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计算机辅助工业设计发展的状况和趋势研究
一、计算机辅助工业设计的状况
1. 智能化设计
未来，随着人工智能、大数据、物联网等技术的不断发展，智能化设计将成为计算机辅助工业设计的重要趋势。
智能化设计将使得计算机软件能够更好地分析用户需求、实现产品个性化设计、实时优化设计等，从而为用户提供更好的产品体验。
2. 跨平台应用
随着移动互联网的普及和发展，计算机辅助工业设计也将更加注重跨平台应用。
设计师可以通过手机、平板等移动设备随时随地进行设计工作，实现了设计过程的移动化和灵活化，提高了工作效率。
3. 虚拟现实与增强现实的应用
虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术的不断发展和成熟，将使得计算机辅助工业设计更加直观、体验更加真实。
设计师可以借助虚拟现实和增强现实技术，实现产品的模拟展示、用户体验测试等，为设计提供更加直观的反馈，从而帮助设计师更好地进行产品设计。
4. 可持续发展
在未来，随着全球环境问题的日益严重，可持续发展将成为设计的重要理念。
计算机辅助工业设计将更加注重产品的环保性能、可回收材料的应用、节能设计等方面，为未来的社会经济发展贡献积极的力量。
5. 个性化定制设计
随着消费升级和个性化需求的不断增加，个性化定制设计将成为一种主流趋势。
计算机辅助工业设计将更加注重用户需求的个性化定制，为不同的用户提供符合其需求的设计方案。
计算机辅助工业设计的发展状况良好，趋势也十分明确。
未来，随着技术的不断创新和社会需求的不断变化，计算机辅助工业设计将不断迈向更加智能化、个性化、可持续化的方向，为工业设计领域带来更多的创新和发展机遇。
计算机辅助工业设计发展的状况和趋势研究计算机辅助工业设计是指利用计算机技术来辅助进行工业产品设计的过程。
随着计算机技术的不断发展和普及，计算机辅助工业设计已经成为了工业设计领域中不可或缺的一部分，它不仅能够提高工业设计的效率，还能够提升工业产品的品质和创新。
本文将就计算机辅助工业设计的发展状况和未来趋势进行深入探讨。
1.历史回顾计算机辅助工业设计起源于20世纪60年代的美国，当时大量的计算机开始应用于设计领域，也设计软件和硬件的研发逐渐兴起。
1980年代，计算机辅助设计技术取得了长足的发展，出现了一系列重要的设计软件，如AutoCAD、SolidWorks等，这些软件的出现极大地提高了工业设计的效率和精度，为后来的计算机辅助工业设计奠定了基础。
2.现状分析随着信息技术的快速发展，云计算、大数据、人工智能等新技术逐渐应用于工业设计领域。
如今，计算机辅助工业设计已逐渐从二维设计向三维、虚拟、互联网化方向发展，逐渐形成了数字化设计、虚拟仿真和智能化设计等新的设计模式。
计算机辅助工业设计在汽车、航空航天、电子产品等领域得到了广泛应用，成为了工业设计领域中不可或缺的一部分。
3.发展趋势（1）虚拟现实技术的应用随着虚拟现实技术的不断成熟，虚拟现实技术已经开始应用于工业设计领域，设计师可以通过虚拟现实技术来进行产品模拟、交互设计等工作，大大提高了设计的效率和品质。
（2）智能化设计的发展随着人工智能技术的不断发展，智能化设计已经成为了未来的发展趋势。
未来，设计软件将会融入更多的人工智能技术，设计师可以利用人工智能技术进行数据分析、设计优化等工作，大大提高了设计的精度和创新性。
（3）云计算和大数据技术的应用二、计算机辅助工业设计的未来趋势1.智能化软件发展2.跨平台设计随着互联网和移动互联网技术的不断发展，设计软件也将会向着跨平台方向发展，设计师可以通过不同的终端设备进行设计工作，实现更加便捷的设计协作和数据共享。
计算机辅助工业设计计算机辅助工业设计是指利用计算机技术和软件来辅助工业产品的设计和开发。
随着科技的不断进步和计算机技术的发展，计算机辅助工业设计已经成为许多企业和设计师日常工作中的重要组成部分。
本文将从计算机辅助工业设计的意义和优势、应用领域、具体技术等方面进行探讨。
一、计算机辅助工业设计的意义和优势计算机辅助工业设计的出现使工业产品的设计和开发更加高效、精确和快捷。
传统的手工设计和绘图方式需要耗费大量的时间和人力，而计算机辅助设计可以通过软件快速完成设计图的绘制和修改，极大地提高了设计效率。
此外，计算机辅助设计还能够通过模拟和仿真技术对产品的性能和质量进行评估和优化，大大减小了产品研发过程中的风险。
在工业设计中，计算机辅助设计还具有一些突出的优势。
首先，计算机辅助设计可以使设计者更好地实现自己的创意和想法。
通过使用3D建模和渲染技术，设计者可以更加直观地展示设计方案，使客户和决策者更好地理解和接受设计方案。
此外，计算机辅助设计还可以通过模拟和仿真技术对设计方案进行优化和改进，提高设计的可行性和可靠性。
二、计算机辅助工业设计的应用领域计算机辅助工业设计广泛应用于各个领域的产品设计和开发。
首先，它在汽车工业中的应用非常广泛。
计算机辅助设计可以帮助汽车设计师快速制作出精美的外观设计和动画演示，使概念车和量产车更好地与消费者产生共鸣。
此外，计算机辅助设计还可以辅助汽车工程师进行虚拟试验和仿真分析，提前发现问题并解决。
除了汽车工业外，计算机辅助设计还广泛应用于电子产品、机械设备、家具等领域的产品设计和开发。
在电子产品领域，计算机辅助设计可以帮助设计师快速制作出产品的外观模型和电路图，使产品更加美观和易于生产。
在机械设备领域，计算机辅助设计可以辅助工程师对设备进行结构分析和动力学仿真，优化设计方案。
三、计算机辅助工业设计的具体技术在计算机辅助工业设计中，主要涉及到了以下几个方面的技术。
首先是3D建模和渲染技术。
《计算机辅助工业设计(三维)》课程标准课程名称：计算机辅助工业设计课程编码：11912016课程类型：理实一体化开课部门：艺术设计系规定课时：48一、前言1．课程性质计算机辅助工业设计是产品造型设计专业的必修课程。
通过学习，使学生具备产品设计助理工程师的设计表现技能，学生综合运用三维软件及渲染软件完整将设计创意表达。
开设一学期，教学时数为48学时，3学分。
2．课程定位该课程是产品造型设计专业的核心课程，在产品设计表现流程中，是承上启下的课程，该课程是基于计算机辅助工业设计（二维）后，将二维效果图转化为三维立体图，并衔接之后的数字化模型及手工模型课程。
根据产品造型设计专业人才培养方案中产品设计助理工程师的岗位及职业能力分析表中典型工作任务来设置的，培养学生熟练掌握三维的产品设计表达以及产品的色彩、材质、加工工艺的知识，反复训练，综合提升学生的专业认知及职业素养的养成。
前导课程：计算机辅助工业设计（二维）、产品手绘设计表现技法后续课程：数字化产品设计、产品模型制作3．课程设计思路课程内容设计重在培养学生利用三维软件的设计制作能力，围绕产品造型设计表现流程、特点及能力要求，通过具体软件操作技能技能入手。
依据产品设计原则和项目课程要求，组织学生完成实际产品三维效果图的设计表达，培养学生综合的设计表现能力及掌握在产品设计过程中对象的产品结构、色彩、材质、加工工艺等知识。
为充分体现任务引领、项目导向课程思想，本课程根据产品造型设计专业人才培养方案中职业岗位及职业能力分析表中的产品设计表现技能为主要的教学内容，展开以产品曲线建模、产品色彩、材质、加工工艺表现、三维建模及渲染，选择具有代表性的产品案例进行教学。
本课程对产品造型设计专业开设48课时。
二、课程目标1．知识目标经过本课程的学习，学生能够系统地学习与掌握二维绘图软件塑造三维效果的的基本原理；能够系统地学习与掌握三维造型设计软件rhino的建模原理和相关知识；能够系统地学习与掌握三维设计软件进行产品建模的基本能力；能够系统地学习计算机辅助设计软件的操作基本知识；具备基本的产品效果的渲染的知识和技能。
CBD为核心的网络计算机辅助工业设计分析1 基于案例的设计概述ICAID工业设计是技术的基础之上，并通过CAID系统的辅助之下开展工业产品设计的创造性活动，已经在当今的工业设计行业中起到了举足轻重的作用。
在工业产品设计中，其目的在于解决人造物以及人之间的关系问题，通过设计产品以满足人们的生活与生产需求。
然而，在影响工业设计方面主要有主体与客体两方面的因素，前者指的是设计师的经验、技术等；后者指的是现有的科学技术、市场的发展状况、产品的功能需求等。
对于两方面的应用需求，均可以通过以案例为核心的设计方法（CBD）在ICAID系统加以运用。
2 CBD应用于CAID系统的可行性分析CBD方法的运用是基于现有案例的基础之上，进行再模拟、运用、修改、整合、完善等的设计手法也即其最终的设计方案是在已经的设计案例基础上的再加工。
它以认知活动中的记忆结构和心理机制刺激与反应的模式研究为基础，已经在建筑设计、机械设计等领域得到了成功的实践，而CBD技术在计算机辅助设计（CAD）领域中应用的可能性也已经得到了验证。
在工业设计中并非一次性的创造而是多样化选择的过程，在实际设计中不均有着动态性的特征而且其资源数据库具有动态性。
例如，在对某一个问题进行设计时，需要设计师根据自身的经验进而予以选择并确定最终的方案。
然而，如何将这个方案通过一定方式表现出来却面临较大的阻碍，在丰富智能化设计资源库中该问题一直未得到有效的解决。
而运用ICAID系统时还面临着另一大难题也即如何解决用户提升知识运用过程中的困难。
根据现有研究理论认为：知识的运用是人们基于当前的综合素质的前提下对系统的一种描述，但是该系统的用户主要是入行不久或经验不够丰富的设计人员，此类用户的设计知识相对较为缺乏。
这对系统提出了2个方面的要求：其一，设计知识的表达，即如何使用最直观和最恰当的方式把设计知识传达给使用者；其二，设计知识的运用。
上述问题通过使用CBD的方法即可得到解决。
计算机辅助工业设计系统体系结构研究3刘桦,杨随先(四川大学制造科学与工程学院,四川成都 610065)摘要:首先讨论了计算机辅助工业设计的概念,其次分析了计算机辅助工业设计的内涵及CAD技术在工业设计中的应用特点,并结合计算机辅助工业设计技术的研究现状,讨论了计算机辅助工业设计技术的发展趋势和主要研究方向,提出了由设计方法学层、计算机应用层和设计应用层组成的未来计算机辅助工业设计系统的构架。
关键词:计算机辅助工业设计;工业设计;创新设计中图分类号:TP391;T G502 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2005)04-0003-03 传统产品设计关注的是设计目标的实现,较少考虑产品与人和环境的关系,造成了产品与使用环境和使用者的脱节;而工业设计则期望使人、机以及环境达到和谐统一,提升创新设计、外观造型、宜人性在产品设计中的作用,实现更高层次的对设计目标的满足,并且有助于实现整个社会的可持续发展。
计算机辅助工业设计(Computer Aided Industrial Design, CA ID)是现代工业设计发展的一个重要分支,它将计算机辅助设计技术(Computer Aided Design,CAD)与现代工业设计结合起来,支持工业设计各个领域内进行的创造性活动。
利用CAD技术,设计师可以通过互联网收集设计信息、协同地进行产品开发活动,通过各种计算机软件,方便地建立高质量的产品二、三维模型,以获得产品的真实感效果图,基于CNC的快速成型技术,可以迅速将设计创意转变为实物,供后期评价与测试。
目前,CAD技术已经深入到工业设计的各个环节,推动了工业设计的理论、设计方法不断发展,同时也为工业设计信息化展现了一线曙光。
1 计算机辅助工业设计的概念计算机辅助工业设计的产生立足于计算机技术和工业设计的不断发展。
它希望通过在整个工业设计活动中引入计算机辅助设计技术,研究计算机辅助工业设计中各元素之间的内在联系和相互关系,寻找计算机辅助技术与工业设计要素的有效结合方法,使整个设计过程实现更好的信息、知识、功能的集成。
目前,计算机辅助工业设计的着眼点往往是在设计师的“设计表达”,存在诸多限制,往往被看作是一个方案形成以后的概念化工具,并没有真正进入工业设计的核心活动———创新设计,而非真正的辅助设计手段。
加强对计算机辅助技术在工业设计领域的应用研究,使其支持工业设计全过程已经成为目前的研究重点。
计算机辅助技术在工业设计中的应用包括计算机辅助产品设计、计算机辅助的视觉传达设计、环境设计、人机界面设计以及色彩设计等等。
CAD技术在产品设计中主要应用的是产品形态产生和快速、准确地表达设计师的创意构思建模方法。
目前的CAD造型技术有几何实体造型、特征造型和参数化造型,上述三种造型方式都源于机械CAD系统,不太符合工业设计师的表达习惯,对自由曲面的绘制和后期修改都不方便,还无法替代设计师的笔绘表达方式。
CAD技术在视觉传达设计的应用,主要是指多媒体技术和网络的应用。
多媒体的多信息通道特点和网络的全方位信息交流方式,提高了设计的可传播性和影响力,同时建立通用多媒体设计知识数据库,用过去的成功范例、色彩搭配知识、纹理方案、材料参数库,可以使设计师脱离低层次重复工作,集中精力寻找好的视觉传达效果。
在环境设计中,虚拟技术支持的人机分析和环境设计,既可以利用虚拟性缩短设计周期和成本,又可以利用沉浸感动态地考察人在环境中的活动情况,使人与环境的物理交互和信息交互相互统一。
计算机辅助技术在工业设计活动中的应用及其对工业设计活动的支持见图1。
图1 计算机辅助技术工业设计活动的支持2 CAD技术在工业设计中的应用特点(1)支持产品概念设计。
概念设计是寻求产品基本功能结构、作用原理和组合,从而获得产品的最初形态和初始结构的设计工作,这是一个需要设计师充分发挥创造力的设计过程。
CAD技术对概念设计的支持,体现对创新思想产生的支持。
从支持详细设计向支持设计全过程发展。
第22卷第4期2005年4月机 械 设 计J OU RNAL OF MACHIN E DESIGNVol.22 No.4Apr. 20053收稿日期:2004-04-05;修订日期:205-11-04作者简介:刘桦(1975-),男,四川遂宁人,四川大学制造科学与工程学院在读硕士研究生,研究方向:工业设计、现代设计方法。
对于创新设计的支持主要集中在对创新技法的支持。
目前出现的形态语义驱动、遗传算法、反向工程的设计方法[1～8],都利用了计算机技术,解决设计中所遇到的规划设计文法、大批量数据处理、结果分析等问题。
正是有了计算机的支持,新的创新设计方法的出现才成为可能。
设计师的设计创意属于设计的初期阶段,它可以通过各种二维绘图或三维造型软件得到表达,但创意绘制和后期修改都不方便。
目前的某些造型软件已经可以支持产品的初期开发阶段的建模,如基于草图设计的ZD-SKETCH ER系统[9]。
这些软件使设计师脱离了手工绘图的繁琐,方便了创意的表达。
(2)设计表达从二维向三维过渡。
CAD技术已经从单纯的二维绘图工具向二维图形图像处理和三维形态造型发展,前者主要应用于视觉传达设计领域,设计师通过各种图形图像处理工具,可以方便地设计各种广告、海报、招贴等等,特别是可以将初始设计通过拷贝的方式,通过互联网,方便地传给目标人群,大大扩展了产品的影响范围;后者可以提高产品模型的信息含量,同时为设计的可视化提供了条件。
(3)设计过程向交互化、智能化发展。
现代工业设计已经脱离了作坊式的设计方式,对结构、审美、人机信息、设计过程和企业资源的集成,要求设计过程需要多个不同知识背景的设计师协同工作,协同设计为此提供了技术基础,通过异步或同步方式,不同地点的设计师可以方便地共享设计信息和共同的设计模型,相互协同开发,提高了设计的效率。
目前的智能CAD主要通过知识库、专家系统的推理、比较、搜索来实现,而基于进化算法和模糊系统的智能系统,非常适合工业设计中对模糊信息的优化和处理。
(4)强调宜人性。
一个新的产品所要满足的不仅是用户对功能的需求,同时还要满足客户在精神、审美上的需求,这要求提升产品的外形、结构、色彩、材质、人机等非功能性元素在产品价值中的比重。
设计师利用CAD手段,可以在初始设计时就对以上元素进行分析、比较、考虑,确定最终的产品外观效果。
3 计算机辅助工业设计技术的研究现状和趋势(1)扩展产品形态产生的方法。
计算机辅助设计是根据产品的功能要求生成形态,计算机辅助工业设计由于内涵的需要,要求扩展产品形态的产生方法,包括功能型、操作型和基于规则型三大类。
功能型的形态设计和计算机辅助设计方法是基本一致的。
操作型的形态设计主要指通过对现有设计进行变形、修改、再设计等手段产生新的形态。
如基于反向工程的形态设计以及基于现有产品的再设计方法[3]。
基于规则型的形态设计包括语义驱动、基于人工神经网络的产品设计等等[4,6,7]。
这一类型的设计方法支持产品的风格设计。
National Cheng Kung University工业设计系的Shih2Wen Hsiao和M C Liu,首先构建了一个基于特征的产品三维模型及其特征数据库,并利用问卷调查获得描述产品形态的语义词与产品三维特征量的变形映射关系,通过改变语义词改变产品形态,达到语义驱动形态设计的目的。
图2所示为该系统的界面。
图2 系统界面(2)发展面向对象思想的产品信息模型。
希望通过对产品设计信息的封装,达到产品信息-功能-结构的局部自治,实现设计过程的模块化,同时,使拥有不同知识背景的设计师可以共享一个模型。
在工程辅助设计领域已经有了这方面的一些尝试。
对于工业设计过程,设计初期有一个能在设计小组中共享的产品信息模型,不但便于设计信息的集成,也有利于优秀创意的产生,但必须看到工业设计所涉及的产品信息,较工程产品信息包含的信息量更不规范,如何有效地划分产品信息-功能-结构的局部自治关系,决定了产品信息模型的优劣,同时,大量病态的设计信息也对信息封装提出了更高的要求。
目前,对于病态信息的处理大都采用如神经网络、模糊技术等人工智能的方法,对于一些具体问题已经取得了较好的解决结果,值得借鉴。
但对于划分产品信息-功能-结构的局部自治却仁者见仁。
浙江大学孙守迁教授等人提出的基于产品信息特征切割、组合的组合创新方法[10],也许会为这个问题的解决,提供有益的启示。
(3)基于元设计方案衍生派生设计方案。
可有效地形成产品族或不同设计方案以供评价选择,为控制新设计方案的生成,目前主要采用的算法包括自适应神经网络和形态差别残量算法,其中自适应神经网络方法应用较广。
图3所示为其计算模型。
图3 计算模型为便于矩阵运算,National Cheng Kung University工业设计系的Shih2Wen Hsiao和M C Liu将形态差异量表示为Fou24机 械 设 计第22卷第4期rier 级数形式,利用最小二乘法和灰度技术(主要判断特征量的影响系数大小)解一个线性方程组,得到各个形态特征量的差异量。
自适应神经网络建立在用户形态感受(输出)与结构控制参数(输入)之间,网络的中间层神经元输出为经典的f (x )=11+e x,神经网络的训练过程由多组输入和输出获得各层的权重和偏差,训练过程根据解的收敛速度和精度有不同的方式,各有优缺点。
神经网络的反馈过程就可以实现形态感受驱动结构参数。
(4)追求对设计全过程的计算机辅助设计支持。
包括功能设计、形状设计、布局设计、人机界面设计、绿色设计、产品全生命周期设计、创新设计、协同设计等等。
(5)支持用户需求设计驱动的产品设计,更多地“倾听用户的声音”。
需要指出的是,由于用户需求在设计中是一个变化的量,因此设计的产品往往相对于用户需求有滞后性,因此有学者提出采用基于用户的愿望设计[11]。
Middle East Technical University 工业设计系的G ülay Hasdogan ,在家用产品设计中分析了用户模型的优缺点,指出在设计前期选择正确的用户模型,参与进入设计过程,不仅对设计的最终结果,也对激发设计师创意有很好的帮助。
4 计算机辅助工业设计系统体系结构计算机辅助工业设计未来的发展,将主要集中在产品设计方法学、计算机应用技术和计算机辅助工业设计应用软件3个方面,以实现对设计全过程的完整支持。
据此,提出了如图4所示的计算机辅助工业设计系统构架。
图4 计算机辅助工业设计系统构架设计方法学层包括设计方法层和知识基础层。
CA ID 的知识基础包括传统工业设计知识和以计算机辅助设计为代表的计算机技术知识,它的研究重点是计算机技术与工程技术、美学、社会学等学科的内在和相互关系,以及原有的知识与计算机知识相交叉的领域中所产生的新知识。
