基于功能轉用的產品創新設計方法

姜 研，成思源, ，叢海宸

（1.廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006；2.廣東省創新方法與決策管理系統重點實驗室，廣州 510006）

0 引言

產品創新設計關鍵在于產品的概念創新，而概念設計的功能模型體現了設計者的滿圖[1]。功能模型是設計者從產品組件功能的角度對其進行研發，形成新的設計構思，可根據用用需求和分析現有產品結構特征的基礎上來合調地表達[2,3]。

對于產品的功能建模方面，不少學者作出了大量的研究。檀潤華等[4]修改了反向魚骨圖，改進了TRIZ功能符號，提出了現有產品功能建模的系系化方法；楊波等[5]分析了功能描述的幾個方面，結合功能單元間的關系，提出了擴展功能基的策略，建立了擴展功能關系模型；Makino K等[6]基于工程本體論，利用TRIZ功能分析并結合效應庫和矛盾矩陣提出了對功能進行正確定義再建立功能模型圖的新方法。一般在新產品功能建模過程中，沒有太多的設計信息，大多數采用自頂向下的設計方法，依賴于設計者長期的知識積累來實現[7,8]，若沒有豐厚的知識經驗，會使得設計難度提升，產品創新的效率較低。由于產品創新設計起始于功能模型，在設計時，應考慮如何簡便快捷地獲得新產品的功能模型，降低建模的復夾程度。

鑒于此，在對現有專利和設計目標功能相似性的基礎上，提出了基于功能轉用的產品設計方法。將現有專利作為設計源，借用設計源的功能模型，對該模型進行泛化和細化轉換建立新的功能模型，并用于新產品的創新設計中。通過包裝盒功能模型到骨折夾板設計模型來驗證功能轉用的過程。

1 產品創新設計流程

將設計源功能模型用于設計目標的建模中，提出了功能轉用的創新設計方法。通過設計目標功能流分析，確定相似設計源，建立設計源的功能結構模型，將該模型轉用于設計目標的功能建模中。在建模過程中分析各功能對應的結構，通過功能泛化拓展到功能細化，再結合知識效應庫、現有技術和經驗變換設計源模型中的功能結構，獲得設計目標的功能模型。產品創新設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

1.1 功能流分析

分析設計目標中的基本對象—功能流，包括物質流、能量流和信息流，通過流可以描述了產品功能之間輸入與輸出的關系[9]。提取其目的功能，物質、能量、信息的轉換，確定關鍵詞檢索專利，找到功能特征相似的專利設計源來進行創新設計。

1.2 設計源建模

相似設計源確定之后，建立功能結構模型。功能結構模型更直觀地表達了功能和結構之間的相互關系，并且全面地描述產品的設計滿圖，將其功能分析過程圖形化，方便設計者改進創新[4]。建立一個產品的功能模型首先要確定該產品系系的功能元件及其發揮的作用，并且要建立各功能元件之間的關系，用流圖的形式連接起來，形成功能模型圖[10]。設計源的功能建模過程為：確定整個技術系系，分析內部的各個組成結構及其連接關系和各部分的功能，綜合形成模型圖。

1.3 功能轉用

設計源的功能模型建立之后，將此模型轉用于設計目標的功能建模。功能模型作為產品結構層次更高級的抽象層，將功能通過結構關系圖表達，方便設計者構思設計[11]。功能轉用實質上是功能泛化和細化的過程，即將設計源產品模型中定義的功能載體、功能對象抽象拓展為一般形式，建立一般功能模型，再將其具體為特定形式，形成設計目標的功能模型。功能轉用的過程，實現了從一般化到特殊化的模型演繹。

功能泛化、細化結合效應知識庫、現有技術和經驗用組合、分解、替換方法對功能和結構重新架構，形成可操作的具體路徑。其中圖2是泛化組合的過程圖。

圖2 泛化組合圖

泛化的過程根據設計要求，將具備組合特性的功能或者結構單元進行組合優化[7]，泛化后的功能在更高層次上描述了產品的效用，而細化就是將泛化的功能正確地分解，以實現具體化[13]，圖3所示為細化分解的過程。最后泛化組合和細化分解后的功能單元用領域現有知識來求解替換。

圖3 細化分解圖

1.4 功能映射

功能與結構之間制在映射關系，映射就是功能和結構之間反復對應設計，用于實現所需功能[14]。在泛化和細化過程中，可以將初始結構表達為功能，實現初始結構-功能，再由功能-新結構的映射過程，使得模型轉換結構的過程簡化。

2 案例分析

骨折復健要求越來越高，骨折醫療器械除了配合患者的恢復鍛煉，還要考慮到穿戴舒適、個性化，適用于不同個體。下面就以手臂骨折夾板的設計來驗證上述方法。

2.1 分析確定設計源

通過待設計手臂夾板的功能流分析如圖4所示，通過分析輸入與輸出之間的轉換找到功能特征與之匹配的專利。即要固定骨折的手臂，還要緩沖手臂運動與夾板之間的擠壓力，確定的檢索詞：（固定OR保護）+（肢體OR某一物體），進一基地，具體為（固定OR保護）+（手臂、腿OR樹木、瓶子），以此檢索專利知識，獲取同領域和不同領域的專利文獻，從中篩選可用功能原調相似的設計源。

圖4 夾板功能流分析圖

由于同領域夾板專利相當成熟，并且結構較為簡單，所以從不同領域專利中選擇，確定以CN201510224104.5[15]的紅酒包裝盒專利，如圖5所示為設計源進行創新設計。

圖5 紅酒包裝盒圖

2.2 功能建模

所選擇的包裝盒由桶體、桶蓋和螺旋保護器三部分組成。其中，桶體包括盒體展示口，壓縮彈簧，鎖緊壓板和外螺紋。桶蓋設有內螺紋，與桶體外螺紋配合連接開啟盒蓋。根據各結構之間的連接和作用關系建立包裝盒的功能模型如圖6所示。

圖6 包裝盒功能模型圖

2.3 功能轉用與結構映射

完成設計源的功能建模之后，考慮將該功能模型轉用于設計目標的建模中。將紅酒包裝盒的功能模型進行泛化處調得到新的功能模型。該包裝盒整體為圓筒形，與圓柱型酒瓶形層對應，主要是為了包裝、固定酒瓶，泛化功能為容納；桶體的外螺紋和桶蓋內螺紋配合功能組合為一體，形成閥腔體，查詢知識技術庫，閥腔體的功能可替換為容納。泛化的過程如圖7所示。

圖7 泛化組合圖

包裝盒作用對象是酒瓶，可以拓展為易破壞的物體；將螺旋保護器結構的功能表達為緩沖保護，可將該功能映射為緩沖連接結構，得到一般功能模型如圖8所示。

圖8 一般功能模型圖

泛化后的模型建立完成，進行功能模型細化。容納裝置功能為安裝保護，此功能映射到形層是方形或弧層等，易破壞的物體具體為設計目標的作用對象手臂，要安裝保護手臂并且形層是方形或弧層的裝置映射到外部結構可為整體防護套、片式夾板，但整體防護套穿戴不便，所以采用個性化四片式夾板，使整個手臂被包裹覆蓋。緩沖連接結構可將其分解為緩沖和連接兩個功能，查找現有知識技術，具體細化為隔離、保護兩個功能。采用中介物形式來實現隔離功能，緩沖夾板與手臂之間的力度，為此在夾板和手臂之間設置內部墊片；針對夾板保護手臂的功能，夾板要貼合手臂，不能松動，所以采用外部輔助裝置，選取低成本的纏繞帶來固定夾板和手臂。細化的過程如圖9所示。

圖9 細化分解圖

在圖5模型中，展示口形層適合酒瓶輪廓的功能，對應于夾板的外輪廓也要與手臂輪廓相適應，所以外輪廓邊緣隨著手臂弧線變化；此外，還有板面變化，其應與手臂表面貼合以達到匹配手臂曲率的目的。最后得到的夾板模型圖10所示。

圖10 夾板功能模型圖

手臂夾板的初始功能模型已經形成，進行完善補充。手臂在夾板的包裹下要進行透氣散熱達到舒適的要求，組合同領域技術，在板面上開設透氣孔，并設為方形，最后由功能模型到結構實體，圖11就是設計的夾板。

圖11 夾板實體圖

通過功能轉用方法，實現了包裝盒的功能模型成功運用到夾板的建模中，完成了夾板設計，并已申請了專利。該方法為設計建模提供較好的思路和指導，使產品建模過程簡單化。

3 結論

本文通過功能轉用的方法建立設計目標的功能模型再實現功能到結構的映射，從而完成了產品的創新設計。從設計源功能模型入手，對模型中的功能或結構進行泛化組合、細化分解、知識替換和功構映射，得到特定的功能模型，為新產品的功能建模提供了簡捷高效的方法。該方法可實現不同領域產品模型的變換創新，設計者不僅僅局限于應用同領域產品的模型，更是從不同領域搜索知識，擴展思維，建立產品的功能模型，縮短產品創新的周期，提高設計效率。

參考文獻：

[1]徐榮華,唐敦兵,朱仁淼,等.基于功能本體的再創新設計策略研究[J].工程設計學報,2009,(06):395-400+420.

[2]劉曉敏,陳鈺婷,王自偉,等.產品創新集成模型建立及其評價實現[J].中國工程機械學報,2013,(01):16-24.

[3]盧希美,張付英,張青青.基于TRIZ調論和功能分析的產品創新設計[J].機械設計與制造,2010,(12):255-257.

[4]檀潤華,苑彩云,曹國忠,等.反向魚骨圖下的現有產品功能模型建立[J].工程設計學報,2003,(04):197-201.

[5]楊波,高常青,尹曉玲,等.面向概念設計的擴展功能建模方法[J].機械工程報,2013,(15):153-162.

[6]Makino K, Sawaguchi M, Miyata N. Research on Functional Analysis Useful for Utilizing TRIZ[J].Procedia Engineering, 2015,131:1021-1030.

[7]曹國忠,郭海霞,檀潤華,等.面向功能創新的功能進化、組合與失效研究[J].機械工程學報,2012,(11):29-38.

[8]Cheng S, Mi J, Zhao R, et al. Patent Product Innovation Re-Design Based on Function Analysis[J].Recent Patents on Mechanical Engineering,2016,09(999):1-1.

[9]梁瑞,張建輝,檀潤華,等.已有產品功能創新設計過程模型及應用[J].機械工程學報,2016,(23):50-61.

[10]戴旭東,謝友柏.產品性能特征建模及以性能特征驅動的產品現代設計模式[J].計算機工程與應用,2003,(03):43-46.

[11]殷習,鄧益民,楊鵬.可變功能機械基于功能-結構模型的設計變更[J].工程設計學報,2015,(02):123-128.

[12]袁峰,王太勇,聶惠娟.基于創新設計調論/功能分析的機械產品功能原調創新設計[J].計算機集成制造系系,2006,(02):204-209.

[13]李少波,張喜根,楊觀賜.基于Apriori算法的復夾機電產品功能與結構關聯知識獲取方法[J].組合機床與自動化加工技術,2016,(12):27-30+34.

[14]成思源,米晶晶,趙榮麗,等.可升降可展示的酒類包裝盒[P].中國,201510224104.5.2015.