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产品设计中你会运用数学吗?

深圳市名雕装饰股份通讯 2025-02-18 0

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斐波那契数列以及对应的黄金螺旋线

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很多植物的花朵总的花瓣数量可以构成该数列。
按照斐波那契数列排列花瓣数量大小同等又不至于过度拥挤。
后来科学家从能量角度阐明这个缘故原由是,斐波那契数列可以让一个别系处于能量最低状态。

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(图片来自网络侵删)

花瓣数量

而由斐波那契数列构成的黄金螺旋线,更是常见。
比如。

鹦鹉螺

宇宙星系

台风

植物叶片

阿基米德螺旋线

该螺旋线是等距螺线,大家知道为什么飞蛾会扑火吗?亿万年的进化让飞蛾拥有了趋光性,会迎着月光成固定角度翱翔,见下面左图。
但是当明火涌现后,飞蛾不明白,它依然沿着与光芒规定角度翱翔,这样就飞成了阿基米德螺旋线,直到玉石俱焚。

阿基米德螺旋线

飞蛾绕残烛,半夜人醉起

自然界其他数学例子还有很多,比如树叶成长角度符合黄金角度规律,蜂巢的正六角形状等等。
如果把造物主比作工程师,这位工程师如此写意的建造了世间丰富多彩的万物,又如此严谨的用数学约束了世间万物。
如果把天下抽象出来,世间统统都是构造,统统都是信息,而数学便是连接二者之间的桥梁。

严格对称的正六边形蜂巢

既然天下统统都是构造和信息,而造物主这位工程师又用数学写意的设计了我们。
那我们本身继而我们要设计的产品都是可以用数学来描述。

那如何在设计中运用数学呢,设计实质上调和抵牾的过程。

当我们在设计一个产品构造的时候,如何利用数学呢?下面用一个构造设计例子来解释。
比如现在我们须要设计一个用在PCBA上的塑料件,这个塑料件互耦构造采取弹片卡扣形式。
怎么设计这对卡扣呢?我们都知道电子元器件内部空间不充裕,既要担保卡扣强度又哀求尺寸只管即便小,同时扣协力得当便于安装。

那么如何用数学思维设计这个卡扣呢?我们知道卡扣可以抽象成一个悬臂梁,那悬臂梁挠度由如下数学公式规定。

那么关心的悬臂梁强度以及扣协力就有这个公式来决定。
个中I 为惯性矩,而这个又决定了截面形状的刚度参数。

比如常见的矩形截面,其惯性矩见下图。

它和高度三方成正比,与宽度成正比,意味着高度的影响远比宽度来的大。

知道了弹片的数学模型,弹片就可以设计出来,可以通过理论打算出末端挠度以及扣协力。
如下图,起初选用普通的矩形截面设计卡扣,但通过有限元剖析得知根部有断裂风险。

初始版本,矩形截面

弹片根部断裂风险

那须要降落悬臂梁的刚度,增强其弹性,如何做呢?通过数学公式得知,降落截面高度,拉长悬臂梁长度都可以。
但此时问题又来了,产品空间有限拉伸长度不是首选,如果降落截面高度,末端扣协力会降落,增加卡扣脱开风险。
那如何调度呢?

前面所说设计是调和抵牾的过程,这时我们可以从截面形状入手,如下图截面形状,此截面惯性矩要远大于普通矩形截面,由于惯性矩与高度成三方关系。
那么就可以在截面形状,悬臂长度以及截面高度找到最优的参数配比。
见下图。

弹片根部无断裂风险

以上只是通过一个很小的例子来解释工程设计中数学思维的运用(后续可以谈论更繁芜的例子)。
正如文首所言,造物主这位工程师如此写意的建造了丰富多彩的万物,又如此严谨的用数学约束了世间万物。
既然天下抽象出来,统统都是构造,统统都是信息,而数学便是连接二者之间的桥梁。

设计是调和抵牾的过程。

就像道德经里所述:有物混成,先天地生。
天法道,道法自然。

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