有限元分析在智能设计中的应用探究

来源：核心期刊咨询网时间：2021-12-23 13:3912

摘要：引言 在信息时代下，大数据、人工智能等数字技术威力初显，正积极与实体经济深度融合，完成信息化与工业化的两化融合。各个领域普遍开展产业的数字化转变。工业设计研究领域也与时俱进，积极吸取大数据、人工智能等重要信息技术，不断探寻与设计研究的结合点，通过技术

　　引言

　　在信息时代下，大数据、人工智能等数字技术威力初显，正积极与实体经济深度融合，完成信息化与工业化的“两化融合”。各个领域普遍开展产业的数字化转变。工业设计研究领域也与时俱进，积极吸取大数据、人工智能等重要信息技术，不断探寻与设计研究的结合点，通过技术赋能深度挖掘设计潜能。学界也积极开展相关探索，微观层面有如裴卉宁等人，对深度学习算法在产品设计中具体应用开展的研究;也有宏观层面如陆继翔等人对数字化下衍生出的智能设计趋势做的研究。与数字技术的结合丰富了设计的内涵，拓宽了设计的边界。在可以预见的未来，工业设计与数字技术的融合研究还将会在多角度，各层次依次展开，这也为设计助力国家制造业升级增添新的动力。

　　一、智能设计研究简述

　　(一)智能设计研究简述

　　多学科、多领域融合发展是工业设计发展的重要特征。数字化时代下，其中一个重要方向是设计研究的“脱实向虚”，即以数字形式，借助数据挖掘、人工智能等智能方法进行，即 智能设计。学界对智能设计的研究方兴未艾，切入点各异，总结后其大致包括“以数字信息为主要设计资料，以智能方法为主要设计方式，以数字形式为主要呈现方式”三个主要环节。

　　1.以数字信息为主要设计资料

　　如今世界已然进入数字化时代，对数据的重视与利用是这个时代的注脚。设计研究者也将目光投向大数据，从中筛选出用户需求、市场走向等关键信息，并以此为主要设计依据推动后续设计过程。这个环节的研究重点在于如何从海量数据中准确提取关键信息。基于此，很多设计学、计算机专业的学者都对此作了研究尝试。针对产品评论，有刘键 等人基于文本挖掘，提出了一套基于数据驱动的自动化生成设计方法，极大地提高了设计效率;针对产品族生命周期赖荣燊等人通过选取产品族生命周期数据，提出了数据驱动的产品族绿色化再设计系统方法，并阐述了该系统方法的关键环节与使能技术/思路。

　　这些研究都是将相关数据作为研究的源头，并完全承载了后续研究过程，对数据的应用主导了整个设计过程。这些都证明了数据对于设计的价值，是数据驱动设计的基石。以数据作为设计资料需要有多层次、针对性的数据处理方法的支持，包括数据采集，数据处理，数据挖掘等步骤，可以根据具体需求用网络爬虫，python的pandas库，SPSS，自然语言处理等技术来完成。细分来讲，对不同的研究任务，采用的数据类型(该数据是否是所需信息的映射)、原始数据—设计信息对应方式(能否设计出有效的对应方法)，语义提取所用的算法(自然语言处理结果的准确率如何)等细节问题都会直接影响研究结果。数据的选取决定了研究结果的合理性与上限，算法决定了结果的准确性，需慎重对待。其中每个环节都值得深入研究，在此就不做深入探讨了。

　　2.以智能方法为主要设计方式

　　徐悬等人以智能化水平为标准将设计方法分为“传统设计方法、基于程序的设计方法、基于数据驱动的生成设计方法”三类，其中后两类与以数字技术为主的设计方式大致相当。特点是以计算机特定算法，或深度学习等人工智能方法解决设计关键决策，在设计求解环节占有很大比重。

　　可以说这个环节最淋漓尽致地展现了智能设计中“智能”特点。工业设计是理性与感性交叉的学科，智能方法主要帮助设计师完成设计决策，如初建杰等人基于分类器链算法，结合混淆矩阵，构建了一种产品多标签意象识别方法，能快速识别用户对产品意象的认知;对于一些简单的设计目标则有更直接的尝试，如Oh S等人提出了一种将遗传算法与拓扑优化相结合的设计自动化过程，能够按照一定既定规则，自动化地生成汽车车轮方案，极大推动了设计进程。这个环节设计研究与智能化结合度较高，包括多种深度学习、人工智能方法，结合点也有诸多差别，有简单地利用智能方法完成单个步骤的求解，也有直接生成最终的方案。但也有一定缺点，诸如欠缺考虑某些隐性设计因素，导致结果不准确，或是市场变化导致结果有很强的滞后性等。另外还有个很明显的缺点，即机器生成的设计方案大多不够精致，难以直接投入市场。而建设能产出高质量作品的程序又需要极大的训练成本，因此该研究路径前路漫漫，距离全面投产还有较长的路要走。

　　3.以数字形式为主要呈现方式

　　长久以来，设计软件都是设计师完成设计的重要途径，如solidworks，犀牛等都广泛应用在设计当中。但如今软件并不只是作为单纯的设计方案“描述”工具，通过学者的发掘，如今设计软件还带有辅助生成，自定义开发等高阶功能。如刘永红等人总结的一系列“基于CAD参数化的生成式产品设计”文献，就是软件辅助生成的典型案例，使设计师从创建者的角色转变到评估者的角色。又如邰鑫等人利用VC对SolidWorks进行了二次开发，实现了播种机零部件的参数化设计。此外还有零部件库、方案快速生成、方案即时评估等功能。

　　数字化的方案呈现给智能技术的嵌入提供了基础，而智能化的方案呈现方式能极大地减轻了设计师的负担，缩减设计周期;也为设计师敲定方案提供了很多及时的支持;也能实现智能赋能，增加方案多样性。

　　(二)智能设计方案的可行性分析

　　综上所述，现有的智能化设计研究已经涵盖了设计的需求获取、解决方案求解、方案表现等主要阶段。但在该研究路径下，方案产出后续环节的研究较少，数字化背景下的产品可行性分析領域并未像前期阶段那样吸引很多学者的目光。常规的产品可行性测试方法如用户访谈、制作原型等无疑会拖累了整体的设计节奏。我国工业设计的创新生态正在向全产业链，全生命周期的设计产业演进，在此背景下智能设计研究目标应为全覆盖设计产业。因此需要有相应的方法来完成产品可行性分析，补上这缺失的一环，完善智能设计研究的“最后一公里”问题。

　　其实很多现有研究值得借鉴，如李稼桢等人用TRIZ的系统冲突理论对公交车内部消防装置进行了改良优化;唐晓涵等人基于产品家族理论和产品组合理论，归纳总结出办公家具企业构筑产品家族的可行性基础。可以借鉴他们基于系统的研究方法，并改造成评价矩阵：针对不同产品类型构筑特定的关系矩阵，涵盖重要的评价指标，将最终设计产品置于其中获得评价系数。

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