电子产品结构设计精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇电子产品结构设计范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

关键词:模态仿真分析;航天电子产品;结构设计;ANSYS

中图分类号:TB115

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)09-0307-03

1 航天电子产品力学特点

航天电子产品结构的功能是维持设备的外部构型,提供内部电路板组件、独立的元器件及模块的安装空间,满足安装要求,确保在各种受载条件下元器件、组件的安全,其中力学设计是结构设计中最重要的内容之一。

航天电子产品所承受的载荷根据其力学特性可分为静载荷和动载荷,通常静载荷可以通过采取适当措施减小其影响。动载荷则比较复杂,航天器在地面到发射、进入轨道和返回地面的各阶段工作状态下要经受各种环境条件,都属于动载荷范畴,下表是航天器飞行过程中的动态激励特性。

POGO:液体火箭发动机的液体输送系统与火箭结构之间的液固耦合现象。

动载荷中的高频部分容易衰减,低频部分则不容易衰减,如果航天电子产品中的元器件或结构组件的固有频率与上述动态激励的频率相同,则容易引起共振,发生事故,所以航天电子产品的结构设计过程中必须尽量提高整体的基频。

模态分析的目的是确定航天电子产品结构的动态特性(固有频率和振型)。因为它一方面可以避免与电子元件及控制元件的频率共振,另一方面是其它动力响应分析的基础,为结构设计选型提供依据。

2 航天电子产品结构设计流程

航天结构设计的一般流程如图1所示。其中一个数值分析验证和试验验证两个反馈环节,其中的力学分析就包含模态分析,但此时模态分析的目的是检验详细设计后的结构是否满足基频的要求。一般从总体设计到详细设计中间环节往往凭设计人员的工程经验,如果到详细设计完成后的力学分析中发现问题,则需要重新进行详细设计,甚至可能需要对总体设计的进行更改。

同时,由于模态分析可以使用比较简单的模型,使用有限元分析便可得到结构的固有频率,需要的代价很小,且在结构详细设计之前增加一项模态分析能有助于结构的选型,可以提前发现问题,有效的减少结构设计的反复,并能为详细力学分析提供初始数据。结合实际工作提出如下结构设计的优化流程,具体如图2所示:

下文就通过一个实例来分析总体设计阶段增加模态分析的对于航天电子产品设计的重要作用。

3 模态分析理论基础

有限元的基本思想是将弹性体离散成有限个单元,然后据各单元节点的位移协调和节点力平衡,其动力学基本方程:

由于一般结构阻尼对结构的固有频率和振型影响极小,所以,求结构的固有频率和振型时,直接用无阻尼的自由振动方程求解,即:

因任意弹性体的自由振动都可分解为一系列的简谐振动的迭加:即结构上各节点位移为:

δ0为节点位移振幅向量(即振型),与时间t无关的位移幅值;

ω为与该振型对应的频率。

将节点位移代入动力方程,化简得广义特征值问题:

上式称为结构的特征方程。设计结构的自由度为n,则特征方程为ω的n次代数方程,其n个根称为特征值,记为ω21,…ω2n。

它们的平方根称为系统的固有频率,即ωr,r=1,…n

将这些固有频率从小到大依次排列为ω1≤ω2…ωn

最低的频率ω1称为基频,它是所有频率中最重要的一个。

对于有n个自由度正定系统,就得到ω2的n个大于零正实根。振型就是任一阶固有频率作简谐振动时,各频率对应的n个振幅值间所具有确定的相对比值,表示系统有一定的振动形态。由于篇幅所限其具体方法本文不再赘述。

4 模态分析应用实例

航天电子产品中电路板形状的选择是一个比较常见的任务,也是电路设计、结构设计和可靠性设计的基础。下面将就某仪器的三种电路板方案进行分析,来说明模态分析在结构选型过程中的应用。

4.1 有限元建模

本文模型建立过程中对其忽略电路板和元器件细节,在ANSYS有限元软件平台上,假设有效载荷和模块结构质量均匀分布。本文结合实际,选择三种面积基本相当的电路板形状作为备选,具体情况如下:

方案A的电路板为正方形,其对应的箱体为薄的、底面为正方形的箱体,如图3所示。

图3 方案A电路板外形和其可能对应的箱体外形图

方案B电路板选择为长方形,其对应的箱体是薄的、底面为长方形的箱体,相对于方案A,其特点是减小了面板面积,增加了长度,如图4所示。

图4 方案B电路板外形和其可能对应的箱体外形图

方案C则选择两层电路板布线,通过四颗支柱连接,其对应的箱体是比A、B两个方案高的正方形箱体,但减小了底面积,如图5所示。

三种方案各有优缺点,在没有其它设计约束的情况下,电路设计人员和结构设计人员要凭经验选择一种方案作为设计的输入,本文试图通过对三种电路板的模态分析试图找出其中的优劣,进而做出选择。

4.2 模态仿真分析

在ANSYS软件中我们利用3D-Elastic Shell 63和3D-Elastic Beam 4单元对电路板的连接杆进行模拟。输入实常数及材料常数,以Smartsizing网格密度的方式。电路板材料采用环氧酚醛层压玻璃布板,电路板连接结构采用2A12硬铝。

由于主要影响系统结构是最低几阶的固有频率,本例中我们取前5阶固有频率进行计算,具体计算过程从简,由于经过了适当简化,普通配置的台式机的计算时间一般只需要几秒钟。在相同的边界条件和物理属性参数的情况下,经过仿真计算,获得了三种不同方案的电路板结构的固有频率和振型,三种方案的基频和振型结果分别见表2,三种方案的第一阶振型和应力云图分别见图6、图7和图8。

4.3 模态分析结果

上述结果可以看到,方案A的固有频率最小为221.03Hz,方案B的固有频率最小为187.02Hz,固有频率均大于100Hz,且均未出现应力集中的情况均能符合要求。分析结果显示出正方形电路板方案的固有频率更高,对结构

设计更加有利。如果仅从模态分析考虑,电路板形状应该

选择方案A,且箱体选择薄的、底面为正方形的结构,如图3所示。

方案C的最小固有频率为23.10Hz,基频太低,与表1中动态激励中的低频部分重叠较多,容易引起共振而破坏系统结构。且方案C的产生的应力比前两个方案大,并且出现了应力集中的情况,薄弱环节出现在4根支柱的连接处,有可能在上下两层电路板的这8个点对造成直接的破坏,换句话说,要采用方案C则需要对两电路板进一步加固,或改为其他的双层固定方式,并同时解决固定支柱位置的应力集中问题。

4.4 讨论和说明

关于以上分析,还有以下几点需要总结和说明:

(1)通过上文分析,可以得出,方案A最优,可以作为下一步结构设计的输入,如果必须选C则应该另选其他的支撑形式,并且还要对连接处做进一步分析,处理好电路板上应力集中的问题;

(2)采用模态分析对航天电子产品结构选型有一定的指导意义,能从大量的方案种找出可能比较合理的方案,并为详细设计后的力学分析提供了初步的分析依据;

(3)模态分析仅仅是航天电子结构动力学分析的一种,也是其他动力学分析的基础,故模态分析数据良好并不能说明其他动力学分析可以忽略。反之如果模态分析出现问题,则必须认真分析结果,并采取措施提高基频;

(4)计算的时候仅考虑了电路板,忽略了元器件的重量和分布,忽略了电路板上覆铜层的特点,所以计算结果与实际可能有一定差别,但计算结果能对定性的分析构型的优劣提供可靠依据,对结构选型有一定的参考价值。且计算固有频率和振型结果,没有考虑阻尼等因素,还需进一步仿真分析修正和模拟空间环境模态分析试验验证。

5 结束语

航天电子产品结构设计过程中,使用有限元分析方法进行初步的模态分析可较方便的得到某一构型的基频和振型,为判断结构的优劣提供了依据,可以给电路设计和结构设计提供了初始的输入,也为进一步动态仿真分析和模拟空间环境模态分析试验验证提供了依据,由此可以看出,在总体设计阶段增加简单的模态分析可以以很小的代价获得最终产品的大致评价,对初始设计阶段的选型有一定的指导意义,可以减少设计的盲目性,可以改进航天电子产品结构设计流程。

参考文献

篇(2)

引言

电子产品整体包装设计中，首先要考虑实际工作需要，进行设计需求分析。需求是电子产品整体包装设计首要解决的问题，只有在明确需求的前提下，结合工作需要，然后合理设计系统结构。从而更好为各项工作水平，促进工作水平提升，让电子产品为各项工作提供有效服务。

1电子产品整体包装设计的需求

设计需求是电子产品整体包装设计前首先要明白的内容，对后续设计和开发工作发挥指导作用，具体是指对电子产品在性能、行为、功能、设计等方面的期望。需求分析的目的是阐述设计的目的及意义，为电子产品设计和实现提供指导。计算机技术在设计中的应用，不仅推动管理现代化，还能提升管理水平。尤其是在电子产品整体包装设计工作中，更需要开发相应的设计系统，顺应这种趋势，对相关数据进行有效处理，促进管理水平提高。同时在设计过程中，还要考虑系统的可扩展性以及与其他系统的兼容性，为系统升级和更新创造良好条件。电子产品整体包装设计中应该进行综合全面考虑，应用信息技术和互联网技术，进行设备管理、系统管理、用户管理等各项功能操作，为电子产品应用，学习相关知识创造条件。总的来说，电子产品整体包装设计应该具备以下几项功能：注意收集管理员的管理经验，系统具备让管理员与用户互动的功能，采用科学管理模式促进系统管理效率提高，系统涵盖电子产品的大部分管理工作。在具备这些功能的前提下，合理进行电子产品设计，促进管理工作水平提高，为电子产品整体包装设计水平提升创造便利。

2电子产品整体包装设计的原则

为提高用户综合素质，培养用户动手操作能力和实践技能，更好适应工作岗位需要，重视电子产品整体包装设计是十分必要的，能为这些目标顺利实现提供保障。包装设计能服务各项工作，以方便管理，实现资源共享，利用数据库技术、信息技术、现代管理理念、网络等，构建有效的系统，满足电子产品整体包装设计需要，更好服务于管理和学习的各项工作。电子产品整体包装设计的原则包括以下几项。2.1包装成本最低原则。为节约成本，降低使用的费用，整体包装应该采用系统工程思想，避免浪费现象发生，满足电子产品需要，提高整体包装设计水平。要注重对设计进行价值分析，有效满足客户需要。包装综合成本包括包装生产、使用、流通成本。应该加强设计工作，重视每个环节的管理，努力节约成本，防止资金出现超支现象。2.2包装材料节约环保原则。选用绿色、节能、无毒、无污染的材料，通过选用节能环保型材料，不仅能满足整体包装设计需要，还可以实现包装材料的无毒化，便利人们使用，有利于人们的身心健康。要避免出现过度包装现象，节约资源，降低不必要的损失，并保护周围环境。还要减轻包装制品的重量，方便装卸和运输，节约流通成本，避免资金出现浪费现象。2.3包装可重复利用原则。注重材料和制品的重复和循环利用，降低材料费用，节约设计成本。在整体包装材料性质的选择和利用上，必须采用可重复和可再生利用的材料，落实绿色节约理念。如果材料难以循环利用，那么也要选用可降解材料。这样在产品使用之后，能够对其进行降解和处理，避免污染周围环境。

3电子产品整体包装设计的策略

在落实设计原则，有效指导产品设计的前提下，还要注重相关策略应用，促进电子产品整体包装设计水平提高，使其更好发挥作用。3.1包装材料选择。常用材料为聚苯乙烯发泡塑料、聚氨酯发泡塑料、瓦楞纸板、蜂窝纸板等。综合考虑材料的性能、价值、产品重量大小等，结合电子产品使用环境，合理选用材料。3.2包装结构设计。先分析和测试产品的易损伤部位，对关键部位缓冲防护。考虑产品结构特性、尺寸大小、重心位置、外部形状、产品外壳材料等，确定电子产品的缓冲和关键部位。包装结构常用局部缓冲法，结构形式有天地盖、左右套、四棱结构、八角衬垫等。根据电子产品性能合理选用，实现对产品的保护。3.3包装测试。包括振动试验和跌落试验，严格按要求试验和检测，确保电子产品性能良好。将电子产品固定在振动架，试验频率10-55-10Hz，单振幅0.35mm，每个周期5min，在外包装箱长度、宽度、高度上各做10min。然后进行“一角三棱角六面”跌落试验，可按自由落体方式跌落，或跌路在试验机上，确保跌落在水泥地或钢板台面。开箱检验电子产品，如果外形没有受损，功效正常，则测试通过。3.4包装运输。合理确定最佳运输路线，确保运输工具之间匹配，实现产品包装和物流尺寸的标准化和集成化，方便产品包装和运输，还有利于确保电子产品安全，促进其性能有效发挥。科学设计物流路线，节约运输成本，提高产品整体包装性能，确保产品供应及时到位，还有利于节约产品存储费用。合理选择存储和运输设备，实现对电子产品的保护，加强防护工作，避免在运输过程中电子产品结构受损。3.5包装回收再利用。设计中必须考虑整体包装的综合性能，提高其回收与可再生利用性，降低不必要的损失，促进产品作用的充分发挥。要合理设计产品，减少包装材料，节约成本，防止出现环境污染现象，进而实现对周围环境的有效保护。

结束语

篇(3)

外观设计是电子产品设计的重要方面，也是电子产品是否能受到公众认可的直接感受。通过大众心理调研，结合电子产品功能需求，制定电子产品外观的原则与方法，是保障电子产品科学性、创新性以及现实性的前提。目前，电子产品外观设计软件及新的方法途径层出不穷，除了相关的电子产品专用设计软件外，具有丰富图像图形处理功能的软件，在电子产品设计中发挥着愈来愈大的作用，MATLAB、AUTOCAD、3DMAX以及一些地理信息系统软件也在电子产品设计的多维呈现及空间表达方面，发挥着积极作用。无论电子产品如何设计，除了需要考虑3D空间造型艺术等因素外，还必须考虑产品的外观与功能友好结合的特征。具体而言，电子产品外观的整体与协调性，外观与环境的适应性以及外观与安全性等，均是创意及设计过程需要充分考虑的。符合时代特征的产品，才会受到用户的喜爱。电子产品在其外形演变的过程中，可以清晰地体味到科技以人为本的原则。同时，结合当今电子产业的现状，提出对未来电子材料及市场发展趋势的探索与展望，无疑具有重要的前瞻性与现实的必要性。

1.电子产品外观设计的主要特点

目前，电子产业的发展已经进入了一个新的发展阶段，基于各类电子产品设计的新颖创意层出不穷。特别是随着人们对电子产品功能要求的日益提升以及大众审美观念的不断增强，人们对产品的要求已不满足于其实用性及可靠性等方面，人们更多地是对于产品外观、材质、工艺乃至色彩感觉、富于个性等方面的多样化要求，在这些需求的催动下，越来越高的审美要求成为电子产品的内在特征之一。在电子产品外观设计中，令人喜爱的外观一定对于产品营销推广是非常有益的，随着绿色、环保、低碳理念的不断普及，基于仿生学原理的外观设计更能在审美情趣方面给人以美的享受，并在一定程度上能起到形象、逼真、有趣、生动、简捷、美观等多种作用。同时，在电子设计产品外观时，其外型的尺寸、色彩、指示视觉系统要给人们明确易懂的操作感受，满足人们在选择电子产品时更多的对外形的大小，色彩的冷暖明暗度，以及人体工程学的要求，突出电子产品与人的亲合力。随着社会的进步，特别是低碳环保以及绿色经济理念的逐渐深入人心，人们的消费理念与审美情趣发生了变化，现代电子产品的外观设计也是愈加趋向个性化与绿色化。纵观以前的产品，主要是以实现其基本功能为目的，而忽略了外观对用户购买所产生的影响，提供给用户选择的款式较少，单调而显得古板。现在除了基本功能配置选择外，还有多种性格倾向选择，结合了色彩学和心理学在外观方向对用户的购买倾向进行了拓宽，使有更多的选择空间，而丰富的外观造型变化能适应不同职业、不同人群的审美喜好。电子产品外观设计需要展现的主要内涵是人体工学的因素和产品的美学含义。电子产品在一定程度上是满足大众不同需求的现代信息技术产品，作为产品外观造型设计则必须满足用户的使用需求。电子产品外观设计不是简单的借鉴与模仿，而是需要用理性的逻辑思维来引导感性的形象思维，针对具体问题提出一系列解决方案。通信技术和数字技术的发展日新月异，人们的需要也愈加难以琢磨和难以满足，对电子产品的外观设计提出了更高的要求。设计及生产具有时尚化、个性化、人性化和娱乐化的电子产品，在丰富娱乐生活的同时其功能和外观上能达到平衡和统一，是人们所追求的重要目标。同时，电子产品设计者与使用者是互动的，两者之间不可分割。电子产品设计者对使用者起着理念传播及引导的作用，而电子产品使用者的艺术修养及审美情趣，又在一定程度上能够激发设计者向更高更新更时尚的方向发展，并在一定程度上促进设计的内容与形式在艺术层面上得到完美的统一。也就是说，在这种背景下设计会越来越有文化品位，也会越来越人性化。

1.1外观形态与功能的一致性及协调性的统一

电子产品的设计在一定程度上而言是一门艺术。浮华的外观设计并不能带来好的用户体验，反而会起到反效果，理想的电子产品的外观设计要给使用者带来愉悦的身心体验。电子产品的外观设计是为了能让用户体验变得更美好的初衷，应当建立在使用户身心愉悦的基础上。电子产品和人们的日常生活密切相关，因此，要实现科学合理的外观设计，就需要在创造令人舒适的产品外观方面不断地努力与探索，力求为人们创造更为舒适与更为美好的工作与生活的人性化设计，并协调好产品外观的新颖性与技术性以及电子产品功能的关系，追求外观特征与功能协调统一的目标。总之，电子产品外观设计还应当适应现代社会多元化的客观需要。

1.2产品外观人性化与艺术性的统一

现如今人们对于产品功能和性能提出了更高层次的要求。为了顺应和满足用户需求，将人性化的设计应用到了电子产品开发中。人性化重要表现特征是个性化，电子产品研发与设计人员应针对不同的使用人群、不同的使用环境以及电子产品的定位，进行多要素的精细化分类，不断创新出方便用户的电子产品。电子产品外观设计应在一定程度上彰显人性化与艺术性完美结合与和谐统一。电子产品形态自由度空前广阔，电子市场竞争也推动了电子产品外观的创新程度，起最终决定作用的是使用者的特定需求或是唤起用户对电子产品功能的联想，或是方便使用者的使用，或是引发使用者的亲切感，由于每个使用者都是特殊的个体，人性化与艺术化的最终体现应包含对个体需求的满足。

1.3产品实用性与先进性的统一

实用性作为外观设计的首要原则，反映设计师对产品外观设计的把握程度，首先要满足方便、高效、安全的要求，实现其功能是电子产品外观设计的主导思想，决定着电子产品实用性与先进性的方向。同时，还必须符合广大使用者健康的审美观和习俗爱好，过于夸张个性的外形或者浮夸的色彩搭配反而会造成用户的反感。不能使电子产品成为华而不实的形式主义产物，也不能只是单纯地看重实用功能而忽略掉其他的方面。缺乏实用性只注重外观设计，与电子产品设计的初衷背道而驰，而华而不实的设计除了会增大产品的生产成本外，同时还会给市场营销造成负面效应。因此，电子产品在追求当今社会对外观的需求的一般性理念背景下，同时还必须充分保留电子产品的现实用途。

1.4产品时尚性与时代感的统一

产品外观的创新最主要是立足时尚信息的同时并符合当代社会审美的需求，创造富有时代气息的产品，除了为生产者赢得更多的市场外，还能够带动电子产品领域的创新性变革。电子产品设计的外观新颖、完美、健康、和谐，才能促使使用者在感受到美感的同时欣赏到美好的设计。目前，市场竞争的日益激烈，产品更新的速度也越来越快，外观上也要求不断地更新来适应市场的需求与发展。企业需要加快产品外观设计创新的速度，使产品体现时尚性与时代感的完美统一，才可能满足和带动使用者不断变化的需求。电子产品风格是一个国家物质文明和精神文明的共同体现，是社会化生产与社会进步的有机结合，也是历史文化与人文地理特征的重要体现。创新出有着本国审美取向和文化特点的电子产品以及加强产品创新和追求风格体验是未来电子产品发展的方向。

2.电子产品外观美学设计的一般思路与方法

电子产品的外观设计需要设计师对当代的外观趋势有准确的把握，从大众电子产品的外观形态创造出新颖的外观，基于美学理念，把产品功能信息、文化历史信息、人文审美情趣及生产工艺水平等有机结合起来，设计合理科学的电子产品外观形态。事实上，基于各类信息及外观数据，设计者就可以进行3D建模，通过整体外观设计，拆分零部件，每个子零件的结构设计等过程，实现总体电子产品的创新性外观设计。在具体的电子产品设计过程中，人们从各类众多的产品中梳理总结出了多种方法，其中元素化设计法、功能化设计法，以及集成化设计法等是常用的电子产品设计方法。特别要提及的元素化设计法是将客观需求作为电子产品功能构思、元件设计、线路规划、动作控制等依据，并重点从电子产品开发的宏观理念到微观过程，根据功能特征，将客观需求信息有效地转换为电子产品开发各阶段的技术目标和操作规程的方法。现在的电子产品设计和以往已经发生了翻天覆地的变化，以往传统的设计逐渐的被新技术所取代。具体而言，电子产品设计者把整个电子产品设计视为由若干个元素组成的系统，每个元素既有一定的独立性又具有密切的联系，将所有的元素进行整合也就是局部到整体的过程，最终通过各元素的协同与耦合，从而实现设计系统的一体化。集成化设计方法是运用计算机能够识别的语言对电子产品的特征的进行描述，建立相应的知识库及推理机制，再利用已储存的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计；现实实施过程中，可以利用CAD和3Dmax等相关软件来实现，建立知识库即根据功能将电器元件进行分类，并利用代码描述功能和元件类别。随着技术的发展，把3D打印的理念融合其中，更能符合未来电子产品设计与生产的创新思路。

3.主要结论

3.1合理科学的外形设计是电子产品使用的客观要求

现代电子产品类型多样，为了迎合用户对新颖外观追求的需要，现在的电子市场不乏出现了很多匪夷所思的外观产品。把握电子产品设计的原则，不能凭空臆造，同时产品的外观要有内涵，其外型的尺寸、色彩、指示视觉系统要让人明确易懂。操作界面要简单明了，操作方式简便易懂而且要符合人体工程学的要求，突出与人的亲合力。

3.2美学原理与功能协调原理是电子产品设计的重要基础

在电子产品设计中，产品外观设计的美学特征与功能是协调统一的，电子产品结构造型及外观比例、色彩设置等诸多要素的有机结合，体现了电子产品的内涵特征，它们贯穿于电子外观设计的整体过程中。

3.3材料科学的发展有利于设计低碳节能及绿色环保产品

篇(4)

关键词： 复杂电子产品； 三维装配工艺技术； MBD； 可视化

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0081?02

装配是制造业的主要活动，形成产品生命周期的重要环节[1]，在电子行业结构复杂的产品，装配工时和费用大概占用总费用的40%～60%，三维CAD/CAM软件因其本身强大的功能，成为企业应用的主流趋势。三维数字化设计和工艺可实现全机规模的三维数字设计、预装配合动静态数字协调，计算机辅助设计和制造并行，缩短了研制周期，提高了设计质量[2]，然而数字化装配工艺技术相对于三维零件设计和加工的发展明显滞后，成为企业提高生产效益和产品质量的瓶颈[3]，因此数字化装配工艺技术的发展成为亟待解决的关键问题。

1 需求现状

雷达等复杂电子产品三维装配工艺设计主要实现2个方面的目标：

（1） 对产品总体装配工艺设计进行有效验证；

（2） 利用可视化的作业指导书，有效地指导生产现场总装[4]。

目前在复杂电子产品制造业普遍存在以下问题：

（1） 工艺与设计缺少协同。工艺和设计不在同一平台，没有同一个数据源，设计EBOM无法自动集成，数据需要转化，工艺只能被动等待，无法尽早进入到产品设计阶段和避免出现设计模型工艺性差的问题。

（2） 装配工艺设计仍然采用传统的二维方式表达，上游设计产生的三维数字模型没有得到充分利用。就目前装配工艺设计本身来说，大多数企业还是依靠传统的二维装配图纸和装配工艺规程卡片进行工艺设计，首先由工艺设计人员设计图纸及经验想象出三维装配空间、设计装配顺序，并用二维工艺过程卡片表达出来。然后由装配工人照工艺设计人员设计的二维数据理解装配顺序及要求，在大脑中再次构建出三维装配过程，因此，整个产品装配的环节与工艺设计人员和装配工人的技术水平和工作经验关系过于密切，不能充分利用和继承设计产生的三维CAD数据，难以保证工艺设计的规范性、标准化和最优化[5]。

（3） 装配进度不易控制，装配周期不易保证。由于目前的工艺设计环境不具备三维工艺验证能力，致使装配过程中是否存在干涉、装配顺序是否合理、工艺装备是否满足需要、操作空间是否开敞等一系列问题只有到了生产试制阶段才暴露出来。从而使装配周期不易保证，严重影响了复杂电子产品研制的进度和质量。

（4） 一些复杂產品的裝配，因为缺少可视化的三维动态装配过程，不便于装配工人使用和理解。在目前大多数企业的现场装配，工人主要依靠二维图纸和工艺过程卡进行装配操作，对于一些复杂產品的装配来说，因为缺少可视化的三维动态装配过程，工人理解起来往往会有一定难度，有时还会产生歧义[6]。三维装配工艺可视化技术为装配工人提供一种可预先验证的、易于理解的可视化指导平台，使装配工人直观理解，减少了操作错误，提高产品装配生产效率、降低产品成本、为企业赢得竞争优势。

2 系统体系结构

三维装配工艺设计流程分为产品设计、装配工艺设计和制造3个阶段。在产品设计阶段，首先由设计人员和工艺人员建立零部件和工装模具的三维数字化模型，并对模型数据进行转化，获得三维装配工艺仿真、规划与管理系统中所需的轻量化数据模型。在装配工艺设计阶段，工艺设计人员根据产品装配模型提供的信息，进行装配序列规划，得到产品的最佳装配顺序，在三维环境下进行工艺规划和仿真，选取合适的工装工具和装配方法，最终输出优化的装配工艺方案， 所形成的三维装配工艺通过PLM系统进行审签。在制造阶段，利用可视化工具和网络环境将装配仿真验证文件、三维工作指令和工艺设计文件等工艺信息导入到企业ERP系统，车间装配人员可以一边观看产品的装配过程仿真画面，一边进行实际装配。从而提高装配效率和准确性，其系统结构如图1所示。

3 系统关键技术

实现三维装配工艺需要以下关键技术上取得突破。

3.1 基于MBD的数字化定义技术

MBD将设计、制造、检验、管理信息融入一体，目前被航空行业普遍认同为解决数字化设计制造的关键技术之一[7]。MBD 技术改变了以往同时依据二维工程图纸和三维实体模型来设计产品装配工艺和零件加工工艺的做法[8]。在MBD的技术体系中，MBD数据集的内容包含设计工艺、制造、检验等各部门的信息[9]，以三维数模完全替代二维工程图纸，成为数字化制造过程中的唯一依据。工艺人员在MBD 的工艺设计规范的指导下，读取来自上游结构设计信息，并将轻量化、完整化，这是进行三维装配工艺设计和进行产品装配仿真的前提，直接依据三维实体模型开展三维工艺设计给整个产品中的工艺设计工作带来一次全新的变革。

3.2 人机交互环境下三维工艺规划及仿真技术

装配规划和仿真技术是装配过程的重要环节，装配顺序和装配方案直接关系产品的可装配行、装配质量和装配成本[10]。依据数字化装配工艺流程，建立三维数字化装配工艺模型，通过装配现场可视化技术建立与产品装配相似的数字化虚拟装配环境，在工艺工作开展的同时及产品实物装配之前，按照确定的装配工艺流程进行数字化模拟仿真，在装配时进行零件与两件、零件与工装的干涉检查；通过对产品装配拆卸过程的仿真，验证装配顺序设计的合理性；模拟操作者的操作过程以便发现操作空间大小是否满足装配需要，操作者身体或肢体能否到达装配位置等问题，并将这些仿真结果通过仿真报告提交产品设计、工装设计等进行优化。

3.3 三维装配工艺可视化技术

三维装配工艺可视化技术是把产品设计信息、制造资源信息和工艺设计信息整合起来以数字化的形式传递到车间现场，并展示出来的方法。操作者能够采用该技术读取三维工艺信息、工装工具信息、三维仿真动画、装配产品结构等信息，最终形成三维数字化工艺展示，使工人能够准确、迅速地查阅装配过程中需要的信息。减少了由于操作者理解不透彻带来的质量问题。

4 结 语

随着电子行业的发展，产品的装配复杂性日趋大型化、复杂化，数字化装配成为趋势。同时，无纸化与制造已经成为制造业发展的主流趋势，三维装配工艺设计的实施实现了复杂电子产品三维装配工艺规划、装配过程的三维仿真和装配过程的可视化，减少了现场设计更改率和装配返工率，缩短了装配周期，提高了装配质量和装配效率。为企业提升核心竞争力奠定坚实的基础。

参考文献

[1] 吴欣.三维装配工艺技术在雷达装配中的应用研究[J].电子机械工程，2012（8）：56?57.

[2] 陆江峰.装配制造业三维数字化制造工艺解决方案[J].现代制造技术与装配，2012（4）：59?62.

[3] 蔡虎.基于3DVIA的虚拟装配工艺实施方案研究[J].航空制造技术，2013（6）：80?81.

[4] 苏朋.三维辅助装配工艺规划（3D?CAPP）系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2005.

[5] 孙刚.基于三维模型的卫星装配工艺设计与应用技术[J].计算机集成制造系，2011，11（17）：2343?2344.

[6] 冷毅勋，代正会，赵轶，等.DELMIA 数字化装配工艺设计与过程仿真流程[J].中国制造业信息化，2012（1）：40?41.

[7] 冯潼能.MBD技术下的协同与管理进化[J].中国制造业信息化，2011（7）：25?26.

[8] 郭具涛，梅中义.基于MBD 的飞机数字化装配工艺设计及应用[J].航空制造技术，2011（22）：62?64.

篇(5)

关键词： 叠层结构； 热应力； 流体动力学； 有限元； Abaqus

中图分类号： TB115.1文献标志码： B

引言

随着工业技术的发展，电子产品在体积基本保持不变的情况下，功率有显著增加，器件的散热量也增大.为保证电子产品工作的可靠性，如何散热成为重要的问题.从电子产品结构分析来看，需要做2个方面的工作，其一是了解在极限工作温度状态下结构所产生的热应力分布；其二是采用风扇强制散热时，叠层结构的空气流动情况.Abaqus有限元软件不仅可解决相对简单的线性问题，也可用于许多复杂的非线性问题.[1]Abaqus包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库，并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料.[2]作为通用的模拟工具，Abaqus除能解决大量结构（如应力位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学（流体渗透应力耦合）分析及压电介质分析等.[3]采用有限元软件Abaqus的Standard模块，针对叠层器件结构，建立热应力有限元模型；采用Abaqus的CFD模块，建立流体动力学有限元模型；最后根据上述2个模型的计算结果，分析产品热应力和空气的流动情况，为结构设计提供依据.

1叠层结构的热应力有限元分析

某型叠层器件结构由4层板和3层芯片构成.设计首先要求考虑，当器件温度达到200 ℃时，该叠层器件的热应力分布.[4]叠层器件的材料参数为：芯片材料的弹性模量为131 GPa，泊松比为0.3，热膨胀系数为2.8×10-6 ℃-1；板材料为FR4，弹性模量为224 GPa，泊松比为0.28，热膨胀系数为1.8×10-5 ℃-1.为详细考察结构的热应力分布情况，建立三维有限元模型，采用8节点六面体三维实体单元C3D8R.

由于结构的对称性，取1/4结构建立有限元分析模型.为能够获得质量较高的有限元网格，首先建立多个形状简单的“Part”；然后通过“Assembly”组合成叠层结构的形状；再用命令“Merge/Cut InstancesGeometry Intersecting BoundariesRetain”将各个简单结构连接成一个整体；最后采用“ToolsPatitionCreate Partition”命令，将结构切割成可以划分较高质量网格的有限元模型.

最后获得具有8节点三维块体单元C3D8R的1/4叠层器件的有限元模型，该模型单元总数为3 395个，节点总数为4 800个.

1/4叠层结构的有限元计算等效应力云图见图1，可知，叠层结构在芯片和板两种材料的结合部位应力较大，特别是在两种材料连接的角点位置应力最大（见图2）.

图 11/4叠层结构的等效应力云图

图 2两层材料边界的等效应力曲线

根据上述有限元计算分析可知，采用Abaqus的Standard模块，可以对叠层器件结构进行有效的有限元热应力计算分析.本模型所采用的建模策略为：先分别建立各简单叠层器件中的简单三维几何模型，然后用“Assembly”搭接出整体结构的建模手段，比通常建模采用直接建立一个“Part”的方法，更便于把整体结构分割成易于划分网格的简单几何体，也更容易得到质量较高的8节点六面体单元.

2叠层器件流场的有限元分析

为了解叠层器件通过风扇吹风散热的情况，进行流体动力学分析.考虑到Abaqus的CFD求解器是基于混合间断有限元法/有限体积法和有限元法的求解方法，可以解决与层流和湍流相关的流体力学问题，所以使用该有限元模块对叠层器件结构进行空气的流场分析.

首先建立叠层4层板的三维有限元流体动力学模型，假设风扇在结构的一侧吹风.为了解在空气流动情况下，结构表面的空气流速情况，选择电子原件中的叠层器件，定义叠层器件表面空气流速为0，空气从叠层器件的一侧流进，另一侧流出.根据实际电子结构，选取叠层器件以及周围空间建立流体动力学三维有限元模型.为节省计算资源，仍然利用叠层器件的对称性，建立三维流体动力学对称模型.为获得质量较高的8节点六面体单元形状，在建立模型时，仍然采用“搭积木”的方式，即首先根据模型的几何形状，分别建立一些形状简单具有六面体长方形的几何模型，然后利用“Assembly”中的有关命令结合“切割”命令，获得具有高质量六面体单元形状的流体动力学有限元模型.

流体动力学有限元模型采用八节点六面体形状的FC3D8单元，共划分29 560个单元，33 302个节点.

叠层4层结构空气流场分布见图3.从有限元计算结果可知，在模拟风扇吹风散热过程中，叠层结构外表面的空气流动快，相比之下各层之间的空气流量较小.

图 3叠层4层结构空气流场分布

为更细致地观察叠层结构中板与板之间的流场情况，建立两板之间空气流动的有限元流体动力学模型，计算结果见图4和5，可知，在风扇直接吹到的表面，风压和风速较大；但在风扇吹不到的部位风速较小，说明散热较差.如果采用强制通风散热技术时，要采用多个风扇从不同方向吹风散热的方法，才能达到较好的效果.

图 4两层板之间的空气流速云图

图 5两层板之间风扇吹风产生的压力云图

通过Abaqus/CFD对叠层器件的流体动力学有限元计算分析可知，采用“搭积木”式的建模方法，尽管在建模开始时，需要详细考虑如何把叠层器件的流体动力学几何模型进行分解，但对分解好的简单几何模型进行建模、组装和搭接，以及进一步网格划分就非常简便.

由于叠层器件结构比较复杂，如果只建立一个能够详尽表述出该器件流场分布情况的流体动力学模型，将会耗费大量的计算资源和计算时间，而采用整体模型和局部模型相结合的分析方法，可以有效降低计算资源和计算时间.

比较以前求解流体动力学所采用的有限差分等方法的流体力学求解器，Abaqus/CFD求解器具有很强的求解功能，特别是在处理三维流体模型问题时，通常易于解决其他流体力学软件无法求解或者需要计算很长时间的模型，在求解功能和求解时间方面具有显著的求解优势.但是，Abaqus/CFD模块只提供三维模型的分析功能，没有一、二维分析功能，因此需要工程技术人员在使用过程中更新建模思路.例如，在其他软件中建立一、二维流体模型时，就应该考虑如何还原成为具有三维特性的Abaqus/CFD的流体力学模型.

3结束语

通过使用Abaqus/Standard和Abaqus/CFD对叠层器件热应力和流体动力学有限元分析可知，利用三维实体单元C3D8R建立的叠层器件有限元模型，可以有效计算分析结构热应力分布情况.通过分析结果知道，最大热应力在芯片和板两种材料相结合的边界部位.利用FC3D8单元建立的叠层器件流体动力学的有限元计算可知，在使用风扇通风时，叠层板之间的空气流动较器件外表面流速小，两板之间空气流速随着两板之间间隙的减小而减小.

采用Abaqus的流、固体分析方法，可以有效分析叠层器件结构的工作情况，该软件可为叠层器件的结构设计和散热提供有效的分析工具.

参考文献：

[1]庄茁， 张帆， 岑松， 等. Abaqus 非线性有限元分析与实例[M]. 北京： 科学出版社，2005： 207237.

[2]石亦平， 周玉蓉. Abaqus有限元分析实例详解[C]. 北京： 机械工业出版社， 2006： 963.

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【关键词】热循环注塑模具；关键技术；科学

前言

近年来，为满足人们对注塑产品的要求，快速热循环注塑成型技术应运而生。该技术是一种表面无缺陷！高光泽度的塑料成型技术。利用该技术，可获得表面无熔接痕、无流痕、无表面浮纤等缺陷的外观优越的塑料制品，既可取消喷涂工艺，显著减少或完全消除因喷涂造成的污染，又可节省或省去昂贵的二次加工费用，降低生产成本，实现塑料产品的绿色化生产。因此，该技术市场竞争力强，应用前景十分广阔。

一、快速热循环注塑成型的工艺原理

快速热循环注塑（RHCM）作为一种新的注塑成型技术，也可以叫做高光无痕注塑成型。是一种采用快速加热和快速冷却注塑模具及动态温控装置，并对模具温度实行闭环控制的注塑成型技术。

快速热循环注塑的工艺过程同传统常规注塑的成型周期基本一致，可分为合模、射胶、保压、冷却、熔胶、开模、制品取出等7 个阶段。不同的地方在于其可以根据各工艺阶段的特点来调整模具温度。其工艺原理是： 在一个注塑成型周期中，快速热循环注塑工艺的模具温度将在一个比较大的温度区间内波动变化。在模具的快速加热阶段，首先为了使模具温度上升到聚合物的熔点或热变形温度以上，要通过利用动态温度控制系统实现这一目标。接着，为了保证塑料熔体良好的充模状态，需要将高温维持一定的时间。下一个阶段是熔体的注射阶段，将聚合物的熔体注射到模具的型腔之中，注射和保压过程中为了防止熔体的过早冷凝，要一直使模具保持较高的温度。高压保持之后将进入冷却阶段，快速冷却已定型的聚合物熔体，将聚合物熔体温度迅速降低到塑料顶出温度以下。最后阶段，打开模具，取出注塑制品。

二、快速热循环注塑技术的主要特点

快速热循环注塑技术是目前国际上最前沿的注塑成型技术，同传统的注塑技术相比，其最大特点在于采用快速加热和快速冷却注塑模具及动态温控装置。其主要特点和优势表现在以下几个方面：

（一）高效率

在快速热循环注塑成型过程中，其工作的核心部分在于对模具温度的动态控制。在整个注塑过程中，由于采用模具的快速加热和快速冷却设备，可以在很短的时间内完成对模具的加热和冷却，减少注塑时间。因此，快速热循环注塑成型可以大大缩短注塑成型的周期，从而降低生产成本，提高产品的成型效率。快速热循环注塑可以使厚壁成型注塑周期可降低60%以上。

（二）高质量

快速热循环注塑技术采用快速加热和快速冷却注塑模具及动态温控装置，可以提高注塑产品的质量，改善产品性能。首先，快速热循环注塑工艺的高模温注塑可以有效改善熔体的流动性，有效避免熔体的过早冷凝，由于冷凝层的消失，显著提高了熔体的流动能力，降低高分子链的取向程度。因此可以极大地增强产品表面的光洁度，使塑件表面光洁度可达到镜面效果，改善塑件的表面质量，从而获得均质性更优的注塑产品；其次，可以改善或彻底消除塑件表面缩水现象，尤其是复杂微型零件应用空间大。

三、快速热循环注塑工艺关键技术

（一）注塑模优化设计技术

注塑成型制品的质量主要取决于材料性能！制品结构！模具设计和加工以及成型工艺。传统的提高制品质量的方法主要是用尝试法通过不断试模来调整工艺参数和改进模具设计，效率低下。随着计算机模拟技术的进步和智能算法及数据统计等优化设计理论的发展，将注塑成型模拟技术、模具设计方法和优化设计理论有机结合，实现成型过程和模具结构的优化是当前研究的热点问题之一。

（二）快速热循环产品结构关键部位设计

注塑产品的质量不仅与模具结构和成型工艺及其参数有关，还取决于产品本身的结构设计是否符合成型的工艺性要求。结构良好的塑件，不仅能提高产品的生产效率，还能减少产品的成型缺陷。RHCM成型工艺虽然能够消除产品表面的熔接痕、流痕等缺陷，能得到表面光泽度优越的高品质产品，但是产品表面却容易产生缩痕（Sink）且成型产品难于脱模。

（三）快速热循环模具关键部位设计研究

RHCM注塑成型过程中，模具加热的温度较高，冷却时所需的时间必然延长，欲保证产品的生产效率，势必对模具结构提出更高的要求”根据RHCM工艺及其塑件的结构特点，研究适合于Rl>CM注塑的模具结构，包括浇注系统、变温系统和其它影响成型质量的关键部件设计方法，既可保证塑件的成型质量又可提高生产效率。

（四）快速热循环注塑产品质量控制研究

目前，快速热循环注塑工艺主要应用于生产高光、无熔痕等表面质量要求较高的塑料制品，如液晶电视机前壳、数码电子产品外壳！汽车内饰等薄壳类产品。虽然快速热循环注塑技术可以提高产品的表观质量和强度，但是实际生产中发现该技术难以很好地解决制品的缩痕！翘曲变形以及体积收缩等缺陷。随着对注塑件品质要求的不断提高，制品的翘曲！缩痕等缺陷同样备受关注，尤其是薄壁类塑件尺寸的稳定性已成为衡量塑件品质的一项重要指标”对于薄壁类塑件，翘曲变形是一种无法避免的注射成型缺陷，会影响产品的应用范围和稳定性，长时间的翘曲还会导致塑件变形与表面微裂纹，因此在注射成型中应尽量减小此类缺陷。

（五）快速热循环注塑生产线构建关键技术研究

RHCM注塑的工艺过程与常规注塑基本一致，但RHCM注塑增加了模具快速加热与快速冷却及温度动态控制过程。在模具加热阶段，需使模温升高到塑料的热变形温度以上，以保证塑料熔体良好的充模状态；而在冷却阶段，需要向模具内部管路中通入低温冷却水，以使熔体温度迅速降低到塑料的顶出温度以下，减少注塑成型周期。因此，RHCM生产线的建立需综合考虑模具温度的动态变化过程和生产中实施的成本及难易程度。

四、结论

快速热循环注塑模具极大的改变了现代社会的生活与生产过程，对于我们的社会有着极为重要的价值与意义，是现代科学技术发展的重要产物。因此，我们应该对该技术予以充分的研究，促进其更好的发展。

参考文献

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一、工业设计对于促进经济发展方式转变的重要作用

(一)工业设计对于促进以人为本、和谐发展的重要作用

1、工业设计以消费者为核心。青蛙设计公司创始人哈姆特・艾斯林格(Hartmut Esslinger)曾说过，“设计的目的是创造更为人性化的环境”。设计以满足消费者需要为核心，以市场需求为导向，越是适应消费者需求的产品，设计就越具有市场价值。因此，成功的设计首先取决于对消费者偏好，对文化、历史、风俗习惯等社会环境因素的理解。摩托罗拉公司为了开拓南美市场，曾调查了11个国家，通过了解当地消费者的生活习惯和兴趣偏好明确了设计理念，市场占有率从20％上升为80％。

2、工业设计创造新的消费模式。一项新技术的发明往往引发设计创新与革命，而设计革命创造了崭新的市场需求，由此为人们改变传统的生活方式，建立新的消费模式创造条件。20世纪60到70年代，美国人快速接受了日本消费电子产品和汽车，从此改变了审美情趣和生活品质。60年代早期，美国消费者的家用娱乐产品用黑木的文件柜包起来，款式犹如家具，这一时期，美国和欧洲品牌控制了大量市场。而索尼随身听(sony Walkman)进入美国市场后，使用铝和钢新材料制造，体积小、轻便、音乐可以任意选择，更加人性化、现代化。因此，索尼随身听的设计创新改变了美国消费者的需求偏好。

3、工业设计促进资源节约与生态环境和谐。从1962年到1967年的5年间，日本汽车数量从500万辆迅速增长到1000万辆。由此而引发了大量的交通事故、空气污染、石油危机等问题。这一时期，汽车设计师开始考虑提高汽车安全性能、环保性能、节约能源等问题，引进安全保险杠、汽车安全带、改善节能系统、引入电子技术等，使汽车设计达到高效节能的标准。进入20世纪90年代以来，绿色设计的概念已经成为全球现代设计发展的主要趋势，绿色设计要求设计师在设计过程中的每一个决策中都充分考虑到提高环境效益和发展质量。其核心理念是“3R”(Reduce、Recycle、Reuse)，即减少物质能源消耗、减少有害物质的排放，产品与零部件能够回收并再生循环和重新利用。在绿色设计理念的指导下，注重节能环保成为评价设计好坏的重要标准。

(二)工业设计对于提高企业竞争力的重要作用

工业设计在实现产品差异化、提高产品附加值、塑造国际名牌、提高市场占有率、创造明星企业等方面都具有显著作用。

1、工业设计是推动企业自主创新的关键环节。从创新形式来看，设计创新是十分典型的集成创新。设计师综合运用各种技术成果，通过设计创新和改进实现新产品开发。例如，手机由最初单一的接听电话功能发展到具有发短信、听收音机、拍照、上网、GPS定位系统等多种功能，就是运用设计进行集成创新的结果。从创新风险来看，原始创新投资大，周期长，风险大，需要具有雄厚的资金，适用于实力较强的大企业。而设计创新投资少、风险小、可以省去新技术开发阶段所付出的巨额资金和高昂人力资本投入，往往成为中小企业技术创新的重要途径。从创新环节来看，设计贯穿从产品的概念到生产、流通的整个过程，促进了技术创新和新材料应用。

2、工业设计是提高企业赢利能力的重要因素。工业设计通过提高产品附加值提高了企业效益。美国、英国、日本、芬兰等国家的调查和研究都证明了设计对提高企业销售收入、新产品开发能力，创造市场需求等方面的重要作用。日立公司每增加1000亿日元的销售额，设计的作用占51％。英国工业设计委员会曾针对英国上市公司进行调查，调查对象是过去十年中设计的有效使用者及其股价活动，发现63家公司的有价证券在1994至2003年的熊市和牛市中大多超过了FTSE(Financial Times Security Exchange)指数的200％。据英国国家设计委员会调查，英国50％以上的企业使用设计后，销售收入、利润和竞争力明显提高，英国快速增长的公司中有95％使用设计开发新产品。韩国企业使用设计的占60％以上，许多企业设计费用占销售收入的6％。

3、设计成为企业开拓市场的先导。许多企业成功地运用设计提高了市场开拓能力和竞争力。20世纪80年代末，锐步彪马公司(Reebok Puma)发现篮球运动员由于脚踝关节经常受伤不能正常在比赛中发挥水平，于是设计了保护踝关节的运动鞋，两年内这条产品流水线带动了大约20亿美元的销售额。20世纪90年代末，摩托罗拉使用设计成功地提高了中国手机市场的竞争力。1999年推出了世界上第一代内置键盘输入法的全中文手机CD928+，1999年3月和6月又连续推出了两款颇具轰动性的新型手机，半年时间止住了市场占有率持续下跌的颓势。

4、设计成为塑造企业品牌的关键要素。品牌形成首先是产品个性化的结果，而设计是创造这种个性化的先决条件，一个产品如果没有新颖的、个性化的、并为消费者所接受的设计就不可能成为长久不衰的国际品牌。

(三)工业设计对于提升产业竞争力的重要作用

工业设计作为国民经济的先导型产业，对于提升产业竞争力具有支撑性作用。尤其体现在对于制造业的带动能力，促进新材料、新工艺的应用与创新能力，提高改造传统产业的能力等方面。

从美国经验来看，美国赶超日本汽车产业主要通过设计创新和改进。日本的汽车设计新颖，质量不断提高，对美国汽车行业造成强大的竞争压力。日本汽车制造商从提出新车构想到批量生产只需3年时间，而美国汽车制造商则需要花费4到6年时间。上世纪90年代以后，美国汽车制造商开始克服设计、制造与销售之间的障碍，提高了与外部设计团队的合作，设计师、工程师、供应商、制造商之间开始使用信息化手段密切合作，将设计周期缩短了一半，通过汽车的计算机辅助设计(CAD)的使用，使得汽车设计的整体质量和效率得到提高。

从芬兰经验来看，设计对于提升传统产业竞争力的贡献十分明显。芬兰80％的传统产业使用设计，出口企业全部都有自主设计的产品。主要包括：①纺织、服装和皮革业；②家具业；③玻璃和制陶业。这些产业80％以上使用设计师，其中以纺织、服装和皮革业使用的设计师数量最多。此外，金属制造、机械制造、电子设备、计算机相关产业，以及电器零部件、橡胶和塑料制造、汽车制造、 健康、食品、建筑、木材等传统产业，这些领域有50％的企业使用设计师，其中以金属制造业使用设计师数量最多，其次是食品业。

二、我国工业设计的发展现状与趁势

本世纪以来，我国工业设计服务业进入了加快发展阶段。

(一)工业设计呈现快速发展态势

1、产业规模持续扩大。北京工业设计业规模和技术服务水平均居国内领先地位。2009年工业设计及相关业务收入达60亿元，目前有200余家企业建立了自己的设计部门；有专业工业设计公司400余家，主要集中在IT、通讯设备、航空航天等领域。2009年，深圳工业设计产值近20亿，工业设计企业3500家，占据全国60％。2009年无锡市拥有工业设计及相关企业近200家，实现营业收入超过50亿元。广州共有工业设计公司100家左右。

2、园区聚集效应逐步显现。工业设计园区日益成为产业聚集的重要载体。近年来，一些有条件的地区陆续建立了设计产业园。较有代表性的有：无锡(国家)工业设计园、深圳田面设计之都、上海市8号桥设计创意园、北京DRCT业设计创意产业基地、顺德国家工业设计示范基地等。这些园区在当地政府的大力支持下，吸收国有资本、民营资本和外资共同投资兴建，采取市场化运营方式，形成了明显的聚集效应。(见表1)

资料来源：中国工业设计协会。

3、人力资源队伍迅速扩大。据调查，我国设计从业者年龄结构主要在20至30岁之间，所占比例达到93％。地域分布主要经济发达城市。其中，华北、华东、华南地区分别为24％、22％和20％，西南和东北地区分别占8％，西北地区为4％。目前，北京、上海、浙江、江苏、广东等地区的设计从业人员迅速增长。2009年，北京从业人员超过2万人；深圳超过5万人；广州从业人员约45000人，其中设计师约21000人；上海工业设计人员已近万人，人才集聚优势明显：无锡各类设计研发人员2000多人。2006年全国设有工业设计的院校其260多所，相当于2000年的2倍，每年毕业生数万人，为我国工业设计产业发展提供了技术和管理人才支撑。

(二)企业设计创新能力显著提高

1、企业设计创新意识逐步增强。通过问卷调查了解，绝大多数企业认为设计创新十分重要，主要表现在以下方面：①提升企业竞争力；②提升品牌价值；③扩大企业业务规模；④节能降耗；⑤降低成本；⑥提升品牌国际竞争力；⑦开拓国际市场；⑧提升高新企业技术创新能力；⑨提高企业利润；⑩提升和优化产业结构。企业使用外观设计占全部工业设计比重通常在50％以上，使用实用新型专利通常在40％以下。

2、企业专利拥有量快速提高。据调查，我国大约70％的工业设计活动在制造企业内部。2009年我国外观设计专利、实用新型、发明三项专利授权量分别为249701件、203802件和128489件，分别相当于2001年的5.73倍、3.75倍和7.88倍。其中，2009年的国内外观设计授权量占外观设计专利权量总量的93.8％。(见图1)

3、企业运用工业设计开拓国际市场、创建品牌的能力增强。海尔、联想、TCL、一汽、吉利、奇瑞等―批制造企业通过设计创新使产品进入了国际市场。海尔集团2006年用于设计费用的投入达到8亿元，在海外建立了8个设计分部。联想集团创新设计的“天禧”电脑创下37.5亿元的产值，公司专业设计人员100多人，年设计费用投入达到5000万元以上，分别在美国、日本建立了设计中心。广东东菱集团以生产出口小家电为主，通过设计创新销售收入明显提高，国际市场占有率明显提高。2000至2005年，工业设计投入超过3000万元，企业销售额年均增长率超过55％，专利数量增长5倍。

(三)工业设计公司逐步壮大

1、设计业务领域不断拓宽，产业链不断攀升。我国工业设计公司多数是2000年以后成立的，主要分布在北京、上海、浙江、江苏、广东、山东等沿海发达地区，服务领域已经覆盖通讯产品、医疗机械、家电、交通工具、家具、玩具、服装等各个行业。设计公司除主要从事产品设计外，还向视觉传达设计、信息交互设计、会展设计、服饰设计、环境设计、包装设计、工程设计以及设计管理与咨询等领域延伸。除主要从事外观设计外，逐步向结构设计、功能设计、工艺设计等价值链高端环节拓展，部分公司产业链已经向上游的产品开发和下游的制造业领域(ODM)延伸拓展。

2、人才优势和体制优势明显。工业设计服务业已经成为解决大学生就业的主要渠道。目前，设计公司大学生人数一般占公司员工总数的70％以上。工业设计公司具有较强的体制活力。民营和股份制企业占90％以上。运营模式呈现出多样化的特点。主要有：自由职业设计顾问公司、政府投资的设计公司、院校工作室等模式。

3、企业竞争力逐步增强。在手机、电子产品、汽车等设计领域逐步形成了具有行业影响力的设计公司。尤其是手机行业出现了龙旗、德信无线、中电赛龙、希姆通等具有国际影响力的设计公司，2006年，这四家公司的营业额分别为19.8亿元、6.5亿元、4亿元、3.8亿元。毅昌、嘉蓝图、浪尖、中信国华标识、同济同捷、指南、龙域、洛可可等一批设计公司已经具备了较强的技术优势，获得了国际设计大奖，广泛承接政府、国内大型企业、跨国公司的设计业务。

(四)工业设计对外开放程度显著提高

1、跨国公司在华设计机构明显增长。2000年之后，跨国公司设计机构进入我国速度明显加快，索尼、三星、摩托罗拉、诺基亚、通用汽车、大众汽车、现代汽车等大型跨国公司都在中国相继建立设计研发中心。这些设计机构涉及通信、计算机、家电、装备制造、汽车、照明等产品领域。从成立动因来看，一方面是跨国公司为了不断提高中国市场的占有率必须进行本土化设计：另一方面是充分利用中国人力成本优势。从服务对象来看，主要为海外母公司开拓本土市场服务。

2、外资设计公司在华经营逐步活跃。据调查，外资设计公司在中国设立子公司主要基于靠近当地市场、节约成本和利用本地设计人才。外资设计公司在华经营具有以下主要特点。一是以承接本土设计业务为主，尤其是国内大型品牌企业成为其主要客户。二是国际化程度高，承接海外业务主要来自美国、意大利、德国、韩国、印度、东欧、俄罗斯以及中国台湾、中国香港等国家和地区。三是本土化程度提高。目前外资设计公司除少量高层管理人员由母公司委派外，本土化程度一般达到70％以上。

3、工业设计国际服务外包发展迅速。进入新世纪以来，我国已经成为国际设计服务业转移的主要目的地。2006年对外设计咨询业营业额为3.3亿美元，是2001年的5.2倍，2008年增长为近4亿美元。承接国际设计外包业务已经覆盖电子信息、汽车、通讯设备、医疗器械、家电、玩具以及铁路、城市轨道交通等领域。