基于數值模擬技術的產品概念設計方法

李天贈，黃欣怡，黃 玲

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基于數值模擬技術的產品概念設計方法

李天贈1，黃欣怡1，黃 玲2

(1. 佛山科學技術學院工業(yè)設計與陶瓷藝術學院，廣東 佛山 528000； 2.廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510000)

為解決傳統工業(yè)設計流程中，設計方案缺乏相應工程技術的校驗，導致設計返工率高及開發(fā)效率低下的問題，借助于數值模擬技術可實現產品性能預評估的優(yōu)勢，提出一種基于數值測試技術為驅動的產品概念設計方法。首先對產品的工作機理進行數值分析，明確合理的設計方向，并以此為基礎指導產品造型設計，然后再次運用數值測試分析手段對設計方案的可行性進行驗證，最后對通過驗證的方案進行細節(jié)完善并輸出最終設計概念。數值模擬技術與產品概念設計過程相融合，驅動設計過程的逐步完善，可實現提升設計效率與質量的目的，通過電熱毛巾架的設計實例驗證了方法的有效性。

工業(yè)設計；數值模擬；概念設計；電熱毛巾架

隨著云計算、大數據、人工智能等新興學科的興起，以“智能制造”為核心的發(fā)展理念正從根本上推動著制造技術的變革，借助于計算機智能輔助手段挖掘創(chuàng)新元素，逐漸成為產品創(chuàng)新設計的發(fā)展方向。如基于3D打印技術[1]、三維逆向技術[2]、虛擬現實技術[3]、Internet技術[4]等新技術與工業(yè)設計的結合，對設計質量、設計效率及方法產生了重大的影響。針對傳統設計方法存在設計返工率高及開發(fā)效率低下的不足，本文將數值模擬技術應用于工業(yè)設計中，利用數值計算可實現產品性能預評估的優(yōu)勢，提出一種以技術驅動為核心的產品概念設計方法，旨在實現設計效率與質量的提升。文中以電熱毛巾架的設計實例驗證該方法的有效性。

1 數值模擬技術

數值模擬技術可以形象地理解為利用計算機做實驗。研究人員在計算機中設定實物產品模型的工作環(huán)境，然后基于數值計算原理模擬實際環(huán)境中產品的工作情況，從中獲得產品在不同工況下運行的參數，為產品性能評估提供數據支撐。數值模擬的主要步驟為：

步驟1. 提取物理問題，進行計算前準備；

步驟2.建立反映問題本質的數學模型，選擇合適的算法對數學模型進行離散求解；

步驟3. 將計算結果進行可視化顯示和分析，如圖1所示。

圖1 數值模擬求解流程

與傳統的試驗研究方法相比，數值模擬具有研究周期短、實驗成本低、計算結果可視化、可實現對不同工況的快速評估的優(yōu)勢。隨著計算機科學及數值算法的快速發(fā)展，為強化高性能、大規(guī)模的數值模擬研究提供了前所未有的條件，當前數值模擬技術可快速有效地進行包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電和多物理場的耦合分析，滿足大多工程研究的需要，已廣泛應用于航空航天、交通運輸、海洋工程、體育科學等領域[5-7]。在產品設計中，數值模擬技術可為大到列車低阻造型設計[8]，小到多士爐的節(jié)能設計[9]等各類產品的開發(fā)提供技術支持，逐漸成為工業(yè)產品探索、設計、測試和運行等各個階段的核心技術。

2 基于數值模擬技術的產品概念設計方法

2.1 產品概念設計

概念設計是基于用戶需求，將抽象的想法變?yōu)榫唧w方案的一系列有序的、可組織的、有目標的設計活動。產品的概念設計是工業(yè)設計最為關鍵的環(huán)節(jié)，其決定了產品的基本特征、性能和主要框架，對于產品開發(fā)的成功與否具有重要影響[10]。在傳統的工業(yè)設計流程中，產品概念設計主要包括生成、選擇和實現3大環(huán)節(jié)[11]。

概念的產生是整個設計流程的基礎。在此環(huán)節(jié)中，設計人員基于市場信息，通過各種調查研究或技術獲得設計靈感，產生初步想法，然后將想法進行梳理，找出需要解決的問題，將需求概念化；隨后，針對提出的問題尋找具有創(chuàng)造性的解決方案，并通過草圖的形式實現概念的可視化。概念產生的主要方法有頭腦風暴法、類比法、逆向思維法、移植法、聯想法、列舉法、仿生法等。概念的選擇是一個逐步篩選細化的過程，設計人員通過制定一定的標準，從前期產生的眾多的設計概念中選擇出最優(yōu)的方案。概念選擇是產品概念設計的重要環(huán)節(jié)，對所開發(fā)產品的競爭力具有重要影響。概念選擇的主要方法有外部決策、產品支持者、直覺、多數表決、辯論及決策矩陣法等形式[12]。篩選出最優(yōu)方案后，設計人員對優(yōu)選方案進一步完善，深化產品的細節(jié)，制作工程圖紙，選擇合適的材料及工藝等，將概念產品具體化，輸出最終方案。

在傳統的產品概念設計流程中，各設計環(huán)節(jié)內部生成反復判斷循環(huán)的關系，整體組成了迭代收斂的框架，使設計方案朝著預定的目標逐步完善，如圖2所示。然而，由于在傳統的設計流程中，造型設計與工程實現呈先后順序，使功能實現被動滿足造型設計要求，容易引起設計與制造的脫節(jié)，提高了設計返工率，降低了開發(fā)效率；另外，概念設計質量的好壞很大程度取決于設計人員創(chuàng)新意識的強弱與經驗豐富與否，產品設計具有偶然性，一定程度上增加了產品的開發(fā)風險。

圖2 傳統的工業(yè)設計產品概念設計流程

2.2 數值模擬技術與產品概念設計的結合

隨著計算機技術的飛速發(fā)展，以數字化、可視化為特征計算機輔助工業(yè)設計(computer aided industrial design，CAID)模式得到快速的應用與推廣，使設計方法、設計過程、設計質量和效率等各方面都發(fā)生了質的變化。特別是計算機新技術與工業(yè)設計的融合，直接推動著更為高效、高質的設計方法的出現，為增強設計的科學性、可靠性注入了強大的動力，成為工業(yè)設計創(chuàng)新發(fā)展的重點方向[1-4]。本文將先進的數值模擬技術引入到產品概念設計階段，提出一種以數值模擬技術為驅動的產品概念設計方法，旨在實現功能與造型的融合，達到提升設計效率及科學合理性目的。

基于數值模擬技術的產品概念設計方法劃分為概念醞釀、概念表現、概念測試和概念輸出4大環(huán)節(jié)。①基于數值測試手段進行產品機理分析，明確原理后開展設計方向分析，在產品的概念醞釀階段得出產品設計的合理方向；②遵循形式服務于功能的設計理念，以合理設計方向為約束，驅動造型設計，促使功能與造型的協調融合；③再次利用數值模擬方法對提出的方案進行測試，驗證方案是否達到預定的設計要求；④對通過驗證的方案進行細節(jié)完善與工程實現，輸出概念。該方法的具體步驟為：

步驟1. 概念的醞釀。提出問題，搭建數值模型，進行產品機理分析，明確合理的設計方向；

步驟2.概念的表現。以合理的設計方向為約束，遵循形式服務與功能原則開展造型設計；

步驟3.概念的測試。驗證設計方案的可行性，如不符合要求則返回步驟2，對造型進行修正；

步驟4.方案輸出：輸出設計方案。

該方法的過程模型如圖3所示。

圖3 基于數值模擬技術的產品概念設計流程

表1為本文方法與近年來提出的幾種工業(yè)設計創(chuàng)新方法[13-16]的對比情況。從表中可看出將其他領域成熟的理論與工業(yè)設計流程結合是實現工業(yè)設計方法創(chuàng)新的主要形式。當前創(chuàng)新方法的關注點多集中于對傳統設計框架中的概念的產生與選擇環(huán)節(jié)的優(yōu)化，通過結合其他成熟的理論實現概念的產生與篩選過程的理性化，解決了傳統概念形成與選擇的主觀性問題，達到提升效率與質量的目的。但此類方法中依舊缺乏相應的工程技術解決設計的可靠性驗證問題。區(qū)別于此類設計方法，本文方法對傳統的設計框架進行了調整，以數值模擬技術為驅動，概念的醞釀環(huán)節(jié)替代了原框架中概念的產生與選擇環(huán)節(jié)，通過科學的計算結果明確合理的設計方向，并增加了概念測試環(huán)節(jié)，實現對設計方案可靠性的分析，盡可能地降低產品開發(fā)的風險。

表1 本文方法與其他工業(yè)設計創(chuàng)新方法對比

3 設計實例

以開發(fā)設計一款電熱毛巾架產品為例，探討基于數值模擬技術的產品概念設計方法的有效性。

3.1 概念的醞釀

3.1.1 提出問題

電熱毛巾架是利用通電發(fā)熱的方式對潮濕的毛巾進行加熱，實現較短時間內烘干毛巾和抑制細菌滋生的目的，可以有效解決陰雨天氣或通風不暢的浴室空間中毛巾潮濕的問題，以及消除酒店、旅館中客人因為私人毛巾、內衣褲無法晾干的煩惱，廣泛適用于家庭、高檔住宅、酒店、公共服務場所(如洗發(fā)店、浴足、運動場所)等地。隨著人們生活質量的持續(xù)提升，電熱毛巾架的市場需求與日俱增。

電熱毛巾架工作過程中會維持一段時間的加熱，如何更高效地利用發(fā)熱熱量，提高加熱效率，實現降低能耗是電熱毛巾架產品開發(fā)需解決的主要問題。

3.1.2 功能提取，建立簡化模型

提取電熱毛巾架的主要工作部件，將電熱毛巾架工作場景簡化為僅由發(fā)熱板(桿)、毛巾及墻壁等組成的二維簡化模型，如圖4所示。

圖4 二維簡化模型示意圖

3.1.3 建立數學模型，實現數值求解

電熱毛巾架的傳熱問題可通過計算流體力學方法進行求解，其基本控制方程由質量、動量和能量3大守恒方程構成，即

本文采用ANSYS Fluent流體計算軟件作為數值求解平臺。為了實現控制方程的封閉求解，離散坐標熱輻射模型(discrete ordinates model)及工程中廣泛采用的RNG k-ε湍流模型被采用，求解方法選用對控制方程組進行聯立求解的基于密度隱式求解策略(density based implict solver)，空間離散采用了Roe-FDS通量差分分裂格式。計算前處理的網格劃分及邊界條件設置如圖5所示，毛巾架發(fā)熱板(桿)工作溫度設置為323.15開氏度(即50℃)，發(fā)熱板(桿)導熱率為202.4 w/m.k，濕毛巾導熱率為0.55 w/m.k。

3.1.4 工作機理分析

對市面上的電熱毛巾架進行歸類，選取最為常見的4類晾掛方式的毛巾架進行模擬測試。計算結果見表2，電熱毛巾架工作過程中，各工況均出現熱量向上流動的現象，原因為空氣受熱后，密度下降，重力作用驅使低密度的熱空氣向上運動；毛巾架采用毛巾與加熱板(桿)接觸的晾掛方式(B1_1，B2_1)的烘干效果比采用毛巾與加熱板(桿)分離的晾掛方式(A1_1，A2_1)的效果更好，原因為“固固”導熱效果比“固氣固”效果好；毛巾架選用加熱板(A1_1，B1_1)或加熱桿(A2_1，B2_1)均具有類似的熱傳遞趨勢，加熱效果好壞取決于加熱板(桿)的排列密度。

表2 常見的4類晾掛方式的毛巾架烘干性能測試

3.1.5 設計方向分析

由上述分析可知，毛巾與加熱板(桿)接觸可獲得良好的烘干效果，而采用懸掛晾掛方式，大量的熱量并未直接被毛巾吸收，而是沿垂直方向流失。本階段以后者懸掛晾掛方式的毛巾架為分析對象，主要優(yōu)化目標是通過改進加熱板(桿)的排列方式，實現烘干效果的提升。為了更好量化分析烘干效果，分別以毛巾吸收熱量及受熱均勻度作為評價指標，計算結果見表3。將發(fā)熱板集中于毛巾架下部，可提升毛巾的吸熱量；采用傾斜排列方式，熱空氣與毛巾面接觸的幾率更高，毛巾吸收熱量及受熱均勻性均有良好表現；此外，底部加熱板橫向排列，熱空氣并未出現直接垂直上升加熱毛巾的現象，而是沿著墻壁一側向上流失，其這是由于垂直排列的加熱板發(fā)熱，產生熱空氣流，靠墻一側空氣密度下降，驅使底部橫向板發(fā)熱產生的熱空氣也沿著靠墻一側流動。因此，加熱(板)采用橫向與縱向組合排列的方式并無法實現烘干性能倍增的效果。

表3 4類不同加熱板排列方式的毛巾架烘干性能測試

3.1.6 合理的設計方向

通過以上分析，可明確電熱毛巾架的合理設計方向：①毛巾架與發(fā)熱板(桿)直接接觸可實現良好的烘干效果；②降低毛巾架上部加熱板(桿)密度，將發(fā)熱區(qū)集中于毛巾架下部，基于熱量向上流動原理，可逐層利用熱量；③采取傾斜排列方式，提高熱空氣與毛巾面的接觸幾率，提高烘干效能。

3.2 概念的表現

3.2.1 提出設計草圖

基于以上信息，設計構思為毛巾架下部設置為主要發(fā)熱區(qū)，并采用傾斜設計，橫桿晾掛與掛鉤晾掛結合，體現多用途性，設計草圖如圖6所示。

圖6 設計草圖

3.2.2 造型設計方案進一步完善

從宜人性、傳達性、感覺特征等要素，對產品形體進行評判，篩選合適造型，具體評價機制可參考文獻[12]。之后，對篩選方案進一步完善，建立三維模型，如圖7所示。其中，U型開口掛鉤可晾掛衣物、其他洗浴用品；發(fā)熱桿兼具晾掛功能，使毛巾平整張開；傾斜發(fā)熱板為主發(fā)熱區(qū)，提高熱量利用率，提升烘干效率；橫向折面，不具備發(fā)熱功能，充當置物架，提高方便性。

圖7 設計方案(1. U型開口掛鉤；2. 發(fā)熱桿；3. 傾斜發(fā)熱板；4. 橫向折面)

3.3 概念的測試

針對設計方案，建立數值求解模型，對兩種常用的晾掛方式的工作狀態(tài)進行模擬測試見表4。采用橫桿晾掛方式，可獲得良好的烘干效果；采用掛鉤晾掛方式，由于毛巾無法全面展開，烘干效果較前者稍微遜色，但該晾掛方式，可最大限度提升毛巾架晾掛毛巾(衣物)量，且烘干效果比傳統電熱毛巾架效果更佳，設計方案的整體指標滿足設計要求。

表4 設計方案烘干性能測試

3.4 概念的輸出

對設計方案進行細節(jié)完善，制作圖紙、指定材質，明確結構(圖8)等，輸出最終概念，如圖9所示。

圖8 結構原理圖

圖9 設計方案應用場景效果圖

4 結束語

本文提出的基于數值模擬技術的產品概念設計方法，將數值模擬技術融入工業(yè)設計流程，利用數值模擬技術可實現產品預評估的優(yōu)勢，實現設計過程的逐步完善，并通過電熱毛巾架設計實例驗證了新方法的有效性。①該方法在概念醞釀階段采用了單向推理的求解方式，提高了解決問題的速度，而基于科學測試驅動解決問題的模式，也確保了方案形成的科學性；②概念醞釀階段獲得的合理設計方向為下一階段的造型設計指定了約束范圍，避免了設計的盲目性，設計師可以集中精力進行功能與造型美的結合研究，提升了設計的質量；③概念測試階段，利用數值模擬技術對設計方案進行再次驗證，確保設計方案的合理性，進一步降低產品開發(fā)的風險。本文提出的設計方法可供其他以功能設計為核心的產品(如白色家電、衛(wèi)浴產品等)設計案例參考，但本文方法在概念表現環(huán)節(jié)仍需借鑒現有的成熟美學評價機制。

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A Product Conceptual Design Method Based on Numerical Simulation Technology

LI Tian-zeng1, HUANG Xin-yi1, HUANG Ling2

(1. School of Industrial Design and Ceramic Art, Foshan University, Foshan Guangdong 528000, China; 2. Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co., Ltd, Guangzhou Guangdong 510000, China)

In order to solve the lack of engineering verification in the traditional industrial design process, which leads to the problems of high design rework rate and low development efficiency, this paper proposes a product conceptual design method based on numerical simulation technology which has the advantage of pre-assessment of product performance. Firstly, numerical investigation of the working mechanism of the product is carried out for defining the rational design direction to guide the product appearance design. Then the feasibility of the design solution is verified by using the numerical test analysis method again. Finally, the details of the verified design solution are refined so that the final design concept is output. The combination of numerical simulation technology and product concept design process can drive the gradual improvement of the design process, which can be used to improve design efficiency and design quality. The proposed method is verified by an industrial design of towel warmer.

industrial design; numerical simulation; concept design; towel warmer

TP 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020308

A

2095-302X(2019)02-0308-07

2018-07-27；

2018-09-17

國家自然科學基金項目(11802061)；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目(2017KQNCX208)；佛山市社科規(guī)劃項目(2018-GJ023)

李天贈(1988-)，男，廣東韶關人，副教授，博士。主要研究方向為工業(yè)設計方法、游泳仿生運動分析。E-mail：38458933@qq.com

黃 玲(1988-)，女，廣東梅州人，工程師，碩士。主要研究方向為數值模擬技術工程應用。E-mail：806045267@qq.com