對稱美學思想在機械設計中的應用研究

萬程 馬彧

（1.天津城建大學 天津 300384 2.天津工業大學 天津 300387）

對于機械設計而言，持續提升產品的生產工藝及設計理念，使其兼具審美功能、技術功能，不僅能確保企業在激烈的市場環境中占據市場份額，同時也能幫助企業在全球化競爭的氛圍里脫穎而出。現階段，我國在宏觀政策方面為機械制造企業提供許多核心技術及共性支持，這種良性競爭的行業發展規律，不僅有助于強化對稱美學思想在機械設計中的應用，更有助于減少我國與其他國家在機械產品生產、設計等方面的差距。在機械設計過程中融入對稱美學思想，使機械產品設計既具備美學價值，又兼具機械功能，通過對稱美學應用法則對產品的外觀及內部構造進行設計，通過大眾的審美標準對機械設計的各個環節進行規范，使機械產品設計、品牌增值、企業發展更具競爭力。

1 對稱美學思想的內涵

對稱美學思想，屬于科學美學的研究范疇，科學美學是美學法則在時間沉淀、觀念進化過程中衍生出的思想理念，這些理念間既存在互依互補的關系，又表現出相諧相反的秩序，既存在單獨性、美妙性、對稱性，又具備成對性、破缺性及多樣性。對稱美學思想的內涵，不僅反應出社會大眾對自然界美學生物對稱性表現的觀察與理解，同時還反映出社會大眾對自然界對稱美思想內涵的探索與研究。關于對稱美學思想，可以結合自然界中的對稱美現象進行研究，例如，雪花是一種具備感性特征的自然生物，其在內部結構及外部形態方面，均表現出較明顯的科學美及對稱美特征。自然界的大部分生物，往往都是因為具備對稱美特性，而反映出其自身形態或結構的協調性或美觀性，其中包括人類的形體或面部結構，恰好也是由于具備對稱性而表現出強烈的美感，假如由于某種原因使這種對稱性遭到破壞，就會造成對稱美學思想的缺失。類似于這種簡單的表現性對稱美，幾乎所有人都可以感知并獲得切身體會，可見其作為感性審美思想，不僅具備適用性，還具備普遍性。

除表現性對稱美以外，自然界發展規律中還包括內涵性對稱美，這種對稱美學思想不僅具備理性、復雜的特征，還因其深奧性及多元性，受到許多專家學者的廣泛關注。2006年，馮培恩及其研究團隊首次提出對稱性理論存在于機械產品設計的整個過程，并在機械產品設計階段發揮著重要作用。歷時6年的時間，在馮培恩及其研究團隊的不懈努力下，對稱性理論在機械設計中的應用與研究取得了重大突破，以對稱性理論在機械產品廣義功能設計方面表現出的約束性、功能性為基礎，馮培恩重新對功能對稱要素進行定義，通過研究變換操作與對稱基準、對稱主體、對稱組元等要素的區別，構建出完全符合功能對稱體系要求的樹狀結構模型。從對稱美學思想的內涵出發，構建出多種類型的機械產品設計，從中挑選出符合產品設計原理、滿足機械設計要求的標準，深入研究對稱美學思想在機械產品設計結構方式、功能方式及存在方式等方面的內涵，探索機械產品設計中美學法則及規律性知識的應用。對稱美學思想的內涵研究，可以借鑒廣義相對論研究的經驗，先提出一個對稱美學思想應用的假設，再套用合適的求解公式，最后通過實驗證明對稱美學思想符合機械產品設計的結論。

2 機械設計的對稱美學原則

2.1 設計中的變化與統一

機械產品設計應遵循對稱美學思想及美學應用法則，時刻關注市場變化，積極探索與其他同類型產品之間的差異，通過機械產品外觀、材質、顏色、結構、形態等元素的變化，表現出機械產品設計的個性化特征。機械產品設計的風格不僅體現在色彩搭配的豐富性、材料應用的多元性、模塊構建的層次性、外形設計的變化性等方面，還體現在機械產品相關設計元素的協調性及統一性方面。確保機械設計中相關元素的變化性與設計風格的統一性，才能充分體現出機械產品的審美價值。

將對稱美學原則應用到機械設計中，通過設計元素的變化，充分展現產品的設計風格，通過產品外部形態的變化、顏色搭配的順序與其他設計元素之間相互協調、相互影響、相互呼應的關系，充分展現產品的統一韻味。通過材質、色彩、外部形態的變化，可以有效提升機械產品的審美價值，但在強調美學效果的同時，需要與肌理、對比、呼應、韻律相結合，提升造型整體的協調性。例如，在設計中確定主體色調，不僅要體現出產品的審美價值，還要綜合產品的設計風格、類型、功能、使用環境等相關因素；確定輔助色，不僅要體現出品牌的個性化及辨識度，還要與主體色調相呼應，盡量滿足大眾的審美需求；確定產品材質，不僅要考慮產品的生產成本，還要與機械設計的整體風格相匹配。將對稱美學原則應用到機械設計中，既要實現造型整體的統一性，又要關注產品局部的變化，既要保證機械產品的實用性，又要體現機械設計的對稱美學原則。

2.2 設計中的對稱與平衡

細心觀察自然界中的生物，具備對稱性特征的物體或物質形態無處不在，諸如動物、植物、建筑物，甚至于電子產品等，這些都具備明顯的對稱美特征及對稱性發展規律，此也是對稱美學原則被廣泛應用到機械設計的原因之一。在機械設計中，對稱主要體現在產品的比例、結構等方面，而平衡則是產品內部物理學及力學原理的具體體現。將對稱美學原則應用到機械設計，通過軸對稱、中心對稱的方式，使機械產品展現出獨特的對稱美學思想及對稱性造型語言，只有具備美學法則、對稱性造型語言的機械設計，才是符合大眾審美，具有品牌特色的產品。在機械設計中，結合對稱美與平衡性設計元素，使產品整體呈現穩定、工整、排列有序的造型，通過美學法則的應用，淋漓盡致的展現出機械產品設計的縝密性、實用性。

將對稱美學原則應用到機械設計，不僅要展現出產品的審美價值，還應依據機械產品的使用環境及作業內容，將產品的對稱性及平衡性落實到機械設計中。協調控制局部零件與產品整體結構間的平衡關系，準確把握內部結構與外部形態間的對稱關系，確保機械產品設計的嚴謹性、產品使用的安全性、產品造型的緊湊性，使機械設計由整體到局部，由視覺到觸覺，全部符合對稱美學應用原則。使大眾對產品的實用價值、生產工藝、設計理念產生認同感，幫助產品建立并維護好用戶群體，幫助用戶在獲得視覺愉悅感的同時，進一步感受到產品的安全性及穩定性。

2.3 設計中的韻律與節奏

機械設計經常會遇到同一種設計元素頻繁出現、重復使用的現象，這種極具特色、有規律的設計風格，通常可以理解成機械設計的造型語言，其不僅能表現出機械設計的韻律，還會因為設計元素的豐富變化，充分展現出機械設計的節奏。通過韻律與節奏，反映機械設計的對稱美學思想，產品本身由于具備節奏感而使韻律感有所提升，韻律感則會帶動節奏感產生多元性的變化，兩者之間因為相互影響、相互依存的關系，獲得長遠的發展。節奏通常被定義成反復出現的內部結構或外部形態，其復雜、多變的形式需要通過韻律顯示或表達，可見韻律不僅是節奏的表現形式，還會因為其在機械設計中的變化，使節奏產生趣味性及美觀性。設計者在機械設計過程中涉及產品外形的部分，往往會通過造型、線條、顏色、形態、材質等設計元素的變化，運用回旋、漸變、交替、重復、間隔、起伏等表現形式的轉換，充分展現出產品的韻律與節奏。借助外部形態，增加機械設計的空間感；借助產品主體色調與輔助色調的轉換，增加機械設計的層次感；借助產品材質的變換、復用，增加機械設計中局部造型與整體秩序的協調性，充分展現出機械設計的趣味性、靈動性及美觀性。對稱美學原則的應用對于機械設計至關重要，具備對稱美學思想的節奏、富有對稱美學思想的韻律，不僅能增加機械外形設計的動態元素，還能進一步加強機械設計的藝術性及美觀性，有規律的節奏、起伏的韻律，既能提升機械設計的藝術價值，還能左右使用者的情感變化。

3 機械對稱美學的實用價值

機械對稱美學的實用價值主要體現在機械產品的材料運用、工藝選擇、層次構建等方面，在機械設計中，產品的實用價值應結合生產環境、設計需求、使用頻率等，使其具備相應的物理功能。鑒于審美價值與實用價值在形式及內容方面表現出的密不可分的關系，要想在形式上體現出對稱美學思想，就要滿足科學、合理的設計要求，否則永遠無法實現機械產品的實用價值。機械設計本身就屬于目的性較強的活動，要想在功能上體現出對稱美學思想，就要增加機械設計的藝術功能，強調機械產品的審美價值，將對稱美學思想應用到機械設計中，充分發揮出機械產品的實用價值。

機械設計針對的產品普遍存在固定用途，或對專業性要求極高，品質較好的產品還應在外形上具備多變、起伏的特征。具備審美價值的機械產品，一方面，可以通過外部形態迅速吸引使用者的注意力，進而影響到使用者的情感表達，通過視覺觀感影響使用者的心理變化，使其對產品產生高度的認同感，這也是大部分設計者重視產品審美價值，在機械設計中強調藝術性的原因之一；另一方面，就機械產品的實用價值而言，無論設計者在機械設計中如何強調產品的形式美，歸根結底還是要以機械產品的功能美為主，只有兼具功能性及美觀性的機械產品，才是符合對稱美學思想，具備實用價值的機械設計。在機械設計中，不僅要關注產品材質的選擇，還要結合零部件與產品整體結構在角度、位置、比例、層次的關系，充分利用好對稱美學思想，使零部件之間、零部件與產品整體結構之間形成最佳比例關系，這樣才能體現出機械產品的對稱性、美觀性。對比原則及調和原則是機械設計過程中實現最佳比例關系，確保產品舒適性、穩定性、安全性、功能性的基本原則。在滿足實用價值的前提下，將對稱美學思想應用到機械設計中，結合顏色、材質、層次、外觀等設計元素，使機械產品兼具審美價值及實用價值，既符合美學法則的應用規律，又符合使用者、設計者對該類型產品造型方面的要求。在機械設計中，對稱美學思想的實用價值主要體現在以下幾個方面：

3.1 單主體復合對稱形態

在機械設計中，通過應用對稱美學思想充分展現產品的實用價值，不僅要滿足大眾的審美觀念，還要滿足使用者對產品的設計需求。機械產品的實用功能主要包括：信息存儲，能量傳輸，物料混合、傳遞、準備、制造、提純等，此外，根據信息調控、檢測、處理的要求，改變能量傳輸的方向、內部組元的大小，均屬于機械產品對稱美學思想應具備的實用價值。以六角螺母為例，此類型物體或形態通常分為內表面與外表面，外表面整體呈現旋鏡射多維復合對稱形態，內表面則屬于旋移復合對稱形態，此類型物體可以實現差異化載體的集成性與功能性，通過其與螺桿的緊固與配合，可以連接、鎖緊單主體聯接件，六角螺母如圖1所示。

圖1 六角螺母

3.2 單主體多層次復合對稱形態

此類型機械產品反映出的對稱美學思想，主要體現在結構層次的功能性及實用性方面。此類型產品更注重機械設計的滿足性及約束性，注重產品實用價值在零部件外形、重量、尺寸等方面的體現，以及其與整體之間在結構、層次等方面產生的共振與呼應。以平衡軸支撐座為例，此產品屬于不可拆卸型、整體支撐結構部件，整個部件的上層結構可將YZ或XY作為對稱軸，使部件整體呈現二維鏡射對稱形態；部件的下層結構主是軸承，可將O1或O2作為對稱軸，形成中軸旋轉對稱形態。將對稱美學思想應用到此類型機械產品，應注意結合物理學有關變形協調、力的平衡及并聯復合分置等應用原理，使具備實用價值的同類型機械產品，充分發揮出傳力與均衡受力，平行軸支撐座如圖2所示。

圖2 平行軸支撐座

3.3 多主體復合對稱形態

此類型機械產品反映出的對稱美學思想，主要體現在產品的工作效率方面。以整體結構矩形花鍵拉刀為例，該產品的前導部、過渡錐部、頭部及頸部均可設置成對稱主體，將Y軸作為對稱軸，形成旋轉對稱形態，充分體現出該產品的連接功能、傳力功能及導向功能。將產品中段切削部設置成對稱主體，將Y軸作為對稱軸，形成標度平移對稱形態，充分體現出該產品切削物料的連續性及功能性；通過XZ形成多維鏡射對稱形態，通過Y軸形成旋轉對稱形態，進一步滿足零部件在加工過程中對多維鏡射、平移、旋轉等對稱形態造成的約束。將對稱美學思想應用到此類型機械產品，應注意結合載體的串聯分置功能及復合對稱形態，在確保產品一次成型的前提下，盡量提高工作效率，整體結構矩形花鍵拉刀簡圖如圖3所示。

圖3 整體結構矩形花鍵拉刀

4 結束語

對稱美學思想在機械設計中的應用，不僅能體現機械產品的實用價值，還能結合機械設計的可行性、功能性、需求性，充分展現機械產品的審美價值。從機械設計的角度出發，可知對稱美學思想為機械設計的核心，實用價值為對稱美學思想實現的關鍵。通過對稱美學思想在機械設計中的意義進行分析，研究對稱美學思想的內涵以及對稱美學思想的應用原則，使機械設計的思路更清晰，通過內部結構與外部形態的協調變化，可進一步展現機械產品的實用價值與審美價值。在實際工作中，大部分機械產品需要承擔繁重的裝載或挖掘任務，設計者為滿足使用者在視覺方面的感受，既要凸顯出造型設計的美感，還要在外部形態上營造出安全、穩定的操作效果，可見，研究、應用對稱美學思想及其在機械設計中的應用原則，不僅能獲取更多的設計靈感，還能在滿足設計需求的同時，充分運用美學法則、對稱美學規律，進一步實現機械產品的功能性及實用性。