禅茶元素在产品设计中的研究论文大全

第一篇：禅茶元素在产品设计中的研究论文大全

摘要：

随着当今设计风潮中不断涌现新的设计方法、新材料等，产品设计也紧紧追随着新思潮。极致简约主义的设计风格越来越流行，正与禅意衍生而出的简洁、素朴相一致，为现代都市生活融入一种清新风格。禅意的设计采用简约风格，舍弃装饰性强的设计。禅茶文化的“和、雅、清、寂”精神融入到产品设计中，增加了产品的语义和文化价值。禅茶元素在产品设计中的体现阐释出了另一种设计思维，更加注重使用者的情感需求和追求自然特性。

关键词：

禅茶文化；禅茶元素；产品设计

一、禅茶文化及元素界定

禅文化和茶文化是中国传统文化中两个重要支流，它们相互交融，形成一种新的文化——禅茶文化。禅文化注重精神境界，人与自然和谐，追求清雅、质朴。茶道是禅宗在特定条件下形成的一种形式，追求清静。如史修竹先生撰写的《茶禅一味——论中国的禅茶文化》等文献中有提及禅茶文化的融合发展。

饮茶可以使人保持清醒去考虑处理问题，在魏晋南北朝时期社会文化背景的影响下，文人寄情怀于茶中产生了饮茶文化，而在这时期茶进入了寺庙，产生了佛教中的茶文化，僧人们每天久坐参禅易产生困意，茶正好可以驱除疲乏，这对僧人修行是有利的。僧人在喝茶汤时可提神醒脑静心去参禅悟禅，因而茶与禅产生关联性。禅茶的结合，茶是禅的物质载体，禅是茶的精神寄托。这种禅茶文化的形成，将思想落实到物质中，体现在生活态度中，是中国传统文化中的一部分。

日本的茶僧千利休将“静”的修行方式与生活中的点滴结合起来，说“须知道禅之本不过是烧水点茶”。这句话充分表达了禅与茶的密切关联，说明禅茶文化意在表达人们用平静从容的生活态度去处理琐事，达到心无杂念。茶文化注重物质的节制、精神上的节制，这与禅文化中心无杂念、节制念想如初一致。从设计的角度来说，将禅茶文化在设计中的表现形式提取出来并具体化、符号化，更加便利地运用于设计中。禅茶文化中的节制、节俭，在设计中表现为简约，简约的设计风格体现在材料上的节约、减少资源上的消耗、设计程序上的简化，体现出简约的生活态度。

二、禅茶与设计思想的交融

（一）茶文化“道”思想在产品设计中的影响

茶文化中儒家礼仪与设计思想结合，在此可理解将“道”贯彻到产品设计中去，并由此对产品提供评价标准。道与产品之间的贯通，是指社会诸多大小的道理、思想原则贯彻到产品中，这与现代设计中所提出的设计师的社会责任、以人为本等设计理念相通。在当代设计中，无论从产品材料、造型、加工工艺技术来说，还是从人与产品的交互体验中，都注重减少原材料和再生资源的利用，对回归自然的追求。儒家思想在产品设计中带来的启发，是否可以考虑在产品使用的过程中或通过产品的使用而增强用户的环保意识及生态平衡等问题。

（二）禅宗中回归自然思想在产品设计中的影响

禅文化崇尚自然，认为万物的存在都是有意义的。在产品设计中，它主张采用环保材料和天然的工艺技术，表现出一种回归自然和人性的生活态度。产品中禅意主要体现在“空”“静”两字。“空”表现在产品使用少量的元素符号以及自身极简的结构特征，展现出产品的功能及其他特性。同时也增加了人与物之间的互动式体验，加强消费者对产品的观察、使用以及进入内心的感悟，得以丰富产品的语境。“静”表现在当今社会，不论是设计师设计出的产品，还是使用者购买的产品，都应静下心来用沉着、寂静的心态来体悟产品的语境。

（三）禅茶中蕴藏的道家“无为”思想在产品设计中的影响

在当今这个物质条件大幅度提高和经济快速增长的时代，都市人们快节奏的生活以及所带来的压迫感，让人们更加追求简单且有自然气息的舒适生活环境。禅茶文化所演绎出来的意境完美地阐释出了简约，宁静回归自然，去除繁琐装饰，以自然质朴为标准，映射出舒适、雅致的意境。

茶文化中道家提倡简洁朴素追求自然性的设计思想在设计中至今都有一定的影响，如《老子·十一章》中有写“有之以为利，无之以为用”，器物具有实质用处和功能价值是无为的本源。现诸多产品的设计在外观上对其进行繁琐的装饰，而对其本质付诸遗忘。对实体部分装饰越多，物质的本源及人与物的互动就会被遮挡越多。道家推崇的“自然无为”表达了重视自然朴实，减少装饰性，对材料审曲面势，注重材料的自然特性，并顺其形其势展示材料本身的自然美感，反对不必要的复杂修饰。

三、产品设计中禅茶文化的体现

在产品设计中，产品本身所呈现出来的语义，其中包括它的形态、色彩、材质等元素都以特有的语言符号传递给使用者，设计者通过产品的语言符号表现出设计构思与意图，传达出产品本身的内涵呈现给使用者，两者通过产品这一桥梁相互沟通。

现今流行的简约化设计与饮茶参禅中的宁静、空灵，与少即是多的观念相呼应。在快节奏生活中的都市里，却少了些许的幽静，禅茶所演绎出的“空”“静”意境正是这样一股清流流入心中，创造出产品特有的情调，唤起使用者共鸣。禅茶文化主要体现在产品的造型、色彩、材质。产品的外观造型呈现在使用者面前是最直观具象的形式，禅茶文化中注重实用功能而轻装饰，在产品的结构造型上设计简洁，去除一些不必要的装饰效果，注重人与产品的互动，唤起使用者内心感悟。少即是多的理念，在外观造型上多采用极简的几何形体解构重组，营造一种简约美感。

产品的色彩最具有表现力，直击使用者的感官。不同的色彩及其表现形式营造出不同的氛围。色彩有冷暖、明度、深浅之分，如暖色能够引起人们的联想，从心理上感到温暖，在空间上感觉空间感变小：冷色带给使用者宁静放松的感觉，使空间感变大：高明度的暖色使人与产品之间的距离近一些；低明度的冷色则与高明度的暖色相反，让使用者感觉有距离感一些；浅色让使用者感到明亮、宁静；深色则反之。具有禅意的产品设计中一般会使用浅色冷色调，诸如多数的黑卣灰经典搭配，追求一种宁静、雅致、舒适的意境。

材质是产品外在的表现，在产品设计中起到重要角色，会直接影响到它的外观造型设计。不同的材料营造出的意境也是不同的，不同的材料质感给人心理、生理上的影响也是不同的。表现出禅意的产品设计中材料通常使用自然性材料，如竹木、石材、藤条等，可以传达出朴素、崇尚自然意境，与禅意营造出的氛围一致，可增强禅意氛围。如无印良品中的产品注重材料的自然特性，充分表达出材料的真实感，给使用者不一样的产品理念，简约主义、追求天然、材料的自然质感最大化，很好地诠释了它的产品特性及所营造出来的禅意，让使用者热爱生活，追求自然、质朴的生活。

四、结语

禅茶文化在日常生活中无处不在，禅茶营造出空寂的意境给快节奏的生活注入一些清新。禅茶的美学在设计中也被广泛运用，美化人们的生活。融八产品设计中的禅茶文化，给设计带来了一种新的思维，注重人与物、人与自然相和谐的关系，崇尚自然与人性的关怀。

第二篇：影响新材料在产品设计中的选择因素研究

影响新材料在产品设计中的选择因素研究

摘要：新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。伴随着科技的发展和人类对自然的不断探索，科学、技术为设计师提供了更加丰富的设计新材料，这为设计师提供了一个广阔的创作平台，也给设计师提出了更高的要求：要创造符合时代步伐的设计作品，就必须在掌握现代设计观念和设计手段的前提下，充分认识影响新材料选择的因素。本文探讨了影响未来新材料在产品设计中的应用因素，希望能对大家的研究提供帮助。

关键词：新材料产品设计影响因素

前言

材料是人类赖以生存和发展的物质基础，新材料是营造未来世界的基石。新材料和传统材料都可能创造出让人意想不到的新产品。人们不断探索高科技材料，将许多以前的想象变为可能；同时，传统材料的巧妙运用也为产品增添了更多的人为气息。产品形态设计是立足现在，面向未来的设计，是对现实的产品形态和现有的产品的一种超越。新材料的选用是对现有产品形态超越的基础。在设计中，对新材料的属性分析成为产品设计的重要环节，在产品形态设计过程的最早阶段就应该考虑材料问题，选择材料应以产品实际功能要求为准，或采用新材料创造出具有吸引力的外观，或采用低廉的与产品使用寿命相一致的材料，通过精心的设计创造出独特的形象。

在产品设计中，新材料作为组成产品性能的一个重要元素，对于完善产品的功能和丰富产品的内涵有着重要的作用。随着社会经济和信息科技的发展，以及产业面临日益竞争的经营环境，唯有使企业与设计师意识到应用新材料与竞争优势的相互关系，方可促使企业重视发挥材料不同层次上的特征和趋势发展的重要角色。新材料运用的发展确实有助于传统产业提升市场的竞争力。由于人们对材料的真实性和感知特性的要求越来越高，产品设计中选用恰当的新材料的要求也越来越苛刻，同时对现有材料的性能的提升和改善也十分关键。目前，设计师对新材料的选用比较盲目，缺乏一个正确的参考，很多设计师对新材料的选用仍然停留在旧有的经验选材阶段，这就很大程度上限制了设计师的选材思路。本文在影响新材料选择的因素研究上，引入了“需求”这一概念。借助于需求，我们可以将产品世界与材料世界这两个领域连结起来，然后通过需求匹配的方式来进行产品设计创意设计。

1新材料科学的研究现状

新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材料一样，新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类，不同的分类之间相互交叉和嵌套，目前，一般参照应用领域和当今的研究热点把新材料分为以下的主要领域：

电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等）、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。

新材料和产品设计之间到底具有什么样的密切关系，将成为下文研究的重点。

2新材料与产品设计

每一种新材料或者材料的新用途的出现和成功运用，都会引发产品设计领域的一次重大变革。塑料的出现与运用，极大地改变了工业产品的面貌，与金属、木材制造的产品相比，塑料产品的造型几乎变得“随心所欲”。苹果电脑对透明材料的成功运用，使电脑形象焕然一新，成为很多厂家竞相模仿的对象，这也成为了苹果公司发展的一个重要转折点（图1）。1851年英国伦敦第一届世界博览会的场馆建筑一一水晶宫（图2），第一次大规模地使用钢结构和大面积玻璃做为建筑材料，使建筑呈现出前所未有的形象。这座本是为世博会展品提供展示场所的建筑，其本身却成为了第一届世博会最成功的展品，成为人类历史上的里程碑作品，开创了一个全新的局面。

设计与材料是紧密相连，不可分割的，任何设计都需通过材料来实现。作为工业产品造型的物质基础，在产品设计发展的过程中，设计材料同时也在不断发展。产品造型设计的过程实质上是对材料不断加以理解和认识的过程。产品造型设计中有三大要素分别是材料、色彩及形态。其中材料是工业产品造型载体，也是色彩和形态的载体。产品的信息要依靠材料传达给消费者。具体的说是经由视觉和触觉传递给消费者的产品信息和造型语言是材料所承载的，因此，可以说材料是消费者与产品相互沟通和交流的最重要的纽带，是造型设计的立足点。选用材料是否合理，很大程度上决定了产品的市场认可度。

随着科学技术的发展，新材料、新工艺层出不穷。进入二十一世纪以来各种新材料层出不穷，在工业设计领域，新材料对产品造型设计的影响也是不容忽视的。新材料的出现，往往会引起造型设计的变革，而设计变革产生的新的设计理念也使得材料的造型设计中的角色渐渐发生了一些变化，它不仅仅是产品造型的载体，更是提升产品性能，实现特定功能的关键因素。当设计师不断地更新设计理念的同时，也应该意识到学习新材料，利用新材料的重要性，充分利用新材料的优异性能，独特质感，设计出优良的产品，以满足人们日益增长的物质文化需求。

3影响新材料在产品设计中选用的因素

选择材料是一件复杂的事情，影响材料的因素也有很多。对于新材料来说，需要考虑的问题应该更具有时代性，产品是为人们的生活服务的，它必然受用户、市场、环境这三个因素的影响，而这些影响又是建立一定的需求基础之上的。因此，从需求角度对影响新材料选择的因素研究分为以下三个方面：

3.1功能性需求因素

用户对产品的需求是通过产品功能的实现来体现的，新材料是这一功能的物质载体。

（1）安全性需求是最基本的原则：新材料的选择应当按照有关的行业标准正确选用，并充分考虑各种可能预见的危险。例如，小孩的玩具应该考虑材料是否有毒性成分；医院的某些电疗设备与病人接触的部位，其表面应该选择具有抗静电性质的材料。

（2）审美性需求因素：产品的外观在很大程度上受其可见表面材质的影响，表面材质的触感、视觉特性直接影响该材料产品的市场受欢迎程度。因此，外观是新材料选择必要考虑的重要因素。

3.2市场性需求因素

设计者应该通过调研分析对目标消费群的要求进行评估。对于材料，要考虑到消费者的选用习惯往往会受到他们日常接触的各类产品的影响。不同的消费者希望自己使用的产品与众不同；还有些消费者不喜欢改变，他们喜欢自己熟悉的产品和熟悉的材料，这样他会觉得很安全。针对不同的消费诉求，设计师在选择材料时，应该调查研究所设计产品的目标消费群的需求状况，根据情况考虑是否选用新材料。另外此种材料是否可以获得，是否还需要材料工程师开发，在加工成本上是否可被供应商所接受，作为设计师应该胸有成竹。

3.3环境性需求因素

随着全球工业化进程的推进，生态环境受到了极大的破坏。可持续发展的观念深入人心，如何减少环境污染，保护生态环境成为人们关注的焦点，也成为设计师选用材料必须考虑的重要环境需求因素。所以，应尽量选择易处理、可回收的新材料，选择同种类型的材料也会使废物处理变得容易；对于需要消耗能量的产品，应通过减轻质量、提高效率等手段，降低能耗、节能减排。

4未来研究方向与重点

新材料的优异性能为产品造型设计提供技术上的支持，也为设计的艺术性发挥提供了更大的发挥空间，因此，设计师应考虑如何巧妙地利用新材料的特性。但是受各种因素的影响，很多新材料的应用停滞不前，这需要材料工程师与产品设计师共同努力。

4.1新材料工艺性研究

产品设计中材料功能设计的实现，是建立在材料加工工艺可实现的基础上的。新材料所要求的工艺与产品结构件制造的加工工艺线路有密切关系。目前，由于加工工艺的限制，很多新材料的性能都不能更好的被应用到产品中去，未来新技术的开发，必将成为材料工程师研究的重点。

4.2新材料功能性需求研究

任何事物的出现都是建立一定的需求基础之上，新材料也不例外。未来通过用户分析获取用户的材料功能性需求，必能带动新材料产品的迅猛发展。

本文的研究从需求角度，探讨了影响新材料选择的因素，还不能从根本上解决产品设计中新材料应用问题，只是为设计师方便的去选择新材料，应用新材料提供了一个参考。在今后的研究过程中，从专业角度进行新材料应用方法的研究具有非常重要的现实意义。

结语

新材料的不断研发和应用为产品设计提供了广阔的发展空间，带来了新的生机与活力；材料作为产品造型的基础，在产品直观的视觉效果中对形态、色彩和肌理起着决定性的作用，因此在产品设计时对材料的了解应不亚于设计理念的了解。相信新材料的出现以及对已有材料的不断研发应用，将会给我们的设计带来无限的创意，为设计注入新的灵魂。

第三篇：事理学在产品设计中的运用

事理学在产品设计中的运用

随着经济水平的不断提升，我们身边的产品也变的越来越丰富，为了提升产品的品质与易用性，各种设计理论与方法学也多种多样。其中，设计事理学作为一种成熟的方法论正在越来越多地被运用到具体的产品设计中。从生活中的“事理”出发，考虑产品与用户的关系，发现其中的问题，将其转化为用户的需求和产品。以“事”支撑产品地设计，使产品合情合理，是设计事理学的核心。本文以具体的校园自助式洗衣机为例，阐述如何从设计“物”到“事”的转化，将设计事理学贯穿到具体的产品设计当中，以实现设计为人们服务的目的。

人们经济水平的不断提高的同时，对生活的品质要求也越来越高，关注点从原先具体的物转化到产品所涉及到的整个服务当中，这就要求设计师们转变设计思想，从原先就物论物的设计方式转变到设计生活方式的层面上来，这就是设计事理学所强调的从设计“物”到设计“事”的思想，本文试图通过校园自助式洗衣机的设计来简要阐述下设计事理学在产品设计中的具体运用。

产品设计中的“事理”

设计是事理学是有清华大学教授柳冠中教授提出，在运用事理学之前，需要弄清楚其中事理的含义和概念。西蒙在人为事物中作了事与物的区别，柳冠中继续指出，“物”即生活中具体存在的物品，泛指实实在在的材料、设备、工具等；而“事”是一个抽象的概念，是上述物与人的中介关系，它对物做了外部限制，也是评定物好坏的标准。事有宏观和微观之分，宏观上的事指的是事情发生的的情景与背景，微观上的事指的是具体的行为事情。

事在本文中指特定时空下，人与人或物之间发生的行为互动或信息交换，在校园自助式洗衣机产品设计中的事宏观上指的是学生使用自助式洗衣机的情境和背景信息，比如学生的宿舍生活情境和洗衣房洗衣情境，微观上的事指学生在清洗衣物时与洗衣机发生的各种具体交互，比如放入衣物，选择清洗方式，放入洗涤剂等等，在此过程中，人的意识有一定“意义”生成，而物发生了“状态”的变化。

经过对上述概念及内容的理解下，我们再来看设计事理学概念。从“物”到“事”，从“情”到“理”，我们将其概括为设计事理学。从这简短的描述中可以看出，任何设计的源头都应开始于特定人群的生活形态，生活方式及习惯的观察、分析和研究，通过研究事去理解人的需求，进而去创造满足人们需求的物，再通过对人们使用设计物的过程进行观察与分析，找出其中的问题，加以改进。这是事物发展“螺旋式”上升规律。

校园自助式洗衣机中的事理研究

校园自助式洗衣机产品，涉及到的场景包括校园公共洗衣房，学生的宿舍环境等，学生在具体的场景中与自助式洗衣机发生各种互动，包括行为上互动、信息的传递，因此在事理研究中需要先对场景和学生的行为进行调研活动。调研的切入点将依据设计事理学的理论，按照事的结构予以展开，主要包括高校学生使用自助式洗衣机清洗衣物事件发生的空间环境，事件的主体学生，以及衣物清洗事件中人的行为等因素，以了解校园自助式洗衣机设计的外部因素。

设计事理学对于“事”的考察不在于采样的多少，而在于“质”，即调研的深度和理解程度，强调更深入到现象之中，通过亲身体验了解研究对象的思维方式。因此调研的具体方法上，主要采用用户日记和深入观察的方法。

用户图片日记主要是让被选取的高校学生用智能手机来记录日常生活的衣物存放情况（尤其是已穿过的衣物存放情况）、以及使用自助助式洗衣机进行衣物清洗的情况，还有衣物清洗完的后续处理晾晒情况。

观察法是调查那些在用户图片日记中无法获取的信息，比如高校学生的动态行为、情感及性格特征等，发现具体的细节信息，探究现象背后的意义，以支撑最后设计方案的产出。

具体的调研过程就不在此赘述，上文已给出校园自助式洗衣机“事理”调研的内容和方法，这里给出笔者的一个调研结果。高校学生使用自助式洗衣机的整个过程中问题主要表现几种在以下三个方面：

1、对卫生问题的关注，比如本能地对公共产品的卫生产生心理上的排斥感，自助式洗衣机长期使用后污渍在?韧氨谏系幕?累等；

2、对洗衣效率的关注，比如人多时有限的洗衣机怎样清洗更多的衣物，衣物洗干净后如何提醒学生及时取走等；

3、对洗衣过程便捷的关注，比如及时提前知道洗衣房中是否有空余的洗衣机，无需自己去把握放入洗衣液的量等。

通过对自助式洗衣机的事理研究，将结果进行分析和整合，从中可以发现很多设计机遇，而每一个设计机遇都可以作为特定的设计主题进行概念展开发展，比如针对卫生这个角度，可以考虑在?韧安牧现刑砑涌咕?添加剂，或在洗衣机中增加除菌设备，又或者可以考虑采用?韧翱刹鹦斗绞剑?能独立清洗。由此可见，用设计事理学的方法考虑设计问题始于从“事”中找到特定群体对产品的真实需求，事是问题的来源，是设计的起点，也是设计的评价参照。

总结

作为一名工业设计师，可以从不同的角度进行产品设计，可以是针对现有产品的改良设计，可以是针对未来需求的概念设计，无论采用哪种设计方法，都需要清晰的了解特定群体的需求，针对其需求进行产品设计。设计事理学，作为一种研究用户使用产品整个过程“事”的设计方法学，能沉浸到具体的情境当中去挖掘用户的需求，使得最终的设计更加合情合理。因此，设计事理学无论是对改良型产品设计或是概念型产品设计都能直击用户痛点，准确把握用户的根本需求，无论从理论上还是实践上对产品设计都是有很大指导意义。

第四篇：TRIZ理论在产品概念设计中的应用研究

TRIZ理论在产品概念设计中的应用研究

通过对概念设计的分析研究，阐述了TRIZ的理论体系及其简化的“1141”体系，归纳了TRIZ的理论基础和基本思想，介绍了基于TRIZ的产品概念设计过程模型，分析了TRIZ中技术冲突及物理冲突解决流程以及2种冲突解决原理之间的转化关系。基于TRIZ概念设计过程模型，将TRIZ中技术冲突解决原理及物理冲突解决原理应用于新型旋转展车台的概念设计中，并通过实验研究验证了TRIZ概念设计过程模型的正确性及可行性。

产品创新是企业在市场竞争中取胜的关键因素，而概念设计是产品创新的核心。概念设计决定产品的形状、布局和工作原理等，其质量直接决定产品的最终质量。在产品概念设计阶段快速产生1个有竞争力的产品创新方案，可以帮助企业快速响应市场需求、提高产品的竞争力。发明问题解决理论TRIZ为概念设计提供了切实可行的方向，使概念设计过程变得有序可寻且富有可操作性和可预见性。将TRIZ理论应用于产品的概念设计阶段，可大大提高创新的质量和效率。概念设计

产品设计过程分为产品需求分析、概念设计、技术设计和详细设计等4个阶段。目前的设计过程模型是我国正在推广应用的并行设计过程模型，如图1所示。

图1 并行设计模型

概念设计是构思及选择产品工作原理的阶段，对于已有产品的改进设计，主要是改进部分工作原理；对于新设计，要构思并选择全新的原理。产品创新方案的形成主要在概念设计阶段，概念设计过程所产生的新的原理解具有市场竞争力及实际实现的可能性。

概念设计可总结概括为：概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为1个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。

概念设计是产品设计中的关键阶段，其重要性主要体现在2方面：(1)概念设计阶段在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等；(2)在产品概念设计阶段，由于对设计人员的约束相对较少，具有较大的创新空间。因此重视概念设计，为产品成功走向市场奠定了基础，是增加产品竞争力的根本途径。基于TRIZ的产品概念设计过程模型

2.1 发明问题解决理论(TRIZ)

TRIZ是俄语“发明问题解决理论”的缩写。该理论是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化方法学。

(1)TRIZ的理论体系

TRIZ理论体系以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学和思维

科学的分析和研究成果为根基和支柱，以技术系统进化法则为理论基础和核心思想，包括了

解决工程矛盾问题和复杂发明问题所需的各种分析方法、解题工具和算法流程。图2为TRIZ的理论体系。

图2 TRIZ的理论体系

山东建筑大学TRIZ研究所张明勤教授则将TRIZ理论体系简化为“1141体系”，即I个

法则(技术进化法则)，1种思想(最终理想解IFR)，4类问题(技术冲突与发明原理、物理冲

突与分离原理、物场分析与标准解、How to模型与知识库)，1种算法(发明问题解决算法

ARIZ)。

(2)TRIZ的理论基础和基本思想

G.S.Altshule:在研究了大量专利后发现:产品或技术系统的进化有规律可循;生产实践中

遇到的工程冲突往复出现;彻底解决工程冲突的创新原理容易掌握;其他领域的科学原理可

解决本领域技术问题。

TRIZ的核心是消除冲突及技术系统进化原理。G.S.Altshuler技术系统进化论指出技术

系统的进化并非随机的，而是遵循着一定的客观进化模式，所有系统都向“最终理想化”进化，系统进化的模式可以在过去的专利发明中发现，并可应用于新系统的开发，从而避免盲目的尝试和浪费时间。G.S.Altshuler将工程冲突分为技术冲突和物理冲突，解决冲突的传统办法

是最优化和折中法，结果冲突的双方均未得到百分之百满足，因此通常得到1个普通解决方

案，而TRIZ主张彻底解决冲突。G.S.Altshuler从各个不同工程领域的发明专利中寻找并总

结典型的工程冲突以及解决这些冲突的典型发明原理。

2.2 TRIZ概念设计过程模型

TRIZ理论研究的冲突主要包括技术冲突和物理冲突。技术冲突是指1个作用同时导致

有用及有害2种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致出现1个及几个子系统

或系统变坏。，物理冲突是指为了实现某种功能，1个子系统或元件应具有1种特性。但同

时又出现了与此特性相反的特性”。创新的核心是发现冲突及解决冲突。发现冲突是通过对

已有系统或虚拟系统的分析得到的，冲突的解可通过解决技术冲突或物理冲突得到。因此，基于TRIZ的概念设计过程可围绕问题的分析与解决冲突来进行。TRIZ概念设计过程模型

见图3。

图3 TRIZ概念设计过程模型

(1)分析

分是TRIZ工具之一，是解决问题的重要阶段。它主要包括产品的功能分析、理想解(IFR)的确定、可用资源分析和冲突区域的确定。

(2)冲突的解决

①技术冲突解决原理

G.S.Altshuler通过对大量专利文献研究、分析后，为了更好地解决实际问题，总结出39

个通用工程参数和40个发明原理。39个工程参数专门用于描述技术系统所发生问题的参数

属性，有利于实现具体问题的一般化表达；40个发明原理是TRIZ中最重要、具有普遍用途的工具，它开启了l道解决发明问题的天窗，使原来认为不可能解决的问题获得突破性的进

展，40个发明原理现已从传统的工程领域扩展到微电子、医学、管理、文化教育等当今社

会的各个领域。39个通用工程参数和40个发明原理共同组成了冲突解决矩阵。

②物理冲突解决原理

TRIZ中解决物理矛盾有11种分离方法归结为4大分离原理，即空间分离、时间分离、基于条件的分离以及系统级别分离。

TRIZ通过中间工具建立了问题模型和解决方案模型之间的联系，是1种程式化的创新

设计方法。TRIZ具有良好的学习性、继承性和操作性。图4为TRIZ程式化解决冲突的流

程。

图4 TRIZ程式化解决冲突流程TRIZ理论在新型旋转展车台概念设计中的应用

3.1 问题分析

近年来4s汽车专卖店在我国迅速发展，每个品牌的4S店基本上都超过100家，但是我国轿车销售4S店除少数几个中高档品牌外，其余品牌的4S店现状已不容乐观。究其原因，除了国家宏观调控及轿车市场回归理性发展等因素外，成本太高也是不得不考虑的因素。据

调查，其场租每天在8～20元/㎡甚至更高，在目前汽车销售利润很薄的情况下，大部分经

销商很难承受如此昂贵的场租。因此，实现在有限场地展示更多的汽车成为问题解决的唯一

出路。

现有展车模式大部分是静态展车，静态展车模式致使在有限的汽车展示场地展示汽车数

量少，导致展示汽车品种少，满足不了用户多层次的需求。故可将此问题中的冲突定义为：

冲突l——展车数量一展车台尺寸；冲突2——展车面积希望大，这样展车数量就比较多；

展车面积希望小，这样汽车展示比较集中，便于顾客选择。

3.2 系统中的冲突解决

(1)利用技术冲突解决冲突l(见表1)。

表1技术冲突解决表

纵观40个发明原理，可选择15动态化原理来解决问题。动态化原理的具体描述为：使

物体或其环境自动调节，以使其在每个动作阶段的性能达到最佳；把物体分成几个部分，各

部分之间可相对改变位置；将不动的物体改变为可动的，或具有自适应性。

(2)将物理冲突转化为技术冲突解决冲突2冲突2为典型的物理矛盾，物理矛盾比技术

矛盾更尖锐，可选择4大分离原理来解决问题。英国Bath大学的Mann通过研究提出，解

决物理矛盾的分离原理与解决技术矛盾的发明原理之间存在关系。表2为分离原理与发明原

理关系表。

表2分离原理与发明原理的关系

对于冲突2，可选择分离原理中的空间分离原理来解决。将其转化成技术矛盾，则可利

用表2中相应的原理，即：1.分割原理；2.抽取原理；3.局部质量原理；4.非对称原理；7.嵌套原理；13.反向作用原理；17.空间维数变化原理；24.借助中介物原理；26.复制原理；30.柔性壳体或薄膜原理。并通过比较分析以上原理，选定17.空间维数变化原理来解决该物理

矛盾。

空间维数变化原理的具体描述为：将物体从一维变到二维或三维空间；单层排列的物体，变为多层排列；将物体倾斜或侧向放置；利用照射到临近表面或物体背面的光线。

3.3 最终理想解(IFR)

冲突1基于动态化原理，打破传统的静态展车模式，大胆采用动态化展车，将原来静态的展车台变为可运动的展车台。冲突2基于空间维数变化原理，采用摩天轮式垂直旋转方案，展车台单体向空间发展，实现由二维到三维的转变。

综合冲突1、2的解决方案，可得到最终的设计方案——新型垂直旋转展车台，采用整体结构垂直旋转，展车台单体均布于空间同一圆上。新型旋转展车台结构示意图如图5所示。

图5 新型旋转展车台不意图

1．展车台 2．展车台底座 3．毛肢 4.回转机构 5．中间支撑 6．底座实验研究

基于该方案，对新型旋转展车台进行了实验研究与实物设计制造。通过模型制作与运行调试，较为满意地达到了预期的效果，充分证明该结构形式的可行性、可制造性、可装配性、可组装性、可控性等。2008年6月山东建筑大学TRIZ研究所与青岛东轸泊车公司联合研制了3车位新型旋转展车台实物，该实物运行平稳，定位准确，证明了原理的正确性和可行性。结论

TRIZ理论可以让设计者快速准确的找到问题的解决方案，将其引入产品概念设计中，基于TRIZ的概念设计流程图可使问题的解决实现程式化，有规律可循。

第五篇：金属材料在产品设计中应用研究报告

金属材料在产品设计中应用研究报告

——钛合金

一、相关定义

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。α钛合金

它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。β钛合金

它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。α+β钛合金

它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50%～100%；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。

三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+β钛合金次之，β钛合金最差。α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。

钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。典型合金的成分和性能见表。

热处理钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。

二、应用领域

钛合金具有强度高而密度又小，机械性能好，韧性和抗蚀性能很好。另外，钛合金的工艺性能差，切削加工困难，在热加工中，非常容易吸收氢氧氮碳等杂质。还有抗磨性差，生产工艺复杂。钛的工业化生产是1948年开始的。航空工业发展的需要，使钛工业以平均每年约 8%的增长速度发展。目前世界钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。

钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等。

中国于1956年开始钛和钛合金研究；60年代中期开始钛材的工业化生产并研制成TB2合金。

钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。钛合金在军用飞机中的用量迅速增加，达到飞机结构重量的20%～25%。70年代起，民用机开始大量使用钛合金，如波音747客机用钛量达3640公斤以上。马赫数小于 2.5的飞机用钛主要是为了代替钢，以减轻结构重量。又如，美国SR-71 高空高速侦察机(飞行马赫数为3，飞行高度26212米)，钛占飞机结构重量的93%，号称“全钛”飞机。当航空发动机的推重比从4～6提高到8～10，压气机出口温度相应地从200～300°C增加到500～600°C时，原来用铝制造的低压压气机盘和叶片就必须改用钛合金，或用钛合金代替不锈钢制造高压压气机盘和叶片，以减轻结构重量。70年代，钛合金在航空发动机中的用量一般占结构总重量的20%～30%，主要用于制造压气机部件，如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、铸钛压气机机匣、中介机匣、轴承壳体等。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。高温钛合金

世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350℃。随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的IMI829、IMI834合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。表7为部分国家新型高温钛合金的最高使用温度[26]。

近几年国外把采用快速凝固/粉末冶金技术、纤维或颗粒增强复合材料研制钛合金作为高温钛合金的发展方向，使钛合金的使用温度可提高到650℃以上[1,27,29,31]。美国麦道公司采用快速凝固/粉末冶金技术戚功地研制出一种高纯度、高致密性钛合金，在760℃下其强度相当于目前室温下使用的钛合金强度[26]。

钛铝化合物为基的钛合金

与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料[26]。

目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产。其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等[29]。TiAl（γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.%），此处M为v、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和W中的至少一种元素。最近，TiAl3为基的钛合金开始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金[1]。

高强高韧β型钛合金

β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种[26,30]：

Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al），该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能；

Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上；

β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材；

日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000%，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件；

俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1105MPA以上。

阻燃钛合金

常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。羌国研制出的Alloy c（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件[26]。

医用钛合金

钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植入人体的植入物等。目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4v ELI合金。但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。美国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4v ELI。与α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的强度水乎，以及更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。在美国，已有5种β钛合金被推荐至医学领域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal 21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne 1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。估计在不久的将来，此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4V ELI合金[28,32]。

三、加工工艺

1、热处理

常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常α合金和（α+β）合金退火温度选在（α+β）─→β相转变点以下120～200℃；固溶和时效处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到α相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的目的。通常(α+β)合金的淬火在(α+β)─→β相转变点以下40～100℃进行，亚稳定β合金淬火在(α+β)─→β相转变点以上40～80℃进行。时效处理温度一般为450～550℃。

总结，钛合金的热处理工艺可以归纳为：

（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。

（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性。

（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度，α钛合金和稳定的β钛合金不能进行强化热处理，在生产中只进行退火。α+β钛合金和含有少量α相的亚稳β钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。

此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、β热处理、形变热处理等金属热处理工艺。

2、切削 切削特点

钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：

(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。

(2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/5～1/7)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。

(3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20%，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。

(4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。

(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f<0.1 mm/r时，磨损主要发生在后刀面上；当f>0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax<0.4 mm较合适。

在铣削加工中，由于钛合金材料的导热系数低，而且切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削变形区和切削刃附近的较小范围内，加工时切削刃刃口处会产生极高的切削温度，将大大缩短刀具寿命。对于钛合金Ti6Al4V来说，在刀具强度和机床功率允许的条件下，切削温度的高低是影响刀具寿命的关键因素，而并非切削力的大小。

刀具材料

切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG类硬质合金比较合适。由于高速钢的耐热性差，因此应尽量采用硬质合金制作的刀具。常用的硬质合金刀具材料有YG8、YG3、YG6X、YG6A、813、643、YS2T和YD15等。

涂层刀片和YT类硬质合金会与钛合金产生剧烈的亲和作用，加剧刀具的粘结磨损，不宜用来切削钛合金；对于复杂、多刃刀具，可选用高钒高速钢(如W12Cr4V4Mo)、高钴高速钢(如W2Mo9Cr4VCo8)或铝高速钢(如W6Mo5Cr4V2Al、M10Mo4Cr4V3Al)等刀具材料，适于制作切削钛合金的钻头、铰刀、立铣刀、拉刀、丝锥等刀具。

采用金刚石和立方氮化硼作刀具切削钛合金，可取得显著效果。如用天然金刚石刀具在乳化液冷却的条件下，切削速度可达200 m/min；若不用切削液，在同等磨损量时，允许的切削速度仅为100m/min。

注意事项

在切削钛合金的过程中，应注意的事项有：

(1)由于钛合金的弹性模量小，工件在加工中的夹紧变形和受力变形大，会降低工件的加工精度；工件安装时夹紧力不宜过大，必要时可增加辅助支承。

(2)如果使用含氢的切削液，切削过程中在高温下将分解释放出氢气，被钛吸收引起氢脆；也可能引起钛合金高温应力腐蚀开裂。

(3)切削液中的氯化物使用时还可能分解或挥发有毒气体，使用时宜采取安全防护措施，否则不应使用；切削后应及时用不含氯的清洗剂彻底清洗零件，清除含氯残留物。

(4)禁止使用铅或锌基合金制作的工、夹具与钛合金接触，铜、锡、镉及其合金也同样禁止使用。

(5)与钛合金接触的所有工、夹具或其他装置都必须洁净；经清洗过的钛合金零件，要防止油脂或指印污染，否则以后可能造成盐(氯化钠)的应力腐蚀。

(6)一般情况下切削加工钛合金时，没有发火危险，只有在微量切削时，切下的细小切屑才有发火燃烧现象。为了避免火灾，除大量浇注切削液之外，还应防止切屑在机床上堆积，刀具用钝后立即进行更换，或降低切削速度，加大进给量以加大切屑厚度。若一旦着火，应采用滑石粉、石灰石粉末、干砂等灭火器材进行扑灭，严禁使用四氯化碳、二氧化碳灭火器，也不能浇水，因为水能加速燃烧，甚至导致氢爆炸。

建筑与艺术学院工业设计1101班

尹曦墨