期设计思想的目的是要设计出环境友好 的，被顾客喜爱以及具有强大竞争力的产品，保证产品整个生命周期内对环境 的负面影响最小，体现市场发展趋势，给用户提供更长的服务期限的优秀的产 品。它将统筹规划产品的整个生存过程，考虑设计对后续环节如装配、回收等 的影响，以及后续环节对产品形态的影响。此时的设计更加注重产品全生命周 期中可能产生的各种问题，在设计阶段通过有效的规划，结合产品形态设计冲 突消解策略以及全生命周期评价，提出既满足可持续发展需要，又能满足消费 者的生理和心理需求的，在形态方面均具有创新性的产品。正如国际工业设计 协会联合会主席彼得所说：“设计作为人类发展的一个重要因素，可能成为人类 自我毁灭的绝路，也可以成为人类到达一个更加美好世界的捷径。”f 7 j 本文的具体工作有： ( 1 ) 分析了面向全生命周期产品形态设计的基本思想，并详细讨论了面向 全生命周期形态设计的三个基本约束：环境、市场、人对产品形态的作用；在 此基础上提出了形态设计影响因素的概念以及它在全生命周期形态设计中的具 体表现和作用。 ( 2 ) 通过对五大形态影响因素的分析，得出了面向全生命周期的形态设计 的总体框架和具体设计流程图，即将设计划分为形态准备阶段、形态构思阶段、 形态实现阶段三大阶段，并提出了每个阶段的具体任务和实现手段。 ( 3 ) 分析了工程设计中基于t r i z 的冲突表现形式和解决方法，结合形态 设计的特殊性，确定了面向全生命周期形态设计冲突的表现和解决方法，为形 r 第一章绪论 态设计的顺利开展提供了保障。 ( 4 ) 详细讨论了全生命周期评价理论和层次分析法的优点与缺陷，在此基 础上提出了阶段性层次分析法，以便对面向全生命周期形态设计过程进行评估 与选择，使得设计过程更加合理客观，保证设计沿正确方向进行。 ( 5 ) 按照本文所述的基本理论对饮水机进行改型设计。综述了中国饮水机 的在近三十年里的发展状况，同时分析了饮水机的具体结构原理和生命周期形 态影响因素，在结合本次设计项目的实际目标，根据面向全生命周期产品形态 设计方法对饮水机进行改型设计，最终成功提交了设计方案。 9 四川i 大学硕= b 学位论文 第二章面向全生命周期的产品形态设计 产品形态是产品功能、科学技术及艺术内容等方面的综合体现，是通过产 品形状、大小、材料、结构、质感、色彩、装饰以及加工工艺等因素构成，并 常常以自身独特形式和风格出现在用户面前。对形态进行生命周期分析有助于 设计师进行具体设计的开展，并达到综合较优的设计效果。 2 1 面向全生命周期产品形态设计的基本思想 面向全生命周期产品形态设计是指进行形态设计时综合考虑环境要素在形 态中的影响，将环境要求作用于产品形态的影响因素功能、材料、结构、 风格、宜人性，使产品形态从设计开始就考虑到材料的使用、后续结构和工艺 的实现、色彩和肌理的表现、运输和销售的便捷、使用和维护的方便、回收再 利用的实施。产品形态设计表现为整个产品生命周期的形态设计，通过形态设 计改善产品的性能( 包括技术性能、环境性能和情感性能) 。这样设计的产品是 满足用户需求，有利于市场推广，更加符合环保要求，即具有强大的生命力。 2 2 面向全生命周期产品形态设计与传统形态设计的区别 产品形态是产品设计的重要部分，设计师通常利用特有的造型语言( 如形 体的分割与组合、材质的多重表现等等) ，进行形态设计，利用产品特有形态向 外界传递出设计师的思想与企业的理念以及作为产品本身的内涵。在传统的产 品设计和生产过程中，将资源和能源转化为可供人们使用的生活用品的同时， 却又产生了大量的废弃物，对生态环境造成严重污染，以及对资源和能源的大 量浪费，影响人类的生活，影响经济的持续发展。 面向全生命周期产品形态设计正是要解决传统设计所带来的不足，将系统 观、并行观和集成观的思想运用于设计阶段，目的是要设计出用户满意，环境 友好的符合全生命周期设计评价准则的，具有预见性和有创意的产品形态。 第二章面向全生命周期的产品形态设计 表2 - 1 所示为面向全生命周期产品形态设计与传统形态设计的区别。 表2 1 面向全生命周期产品形态设计与传统形态设计的区另 传统产品形态设计面向全生命周期的产品形态设计 设计师、工程师、市场营销设计师、技术工程师、环境管理工程师、 设计参加人员 人员市场营销人员、法规管理人员等 设计开发模式串行模式并行模式 满足用户需求 符合市场规律 设计目标良好的经济回报 符合人体健康和安全要求 满足产品的环境要求 产品形态符合形式美法则 产品形态符合形式美法则 形态产生良好的使用方式 设计规范 形态产生良好的使用方式 产品形态带来良好的经济性 形态产生所消耗的材料和能源最少 产品形态带来良好的经济性 形态实现过程排污最小 好的形态使产品便于运输、维护和回收 独立的形态设计( 设计师灵受产品功能、材质、结构、色彩等多方 设计影响要素 感的闪现)面的影响。 由表2 - 1 可以看出，面向全生命周期产品形态设计在设计人员、设计丌展 模式、设计规范和设计影响要素方面都要比传统形态设计更加完善、更加合理， 并且将环境因素、过程因素融入到设计中去，同时还具有一个多样化的设计团 队实现形态的设计。【2 7 卜【2 9 】 2 3 全生命周期约束与形态设计 2 31 全生命周期约束概念 一个产品可能以多种方式破坏环境，影响以后的各个环节。将全生命周期 约束作用于产品形态，得出对环境及当前活动影响最大的因素，从而进行具有 突破性的产品再设计或改进设计，保证达到全生命周期设计要求。 全生命周期约束是全生命周期设计思想运用于工业设计领域的表现形式， 是形态设计必须遵守的规则，是将产品全生命周期内涉及的因素转化为设计约 四川大学硕士学位论文 柬，以便指引和控制产品设计j l 孵l j 进行。 2 3 2 全生命周期约束的表现形式 在产品设计当中，全生命周期约束体现在三个方面，如图2 1 。将环境、人、 市场作为产品形态设计的三大基本约束，并指导设计向环保、以人为本、符合 市场规律方向进行。 3 0 卜口5 1 中中中 环境属性，环境指标，人性，情感，人机工程学，流行性( 款式和风格) ， 环保策略，环保意识。人的生理心理因素。社会性，企业形象。 图2 - 1面向全生命周期的产品形态设计约束 ( 1 ) 环境约束 从图2 2 可以看出工业系统的输入( 原材料和能源) 是产生生态破坏和资 源枯竭的主要原因，而系统的输出则是产生环境污染的原因。人类所面临的生 态环境问题与工业系统密切相关。因此发展工业的同时必须考虑环境因素，将 环境要求作为一基本约束纳入企业的设计生产任务当中，设计师有意识地进行 基于环境约束的产品设计，使所设计的产品在报废后能够被自然界消化或重新 转化为自然资源，进行再利用。 图2 - 2 工业系统与自然环境 第二章面向全生命周期的产品形态设计 ( 2 ) 人本约束 任何时代的工业设计，都是直接或间接为人类服务的，不可以本末倒置。 人作为产品的使用者或服务者，具有各种愿望与要求，因此产品形态设计必须 将人的需求作为设计约束，通过对产品以人为中心的设计限制，从而真正达到 人本设计。以人为本设计约束可以从两个方面进行考虑。 第一、生理约束人机工程学。现代产品可谓是人体器官功能的延伸， 并且和人直接或间接接触。如人们每天骑的自行车，人用手握着把手，用脚蹬 着脚踏板等等，这一连贯的动作共同使人前进。而每一个与人接触的或让人使 用的部件的设计都应该符合人机工程学，使人感觉舒适，安全。 第二、心理约束美学、情感化设计。经济的发展创造出了极为丰富的 物质财富，此时的人们更加注重精神层面的享受，作为心理约束的设计思想符 合当前社会发展的实情。只有符合消费者审美情趣和满足其内心愿望的商品， 才能打动消费者，而使他们产生购买的欲望。 ( 3 ) 市场约束 市场约束是产品进入市场所不容忽视的。在8 0 年代及以前，中国的产品设 计根本没有涉及市场约束，其产品形态是“自由”的，即没有任何市场信息一 一没有流行趋势，没有企业形象传递等。这些产品设计都没有在市场约束下进 行，因此是没有生命力的，是注定被时代所淘汰的，造成巨大的浪费和环境负 担。9 0 年代到现在，国内的产品形态设计已经开始意识到把市场作为约束条件 的重要性，各大公司进行产品设计都免不了对市场进行全面调查与分析，确定 鲜明的市场语意特征，确保产品设计取得成功。 2 3 3 面向全生命周期形态设计影响因素分析 进行全生命周期形态设计必须从影响形态设计的因素着手。影响形态的因 素有很多，比如，设计师的个人偏好，企业产品形象的沿袭，产品材料的选择， 结构的实现，功能的再现等等。对单纯的形态设计，设计师可能更关注形态的 美感，而忽略了其他重要方面。 全生命周期设计要求设计师将设计重点放在产品环境亲和性的创新上，同 时综合考虑产品功能、材料与工艺等要求，以一种更为负责的态度与意识去创 1 1 1 | 川大学硕士学位论文 造最新的产品形态，用更科学合理的造型语言使产品真正做到物尽其材、材尽 其用，并且在不牺牲产品使用性能和舒适与完美的前提下，尽可能地延长使用 周期。 产品形态影响因素包括产品功能、材料、结构、产品风格与产品使用的宜 人性五个方面。 流行性风、 格的体现i 产品品牌 形象的表达i 便于拆卸结 设计 模块化设计 便于折叠结 设计 人机工程标准尺寸的运用 形态的形式美法则的运用 情感化形态设计 、。 图2 - 3 形态影响因素的全生命周期表现模型 2 3 3 1 面向全生命周期形态设计的功能分析 好地体现产 能 少产品不必 能 加辅助功能 料的选择 的减少 ( 1 ) 面向全生命周期的功能及形态表达 产品的形态设计与产品功能之间的内在关系是显而易见的。产品功能是构 成产品形态的重要因素，但是，作为产品设计师，在产品设计的过程中往往会 因过分重视满足产品的功能而进行过度的设计，结果导致设计给人类和人类环 境带来了巨大的损害。所以，在进行形态设计的时候，全生命周期设计思想下 第二章面向全生命阁期的产品形态设计 的功能因素考虑就成了重点。此时的功能形态设计必须考虑到整个生命周期的 活动，使得功能设计达到环境、人类社会、市场最优。 3 6 1 第一，使形态更好地体现功能 符合生命周期设计的形态，应该是形态与功能高度统一的，或者说是形态 能够更好地体现功能。具体包括两层含义：一是形态明确功能，即根据不同的 功能分类的产品，它们的形态应该有较大的区别，不至于产生混淆。比如，用 于浇花的洒水壶和用于泡茶的茶壶它们所体现出来的形态在外观风格上大不一 样，人们一看便知道其不同用途。二是形态实现功能，在一个具体的形态设计 当中，为了更好地完成对功能的表达，而选择了以形态来实现功能，一定的形 态样式便可以将功能很好地实现。比如红酒的开瓶器，它是一螺旋上升的线形 形态，通过这样的形态使得开启红酒成了易事。 要做到形态体现功能，需要对产品形态语意与功能语意进行综合分析，找 出二者的结合点，可以使形态传达操作过程，如咖啡壶的设计充分考虑泡咖啡 的工序，并将此在形态上体现；也可以使形态体现功能元素，如门把手设计， 考虑将手形以及使力方向在把手上反映，可以让人很轻松地知道它的功能语意。 这两种方式都是对人们惯性思维以及行为研究的结果，