楊雪嬌　胡昌格

摘要：近年來(lái)，工程材料在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域迅速發(fā)展，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中工程選材方法與材料固有屬性及工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)系密切。只有通過(guò)合理的選材以及與富有創(chuàng)造力的工業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合，才能獲得完善的工業(yè)產(chǎn)品。因此，科學(xué)合理地挑選并確定最終材料是工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中極其重要的一項(xiàng)內(nèi)容。本文回顧了近年來(lái)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域工程選材方法的研究進(jìn)展，并總結(jié)了工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中工程材料的選材方法，最后闡述了影響工業(yè)設(shè)計(jì)選材的各個(gè)因素。工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中工程選材方法已從傳統(tǒng)較為單一的方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代化的選材方法，為該領(lǐng)域的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：工程材料;工業(yè)設(shè)計(jì);選材方法; 影響因素

中圖分類(lèi)號(hào)：TB47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）03-0153-02

工業(yè)設(shè)計(jì)主要是以工學(xué)、美學(xué)及經(jīng)濟(jì)學(xué)為基礎(chǔ)而進(jìn)行的滿足各種需求的設(shè)計(jì)，縱觀工業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)展歷程，工程材料的開(kāi)發(fā)和使用一直在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中占有極其重要的地位，其優(yōu)異的性能能夠滿足大部分工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。近年來(lái)，研究學(xué)者對(duì)工程材料在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的開(kāi)創(chuàng)性研究，主要著重于工程材料的選擇及工程材料與工業(yè)設(shè)計(jì)的關(guān)系等方面。工程材料的不斷發(fā)展為工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域潛在的發(fā)展空間提供了新的思路和方法。

1工程材料在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展概述

隨著材料資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，工程材料以其優(yōu)良的工藝及使用性能在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域工程選材方法相關(guān)出版物的數(shù)量也迅速增加，通過(guò)檢索Science Citation Index Expanded（SCIE）數(shù)據(jù)庫(kù)中關(guān)鍵詞“engineering materials selection”和“industrial design”，共得到224篇文獻(xiàn)，其中包括125篇期刊論文、96篇會(huì)議論文、16篇綜述論文及其他論文1篇，如圖1所示。在現(xiàn)有的224篇文獻(xiàn)中，近20年（2001—2021年）共出版了206篇。由此可見(jiàn)，隨著研究人員對(duì)工程材料性能的不斷研究及對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐漸深入地探索，工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域工程選材方法呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢(shì)。

2工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的工程選材方法

工程材料作為工業(yè)設(shè)計(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和載體，在過(guò)去工程師所用材料較為單一，但經(jīng)過(guò)不斷地演變和發(fā)展，現(xiàn)如今其類(lèi)型已經(jīng)相當(dāng)豐富。掌握各種工程材料的特性，用科學(xué)的方法正確選擇材料，已成為設(shè)計(jì)師的基本技能。根據(jù)工程材料的歷史演變過(guò)程，可將其選材方法分類(lèi)為傳統(tǒng)選材、半經(jīng)驗(yàn)選材及現(xiàn)代選材。

2.1 傳統(tǒng)選材

傳統(tǒng)選材通常是工業(yè)設(shè)計(jì)師在掌握了工程材料的分類(lèi)和常用材料特征的前提下，結(jié)合自身設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選材，主要分為經(jīng)驗(yàn)選材、行業(yè)傳統(tǒng)選材及試錯(cuò)—錯(cuò)誤法選材。

1）經(jīng)驗(yàn)選材。經(jīng)驗(yàn)選材是指憑借工業(yè)設(shè)計(jì)師個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及習(xí)慣或依靠手冊(cè)來(lái)決定工程材料的選用，主觀性較強(qiáng)，多數(shù)情況下對(duì)所選材料不進(jìn)行力學(xué)方面的測(cè)試及計(jì)算，甚至在某些零件或結(jié)構(gòu)選材過(guò)程中會(huì)隨意選用一些常用材料。因此，運(yùn)用此方法選擇并確定工業(yè)設(shè)計(jì)需求的工程材料難度較大。

2）行業(yè)傳統(tǒng)選材。行業(yè)傳統(tǒng)選材中設(shè)計(jì)師主要根據(jù)其所在工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)積累，并基于產(chǎn)品可行性及便捷性原則進(jìn)行選材，其選材方法和傳統(tǒng)選材方法近似，大多數(shù)情況下也不對(duì)工程材料進(jìn)行力學(xué)方面的計(jì)算，只是按照本設(shè)計(jì)行業(yè)的傳統(tǒng)習(xí)慣確定最終材料。

3）試錯(cuò)—錯(cuò)誤法選材。試錯(cuò)—錯(cuò)誤法選材也就是設(shè)計(jì)師經(jīng)常提到的“炒菜法”，又被稱作為“配方法”，一直用以研究和開(kāi)發(fā)新型的工程材料。然而該方法在使用過(guò)程中需耗費(fèi)大量的人力、物力及財(cái)力資源，并且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)。隨著當(dāng)今社會(huì)新型工程材料的開(kāi)發(fā)速度的不斷加快，該方法將會(huì)被淘汰。

2.2 半經(jīng)驗(yàn)選材

半經(jīng)驗(yàn)選材是將工業(yè)設(shè)計(jì)師已有的選材經(jīng)驗(yàn)、習(xí)慣和工程材料相關(guān)專業(yè)知識(shí)進(jìn)行有效結(jié)合，按照一定的科學(xué)方法和步驟進(jìn)行選材。該方法要求設(shè)計(jì)師對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品所用材料有充分地了解，一般將其分為類(lèi)比法選材和篩選法選材兩種。

1）類(lèi)比法選材。類(lèi)比法選材是以同類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品所用工程材料為依據(jù)，針對(duì)不同規(guī)格、不同尺寸產(chǎn)品用材進(jìn)行對(duì)比分析的方法。該方法是在能夠保證產(chǎn)品性能及需求的前提下進(jìn)行有目的的選材，在選材過(guò)程中能夠做到對(duì)比分析。然而，類(lèi)比法選材對(duì)設(shè)計(jì)師在材料學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)提出了更高的要求，因此選材結(jié)果與設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)水平存在直接關(guān)系。

2）篩選法選材。篩選法是設(shè)計(jì)師根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)和對(duì)各種工程材料初步了解后，先確定若干種候選材料，然后再根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和功能需求對(duì)所選材料進(jìn)行綜合考察的選材方法，其是設(shè)計(jì)人員最常使用的方法之一。

2.3 現(xiàn)代選材

1） 數(shù)據(jù)庫(kù)輔助選材。工程材料經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其選材方法已逐步以定性分析為主的傳統(tǒng)選材方法過(guò)渡到以定量分析為主的現(xiàn)代選材方法。該方法主要是通過(guò)建立與設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)并對(duì)搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢及處理，從而更好地輔助設(shè)計(jì)產(chǎn)品的選材。

2） 專家系統(tǒng)選材。大數(shù)據(jù)和人工智能的結(jié)合被稱為“第四次工業(yè)革命”，其核心部分為實(shí)現(xiàn)推理過(guò)程并對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行求解，按照一定的推理過(guò)程進(jìn)行選材。但由于此方法還處于逐漸完善階段，知識(shí)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)有待補(bǔ)充和更新，加之日常維護(hù)較為困難，靈活性和可擴(kuò)張性有待進(jìn)一步提高。

3）綜合評(píng)價(jià)法選材。綜合評(píng)價(jià)法是通過(guò)構(gòu)建多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而得到一個(gè)綜合指標(biāo)用以反應(yīng)其整體情況的方法，是統(tǒng)計(jì)方法家族的一個(gè)重要組成部分。該方法的具體步驟首先通過(guò)初步篩選得到候選材料，其次進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及處理，最后確定候選材料的優(yōu)劣順序，可為設(shè)計(jì)人員選擇最佳工程材料提供重要指導(dǎo)。

3 工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中工程選材的影響因素

需求決定了工程材料的存在價(jià)值，也決定了工業(yè)設(shè)計(jì)存在的必要性。因此，從工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域需求出發(fā)對(duì)影響工程材料選材的影響因素分為以下四個(gè)方面：

3.1 功能性需求因素

消費(fèi)者對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能需求通過(guò)產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)得以體現(xiàn)，工程材料便是工業(yè)產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的物質(zhì)基礎(chǔ)及載體。因此，需要在滿足用戶生理、心理雙重需求的前提下進(jìn)行選材。

1）安全性需求。安全性是工業(yè)產(chǎn)品必須具備的基本功能及原則，工程材料的選擇必須按照設(shè)計(jì)需求進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化選擇，同時(shí)還要預(yù)測(cè)并考慮各種潛在的危險(xiǎn)及隱患。

2）審美性需求。審美性需求是用戶內(nèi)心的感受，是心理活動(dòng)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)品的一種感覺(jué)。工業(yè)產(chǎn)品的外觀在很大程度上取決于所選材料的特征，如對(duì)稱性、平衡性及有序性等。因此，工程材料的選擇對(duì)產(chǎn)品外觀的影響是選材過(guò)程中必須考慮的重要原因。

3.2 技術(shù)性需求因素

工業(yè)設(shè)計(jì)中工程材料的選擇與其加工制造工藝關(guān)系密切。為了確定最終產(chǎn)品的功能需求，材料需經(jīng)受主要的成形過(guò)程（鑄造和鍛造）、材料去除過(guò)程（機(jī)械加工、鉆孔）、連接過(guò)程（焊接）和精加工過(guò)程（涂漆或電鍍）。產(chǎn)品功能會(huì)影響工程材料的選擇，材料選擇通過(guò)材料的鑄造、成型、焊接或熱處理能力來(lái)影響工藝。此外，選材過(guò)程中也要考慮相應(yīng)的環(huán)境因素，如溫度、濕度、光照及噪音等外界條件。

3.3 經(jīng)濟(jì)性需求因素

經(jīng)濟(jì)性是指所選材料應(yīng)有利于降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期以促進(jìn)平衡高效的生產(chǎn)模式。在確?？捎眯院蛯?shí)用性能的前提下要求工業(yè)產(chǎn)品使用性價(jià)比高的工程材料，用于縮短產(chǎn)品生命周期總成本以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，從而使設(shè)計(jì)產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中保持優(yōu)勢(shì)。

3.4 環(huán)境性需求因素

隨著全球制造業(yè)工業(yè)化的不斷推進(jìn)和演化，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重破壞。因此，設(shè)計(jì)師在選材過(guò)程中必須充分考慮影響環(huán)境的需求因素。在選材過(guò)程中應(yīng)在滿足產(chǎn)品功能及用戶需求的前提下盡量選擇易處理、無(wú)污染及可回收的綠色工程材料;對(duì)于易產(chǎn)生噪聲的產(chǎn)品應(yīng)使用具有柔性纖維網(wǎng)狀吸聲材料以降低噪聲污染;對(duì)于易分解、易消耗的產(chǎn)品在選材方面應(yīng)通過(guò)必要的降低能耗、節(jié)約減排等手段提高工程材料的使用壽命及效率。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)設(shè)計(jì)是將創(chuàng)新的理念及市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品的過(guò)程，工程材料是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)庫(kù)等現(xiàn)代研究方法以大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)，正在逐步替代人工選材等傳統(tǒng)方法，為工程材料在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供了新的思路。此外，影響工業(yè)設(shè)計(jì)工程材料選擇的因素眾多，設(shè)計(jì)師只有充分考慮各個(gè)因素并了解工程材料特性、加工工藝等，并熟練掌握工程選材方法，才能為工業(yè)產(chǎn)品選取最佳的工程材料。