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摘要：对称美学思想在机械设计中的应用不仅涉及机械设计学、产品造型学等相关理论，还会涉及诸多对称美学思想的应用法则。将对称美学思想应用到机械产品设计中，既能实现机械产品外观、内部结构、知识模型等方面的对称，还能体现出机械产品设计的功能性、艺术性及层次性。本研究关于对称美学思想在机械设计中的应用研究，主要是将机械产品设计作为对称美学应用的研究对象，将对称美学思想作为机械产品设计的切入点，重点分析对称美学思想的内涵，解读机械设计的对称美学应用原则，发现机械对称美学的实用价值，进而通过此次研究，更好的发挥出对称美学思想在机械产品设计审美性、内涵性、功能性等方面的作用，使机械产品设计与对称美思想相结合，助力工业技术及行业发展。
关键词：对称美学思想；机械设计；应用
对于机械设计而言，持续提升产品的生产工艺及设计理念，使其兼具审美功能、技术功能，不仅能确保企业在激烈的市场环境中占据市场份额，同时也能帮助企业在全球化竞争的氛围里脱颖而出。现阶段，我国在宏观政策方面为机械制造企业提供许多核心技术及共性支持，这种良性竞争的行业发展规律，不仅有助于强化对称美学思想在机械设计中的应用，更有助于减少我国与其他国家在机械产品生产、设计等方面的差距。在机械设计过程中融入对称美学思想，使机械产品设计既具备美学价值，又兼具机械功能，通过对称美学应用法则对产品的外观及内部构造进行设计，通过大众的审美标准对机械设计的各个环节进行规范，使机械产品设计、品牌增值、企业发展更具竞争力。
1对称美学思想的内涵
对称美学思想，属于科学美学的研究范畴，科学美学是美学法则在时间沉淀、观念进化过程中衍生出的思想理念，这些理念间既存在互依互补的关系，又表现出相谐相反的秩序，既存在单独性、美妙性、对称性，又具备成对性、破缺性及多样性。对称美学思想的内涵，不仅反应出社会大众对自然界美学生物对称性表现的观察与理解，同时还反映出社会大众对自然界对称美思想内涵的探索与研究。关于对称美学思想，可以结合自然界中的对称美现象进行研究，例如，雪花是一种具备感性特征的自然生物，其在内部结构及外部形态方面，均表现出较明显的科学美及对称美特征。自然界的大部分生物，往往都是因为具备对称美特性，而反映出其自身形态或结构的协调性或美观性，其中包括人类的形体或面部结构，恰好也是由于具备对称性而表现出强烈的美感，假如由于某种原因使这种对称性遭到破坏，就会造成对称美学思想的缺失。类似于这种简单的表现性对称美，几乎所有人都可以感知并获得切身体会，可见其作为感性审美思想，不仅具备适用性，还具备普遍性。除表现性对称美以外，自然界发展规律中还包括内涵性对称美，这种对称美学思想不仅具备理性、复杂的特征，还因其深奥性及多元性，受到许多专家学者的广泛关注。2006年，冯培恩及其研究团队首次提出对称性理论存在于机械产品设计的整个过程，并在机械产品设计阶段发挥着重要作用。历时6年的时间，在冯培恩及其研究团队的不懈努力下，对称性理论在机械设计中的应用与研究取得了重大突破，以对称性理论在机械产品广义功能设计方面表现出的约束性、功能性为基础，冯培恩重新对功能对称要素进行定义，通过研究变换操作与对称基准、对称主体、对称组元等要素的区别，构建出完全符合功能对称体系要求的树状结构模型。从对称美学思想的内涵出发，构建出多种类型的机械产品设计，从中挑选出符合产品设计原理、满足机械设计要求的标准，深入研究对称美学思想在机械产品设计结构方式、功能方式及存在方式等方面的内涵，探索机械产品设计中美学法则及规律性知识的应用。对称美学思想的内涵研究，可以借鉴广义相对论研究的经验，先提出一个对称美学思想应用的假设，再套用合适的求解公式，最后通过实验证明对称美学思想符合机械产品设计的结论。
2机械设计的对称美学原则
2.1设计中的变化与统一
机械产品设计应遵循对称美学思想及美学应用法则，时刻关注市场变化，积极探索与其他同类型产品之间的差异，通过机械产品外观、材质、颜色、结构、形态等元素的变化，表现出机械产品设计的个性化特征。机械产品设计的风格不仅体现在色彩搭配的丰富性、材料应用的多元性、模块构建的层次性、外形设计的变化性等方面，还体现在机械产品相关设计元素的协调性及统一性方面。确保机械设计中相关元素的变化性与设计风格的统一性，才能充分体现出机械产品的审美价值。将对称美学原则应用到机械设计中，通过设计元素的变化，充分展现产品的设计风格，通过产品外部形态的变化、颜色搭配的顺序与其他设计元素之间相互协调、相互影响、相互呼应的关系，充分展现产品的统一韵味。通过材质、色彩、外部形态的变化，可以有效提升机械产品的审美价值，但在强调美学效果的同时，需要与肌理、对比、呼应、韵律相结合，提升造型整体的协调性。例如，在设计中确定主体色调，不仅要体现出产品的审美价值，还要综合产品的设计风格、类型、功能、使用环境等相关因素；确定辅助色，不仅要体现出品牌的个性化及辨识度，还要与主体色调相呼应，尽量满足大众的审美需求；确定产品材质，不仅要考虑产品的生产成本，还要与机械设计的整体风格相匹配。将对称美学原则应用到机械设计中，既要实现造型整体的统一性，又要关注产品局部的变化，既要保证机械产品的实用性，又要体现机械设计的对称美学原则。
2.2设计中的对称与平衡
细心观察自然界中的生物，具备对称性特征的物体或物质形态无处不在，诸如动物、植物、建筑物，甚至于电子产品等，这些都具备明显的对称美特征及对称性发展规律，此也是对称美学原则被广泛应用到机械设计的原因之一。在机械设计中，对称主要体现在产品的比例、结构等方面，而平衡则是产品内部物理学及力学原理的具体体现。将对称美学原则应用到机械设计，通过轴对称、中心对称的方式，使机械产品展现出独特的对称美学思想及对称性造型语言，只有具备美学法则、对称性造型语言的机械设计，才是符合大众审美，具有品牌特色的产品。在机械设计中，结合对称美与平衡性设计元素，使产品整体呈现稳定、工整、排列有序的造型，通过美学法则的应用，淋漓尽致的展现出机械产品设计的缜密性、实用性。将对称美学原则应用到机械设计，不仅要展现出产品的审美价值，还应依据机械产品的使用环境及作业内容，将产品的对称性及平衡性落实到机械设计中。协调控制局部零件与产品整体结构间的平衡关系，准确把握内部结构与外部形态间的对称关系，确保机械产品设计的严谨性、产品使用的安全性、产品造型的紧凑性，使机械设计由整体到局部，由视觉到触觉，全部符合对称美学应用原则。使大众对产品的实用价值、生产工艺、设计理念产生认同感，帮助产品建立并维护好用户群体，帮助用户在获得视觉愉悦感的同时，进一步感受到产品的安全性及稳定性。
2.3设计中的韵律与节奏
机械设计经常会遇到同一种设计元素频繁出现、重复使用的现象，这种极具特色、有规律的设计风格，通常可以理解成机械设计的造型语言，其不仅能表现出机械设计的韵律，还会因为设计元素的丰富变化，充分展现出机械设计的节奏。通过韵律与节奏，反映机械设计的对称美学思想，产品本身由于具备节奏感而使韵律感有所提升，韵律感则会带动节奏感产生多元性的变化，两者之间因为相互影响、相互依存的关系，获得长远的发展。节奏通常被定义成反复出现的内部结构或外部形态，其复杂、多变的形式需要通过韵律显示或表达，可见韵律不仅是节奏的表现形式，还会因为其在机械设计中的变化，使节奏产生趣味性及美观性。设计者在机械设计过程中涉及产品外形的部分，往往会通过造型、线条、颜色、形态、材质等设计元素的变化，运用回旋、渐变、交替、重复、间隔、起伏等表现形式的转换，充分展现出产品的韵律与节奏。借助外部形态，增加机械设计的空间感；借助产品主体色调与辅助色调的转换，增加机械设计的层次感；借助产品材质的变换、复用，增加机械设计中局部造型与整体秩序的协调性，充分展现出机械设计的趣味性、灵动性及美观性。对称美学原则的应用对于机械设计至关重要，具备对称美学思想的节奏、富有对称美学思想的韵律，不仅能增加机械外形设计的动态元素，还能进一步加强机械设计的艺术性及美观性，有规律的节奏、起伏的韵律，既能提升机械设计的艺术价值，还能左右使用者的情感变化。
3机械对称美学的实用价值
机械对称美学的实用价值主要体现在机械产品的材料运用、工艺选择、层次构建等方面，在机械设计中，产品的实用价值应结合生产环境、设计需求、使用频率等，使其具备相应的物理功能。鉴于审美价值与实用价值在形式及内容方面表现出的密不可分的关系，要想在形式上体现出对称美学思想，就要满足科学、合理的设计要求，否则永远无法实现机械产品的实用价值。机械设计本身就属于目的性较强的活动，要想在功能上体现出对称美学思想，就要增加机械设计的艺术功能，强调机械产品的审美价值，将对称美学思想应用到机械设计中，充分发挥出机械产品的实用价值。机械设计针对的产品普遍存在固定用途，或对专业性要求极高，品质较好的产品还应在外形上具备多变、起伏的特征。具备审美价值的机械产品，一方面，可以通过外部形态迅速吸引使用者的注意力，进而影响到使用者的情感表达，通过视觉观感影响使用者的心理变化，使其对产品产生高度的认同感，这也是大部分设计者重视产品审美价值，在机械设计中强调艺术性的原因之一；另一方面，就机械产品的实用价值而言，无论设计者在机械设计中如何强调产品的形式美，归根结底还是要以机械产品的功能美为主，只有兼具功能性及美观性的机械产品，才是符合对称美学思想，具备实用价值的机械设计。在机械设计中，不仅要关注产品材质的选择，还要结合零部件与产品整体结构在角度、位置、比例、层次的关系，充分利用好对称美学思想，使零部件之间、零部件与产品整体结构之间形成最佳比例关系，这样才能体现出机械产品的对称性、美观性。对比原则及调和原则是机械设计过程中实现最佳比例关系，确保产品舒适性、稳定性、安全性、功能性的基本原则。在满足实用价值的前提下，将对称美学思想应用到机械设计中，结合颜色、材质、层次、外观等设计元素，使机械产品兼具审美价值及实用价值，既符合美学法则的应用规律，又符合使用者、设计者对该类型产品造型方面的要求。在机械设计中，对称美学思想的实用价值主要体现在以下几个方面：
3.1单主体复合对称形态
在机械设计中，通过应用对称美学思想充分展现产品的实用价值，不仅要满足大众的审美观念，还要满足使用者对产品的设计需求。机械产品的实用功能主要包括：信息存储，能量传输，物料混合、传递、准备、制造、提纯等，此外，根据信息调控、检测、处理的要求，改变能量传输的方向、内部组元的大小，均属于机械产品对称美学思想应具备的实用价值。以六角螺母为例，此类型物体或形态通常分为内表面与外表面，外表面整体呈现旋镜射多维复合对称形态，内表面则属于旋移复合对称形态，此类型物体可以实现差异化载体的集成性与功能性，通过其与螺杆的紧固与配合，可以连接、锁紧单主体联接件，六角螺母如图1所示。
3.2单主体多层次复合对称形态
此类型机械产品反映出的对称美学思想，主要体现在结构层次的功能性及实用性方面。此类型产品更注重机械设计的满足性及约束性，注重产品实用价值在零部件外形、重量、尺寸等方面的体现，以及其与整体之间在结构、层次等方面产生的共振与呼应。以平衡轴支撑座为例，此产品属于不可拆卸型、整体支撑结构部件，整个部件的上层结构可将YZ或XY作为对称轴，使部件整体呈现二维镜射对称形态；部件的下层结构主是轴承，可将O1或O2作为对称轴，形成中轴旋转对称形态。将对称美学思想应用到此类型机械产品，应注意结合物理学有关变形协调、力的平衡及并联复合分置等应用原理，使具备实用价值的同类型机械产品，充分发挥出传力与均衡受力，平行轴支撑座如图2所示。
3.3多主体复合对称形态
此类型机械产品反映出的对称美学思想，主要体现在产品的工作效率方面。以整体结构矩形花键拉刀为例，该产品的前导部、过渡锥部、头部及颈部均可设置成对称主体，将Y轴作为对称轴，形成旋转对称形态，充分体现出该产品的连接功能、传力功能及导向功能。将产品中段切削部设置成对称主体，将Y轴作为对称轴，形成标度平移对称形态，充分体现出该产品切削物料的连续性及功能性；通过XZ形成多维镜射对称形态，通过Y轴形成旋转对称形态，进一步满足零部件在加工过程中对多维镜射、平移、旋转等对称形态造成的约束。将对称美学思想应用到此类型机械产品，应注意结合载体的串联分置功能及复合对称形态，在确保产品一次成型的前提下，尽量提高工作效率，整体结构矩形花键拉刀简图如图3所示。
4结束语
对称美学思想在机械设计中的应用，不仅能体现机械产品的实用价值，还能结合机械设计的可行性、功能性、需求性，充分展现机械产品的审美价值。从机械设计的角度出发，可知对称美学思想为机械设计的核心，实用价值为对称美学思想实现的关键。通过对称美学思想在机械设计中的意义进行分析，研究对称美学思想的内涵以及对称美学思想的应用原则，使机械设计的思路更清晰，通过内部结构与外部形态的协调变化，可进一步展现机械产品的实用价值与审美价值。在实际工作中，大部分机械产品需要承担繁重的装载或挖掘任务，设计者为满足使用者在视觉方面的感受，既要凸显出造型设计的美感，还要在外部形态上营造出安全、稳定的操作效果，可见，研究、应用对称美学思想及其在机械设计中的应用原则，不仅能获取更多的设计灵感，还能在满足设计需求的同时，充分运用美学法则、对称美学规律，进一步实现机械产品的功能性及实用性。
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作者:万程 马彧 单位:天津城建大学 天津工业大学