1、 工程机械品形态设计在设计几何学应用研究第 1 章 绪 论1.1 研究背景与选题依据随着我国城市的快速发展、基础建设的兴起，工程机械产品市场日益扩大。我国工程机械制造商一直致力于完善功能、优化性能、强化结构、提高安全等方面的探索，而忽视了工程机械形态设计方面的思考和研究，再纵观近几年的发展，技术透明化所引发的产品同质化现象使各厂家的技术、功能与价格差异并不是很大，在这种情况下，形态成为最重要的竞争因素。而在工程机械产品形态设计领域，我国与发达国家有着较大的差距。工程机械产品具有使用周期长不能经常改变造型的行业特点，因此具有直观性和可比性、并作为工程机械产品形态中最重要特征之一的几何比例显得尤为
2、重要。和谐的几何比例关系对构成工程机械产品形态的整体感和平衡感十分关紧，因此在工程机械形态设计中引入设计几何学的研究是非常必要的。国内很多相关领域提到设计几何学的概念和应用，但没有在工程机械领域的论述，所以本文献非常值得研究。国外相关设计几何学的研究起步较早也较成熟。设计几何学的基本原理和方法早在包豪斯时期就成为设计教育的基础课程。 1931 年，勒 柯布西耶在他的走向新建筑（Towards a new architecture）一书中谈到：几何学是人类的语言人类已经发现了许多韵律，这些韵律对人眼是明显的，它们之间的彼此关系是十分清楚的，这些韵律是人类各种活动的原本基础1 。马克斯 比尔在今日
3、板式交流中曾说过：创造一种主要基于数学思维的艺术是有可能的2。 2003 年金伯利 伊拉姆的设计几何学从视觉上解释了几何构成的各种原理2。 雅典帕提农神庙、巴黎圣母院主教堂等著名的建筑作品都蕴涵设计几何学的基本研究，如今设计几何学已发展成为建筑设计领域的行业设计标准。.1.2 研究内容本文是以设计几何学为理论基础和研究方法，对工程机械产品的形态进行研究，解决工程机械形态设计中几何形态关系问题。首先，我们引入设计几何学概念，分析其在生活中的体现，从设计比例和构成方面展开深入研究，了解在几何形态与构成比例上符合设计几何学的各种几何规律，以及在其主要领域的应用。其次，对工程机械产品进行概述及形态进行
4、分析，挖掘设计几何学原理与工程机械产品形态设计中的内在联系，得出我国工程机械产品存在的一些缺陷和不足。再次，就工程机械产品形态设计过程中，分析引入设计几何学的必要性及其制约因素，结合案例归纳出设计几何学在工程机械产品形态创新设计中的方法和原则。最后，通过实际设计案例，验证了这种设计原则和方法在工程机械产品形态设计中的应用（可行性），通过这一探索为今后相关设计提供参考并指导实际的设计案例，如表 1-1 所示。国内工程机械外观设计落后于世界发达水平，可借鉴程度较低，而且调查工程机械需要涉及的种类很多，领域复杂，所以作者需要采集收集国外大量数据进行整理总结，因此，由于缺乏足够精力和时间是本次毕业论文
5、研究过程中首先要客服的问题。.第 2 章 设计几何学简述2.1 设计几何学的含义设计几何学并非纯粹数学意义上的几何学，而是设计与几何的完美结合，是运用几何作图技巧来达成空间的分隔，呈现尺度、比例与序列3 。设计几何学是设计比例和构成的研究，是典型的应用几何学。设计学是一门科学与艺术相融合的交叉学科，既是充满感性的，又必须具备理性的特点。几何学在设计与数学的结合过程中扮演了重要的角色，因为几何学在抽象的数学中最为直观和形象，也同样具有设计学感性与理性这俩个特点，并且两者相融合的非常完美，设计几何学将设计与几何的完美结合，达成二维三维的空间分割原则和方法，使其在产品设计等设计中发挥基本尺度、比例、
6、构成的指导作用。是典型的应用几何学。传统的几何学是强调逻辑数理关系，而设计几何学更强调调合、均衡、节奏等形式美感（视觉法式），事实上，设计几何已经成为辅助设计师设计的一种设计手段。有明显的证据表明，雅典帕提农神庙 、巴黎圣母院大教堂 等著名的建筑作品都大量应用过设计几何学的基本研究方法。.2.2 设计几何学的研究方法柯布西耶主张运用简单分割辅助线来确定长、宽、高的比例，以帮助确定各个部分的位置。点只有位置，过于细小，又过于局限也不能完整体现形态，面过于复杂，无法清晰分析，而线介于点和面之间，最适合。借助辅助线研究形态几何比例关系，例如将黄金分割矩形作为基本体形的尺度限制，在基本体形的尺度之上再
7、进行内部设计，这样既把握了基本的比例又可自由发挥进行设计创作。有助于清晰分析（协调）机身各个部件的比例和位置，辅助线法的运用如图 2-8 所示。有一类几何证明，经常需要使用某个相关图形，但由于条件设置的原因，并没有找到这个相关图形，需要绘制出这些图形来得出结论，常用的方法有绘制一些规则的图形，如等比三角形等，或把线段和角度进行和差倍分。在绘图时辅助线的使用不仅可以协助设计师准确构图，还能帮助检测各部分之间的比例和位置是否准确。在绘制设计草图时，一般采用垂直、水平或倾斜放置辅助线来协助造型设计，画垂直线确定产品的重心，画水平线衡量物体之间的高低关系或同一物体组成部分间的上下差异，画中轴线检查产品
8、的对称关系及稳定性，斜线衡量物体间的以及物体本身的倾斜度。第 3 章 工程机械产品形态设计概述. 263.1 工程机械产品概述 . 263.1.1 工程机械产品的概念 . 263.1.2 工程机械产品的分类 . 263.2 工程机械产品形态概述 . 273.3 工程机械产品形态分析 . 323.4 对工程机械产品形态设计启示 . 363.5 本章小结 . 36第 4 章 将设计几何学引入工程机械产品形态设计分析. 374.1 将设计几何学引入工程机械产品形态设计的必要性分析 . 374.2 将设计几何学引入工程机械产品形态设计的制约因素 . 404.3 基于设计几何学的工程机械产品形态设计原则
9、 . 464.4 基于设计几何学的工程机械产品形态设计方法 . 484.5 本章小结 . 56第 5 章 设计几何学指导下的工程机械产品形态设计. 575.1 设计背景 . 575.2 设计要求 . 575.3 设计流程 . 575.4 本章小结 . 72第 5 章 设计几何学指导下的工程机械产品形态设计实践验证5.1 设计背景挖装机外观设计项目是由秦皇岛天业通联重工股份有限公司委托我校进行的产品设计开发项目。由于天业通联之前没有生产挖装机的生产事业，2010 年天业通联成功上市后，挖装机的设计研发便进入了企业战略规划之中，天业通联结合自己的工程机械技术很快就创建了一个样机，但外观内饰的设计没
10、有太多的投入，为了更地进入挖装机这一新的市场，企业委托我校来进行形态设计。挖装机由机械手臂与传输装置相结合，是集扒渣和输送装车功能合二为一的工程机械产品，广泛用于隧道掘进、矿山碎石材料的收集和装载，以及露天散碎物料装车作业21。适用于矿山、铁路、公路、水利水电等工程，主要用于隧道、隧洞、矿洞、等等环境下，用来解决 39 米的狭窄空间渣石装载问题，是矿山及遂洞必不可少的先进的采矿和除渣装备。国外挖装机起步较早，但由于挖装机主要是用来隧洞出渣，用途相对简单一，所以生产厂家并不多，目前只有两家企业生产，一家是美国的特雷克斯旗下的 ITC SA 公司；另一家是日本的凯姆科夏夫公司，代表机型分别为 IT
11、C312 系列和KL20ES22。结论本文以设计几何学为基础理论，重点分析了设计几何学原理与工程机械产品形态设计中的内在联系，结合实例归纳总结了创新工程机械产品形态设计的方法和原则，最后运用设计几何学的基本原理与方法与实践相结合完成 8 套草图方案，并对方案进行了论证和优化。第一，课题通过对自然生物、生活物品、古代建筑等方面的剖析，了解了在几何形态与构成比例上符合设计几何学的各种几何规律，并将设计几何学的构成规律与工程机械产品形态设计有机结合，使我们认识到在工程机械产品形态设计中应进一步加大对几何形态的归纳与提炼，从几何形态、块面体量等方面研究设计几何学的原理方法与工程机械产品形态设计的内在关联性，并直接运用与设计实践，以此提升工程机械产品的视觉效果。第二，结合实践案例，通过设计几何学引入工程机械产品形态设计的必要性分析，同时剖析在工程机械产品形态设计过程中制约设计几何学引入的技术、人机和文化等制约因素，得出基于设计几何学的工程机械形态设计的原则和方法，以此应用于设计实践。
