1华北水利水电大学 2大连海事大学 3重庆交通大学 1丁梓恒 2叶韦辰 3邓晓龙
摘要：近年来我国综合国力的不断增强，工业的迅猛发展，涌现出大量的工业企业。工业设计主要是以工学、美学及经济学为基础而进行的满足各种需求的设计，纵观工业设计发展历程，工程材料的开发和使用一直在工业设计领域中占有极其重要的地位，其优异的性能能够满足大部分工业设计产品的设计要求。近年来，研究学者对工程材料在工业设计领域应用方面进行了大量的开创性研究，主要着重于工程材料的选择及工程材料与工业设计的关系等方面。工程材料的不断发展为工业设计领域潜在的发展空间提供了新的思路和方法。本文就工业设计领域中的工程选材展开探讨。
关键词：工程材料；工业设计；选材方法
引言：在为获得低成本、高性能产品，而采用新材料不断替换传统材料的当今社会，选材的重要性日益突出。掌握各种工程材料的特性，采用科学的方法正确地选择材料，已是从事工程设计和制造的工程技术人员所必须具备的一项基本素质。
1工业设计领域中工程选材的影响因素
1.1市场性因素
设计者必须对目标消费群的要求进行估价。对于材料,要考虑到消费者的态度往往会受到他们日常接触的各类产品的影响。消费者有时所期望的材料也许恰恰是设计者并不准备采用的。而且消费者对某些产品所选用的材料有时还受到传统习惯的束缚。这时一种“新材料”的选用。在一定时期内未必会被消费者接受。当然，这并不等于说产品选用的材料就必须水远停滞在传统的水平上。随着科学技术的发展,新材料、新工艺的不断出现是势所必然。问题在于当我们选择新材料替代传统材料时,如何在造型设计上、在广告宣传上设法让消费者能够更快地适应和接受。应当说,这也是工业设计的一个重要课题。
1.2功能性需求因素
消费者对于工业设计产品的功能需求通过产品功能的实现得以体现，工程材料便是工业产品功能实现过程中的物质基础及载体。因此，需要在满足用户生理、心理双重需求的前提下进行选材。（1）安全性需求。安全性是工业产品必须具备的基本功能及原则，工程材料的选择必须按照设计需求进行标准化选择，同时还要预测并考虑各种潜在的危险及隐患。（2）审美性需求。审美性需求是用户内心的感受，是心理活动过程中对产品的一种感觉。工业产品的外观在很大程度上取决于所选材料的特征，如对称性、平衡性及有序性等。因此，工程材料的选择对产品外观的影响是选材过程中必须考虑的重要原因。
1.3环境性因素
随着全球工业化进程的发展,人类居住的环境遭到滥用和破坏。如何减少环境污染、保护生态已成为人们关注的热点.也成为设计时选用材料必须考虑的重要因素。产品对环境保护的威胁之一是产品废弃物的堆积会给环境造成污染。为此,在材料选择时必须事先就考虑到产品未来被废弃时应易于处理和回收。
2工业设计领域中的工程选材方法
2.1传统选材
2.1.1经验选材
长期以来，材料工艺性能和使用性能优劣的判断是建立在实践和经验的基础之上。很多工程技术人员把选材看成是一种简单且不太重要的任务，在进行零、构件选材时，如果有相同零件或类似零件的用材方案，则根据已有方案为当前零件选材；如果没有先例可循，同时该零件对材料的性能又没有特殊要求，则根据手头已有资料，选择一种比较万能的或自己最常用的材料；更有甚者，针对某零件的常用材料，如机床主轴常用材料有40Cr、38CrMoAl以及渗碳钢20Cr、20CrMnTi等，随意选用。设计人员采用这种方法选材，大多对零件不进行力学计算，仅凭习惯经验、个人感觉或依靠手册决定材料的选用与否。可以想象，这样很难选到合理的材料。
2.1.2行业传统选材
行业传统选材中设计师主要根据其所在工业设计行业多年的经验积累，并基于产品可行性及便捷性原则进行选材，其选材方法和传统选材方法近似，大多数情况下也不对工程材料进行力学方面的计算，只是按照本设计行业的传统习惯确定最终材料。
2.1.3试行－错误法选材
试行－错误法又称配方法，也就是常说的炒菜法，该方法长期用于材料的研究与开发之中，至今仍然是材料设计的主要方法。采用该方法开发新材料，不仅人力、物力消耗大，而且开发周期长，随着新的材料设计思想的不断发展，可以预见，该方法最终将退出材料开发的历史舞台。试行－错误法选材就是在这种背景下产生的。虽然该方法存在选材周期长、盲目性高等诸多不足，但设计人员主观上具有最优选材的意识，并且为此付出努力。长期以来，正是无数设计人员、制造人员的这种反复尝试，积累了大量的选材、用材经验。这些宝贵的经验使经验选材时至今日仍得以继续存在，也为半经验选材以及现代选材方法积累了丰富的基本资料，奠定了基础。
2.2半经验选材
2.2.1类比法选材
类比法选材是以同类工业产品所用工程材料为依据，针对不同规格、不同尺寸产品用材进行对比分析的方法。该方法是在能够保证产品性能及需求的前提下进行有目的的选材，在选材过程中能够做到对比分析。然而，类比法选材对设计师在材料学方面的专业知识提出了更高的要求，因此选材结果与设计师设计水平存在直接关系
2.2.2筛选法选材
筛选法是工程设计人员最常使用的选材方法。根据零件的使用性能要求，设计人员结合自身用材经验和对不同类型材料的了解，确定若干种候选材料，然后根据零件或产品的设计要求，对候选材料进行综合考察，最终确定最佳材料。当然，综合考察过程跟设计人员自身综合素质密切相关。应当注意的是，在工程设计过程中，当所涉及的零件或产品要求的性能较多时，由于材料的型号繁多、品种各异，不同材料的各种性能往往又是此长彼消，相互制约和相互矛盾的（如材料的强度和塑性、韧性，钢的可焊性与淬透性等），此时单凭技术人员的经验、半经验选材已远远不能适应日益增加的材料品种以及特殊工况的需要。上述的经验、半经验选材正是我国机械产品和工程构件使用寿命短、材料利用率不高的主要原因之一，也是许多重大质量事故的根源。
2.3现代选材
2.3.1数据库辅助选材
工程材料经过多年的发展，其选材方法已逐步以定性分析为主的传统选材方法过渡到以定量分析为主的现代选材方法。该方法主要是通过建立与设计相关的数据库并对搜集的数据进行查询及处理，从而更好地辅助设计产品的选材。
2.3.2专家系统选材
专家系统是人工智能的重要应用领域，是一种大型复杂的智能计算机程序，诞生于20世纪60年代中期，经过多年的较快发展，现在已被广泛应用于那些非结构化问题的求解。专家系统选材通过把专门领域中若干个专家的知识、选材经验等以适当方式储存在计算机中，使计算机能在推理机的控制下模拟专家做出决定，解决那些需要专家才能解决的复杂选材问题。
2.4选材价值评价与优化
选材价值评价就是将选材的功能评价系数Fi与其成本系数Ci相比较,求出两者的比值Vi(称为功能价值系数)。按照价值工程的规律,对产品选材时,若某材料的价值系数越接近于1,则选材越合理。价值系数<1,意味着对功能不太重要的零件或存在多余功能的零件,成本分配偏多,这便要求或剔除多余功能、或改选低成本材料以提高选材价值;反之,价值系数>1,意味着对功能重要性来说,成本分配偏少,严重情况下可能影响到整机质量和经济效益,产品的价值反而下降,此时便应选择成本虽高、但却可大幅度提升产品功能的材料。
结语
工业设计是将创新的理念及市场需求转化为工业产品的过程，工程材料是产品设计的重要物质基础。影响工业设计工程材料选择的因素众多，设计师只有充分考虑各个因素并了解工程材料特性、加工工艺等，并熟练掌握工程选材方法，才能为工业产品选取最佳的工程材料。
参考文献
[1]韩朝阳．浅谈材料发展下的产品设计史[J]．中国文艺家，2020（02）：88-88．
[2]周忠鸣．试论材料在工业设计中的重要性[J]．工程技术（引文版），2019，000（003）：00294-00294.
[3]吴牵．产品设计中工程材料选择评价系统的研究与开发[D]．哈尔滨工业大学，2018．