基于實驗分析與數值模擬技術的產品概念設計方法

李天贈， 黃紅梅， 陳家靜， 賴春敏

(佛山科學技術學院工業設計與陶瓷藝術學院，廣東 佛山 528000)

產品概念設計是工業設計最為關鍵的環節，其決定了產品的基本特征、結構性能，是產品質量與競爭力的重要影響因素[1]。在傳統的設計方法中，設計者的個人經驗與創新意識對設計概念的形成及選擇起主導作用，導致產品設計效果存在著較大的偶然性[2]。為提升產品設計的效率與質量，如何實現設計流程的優化是許多學者關注的重點。當前，對產品設計方法的研究主要圍繞設計的邏輯性及科學性展開。產品設計流程中邏輯性優化的主要模式為將心理學與管理學等領域創新思維模式與管理方法應用于產品設計流程中，借助于已有成熟的相關科學方法與法則試圖構建設計的邏輯體系，合理、有序地引導概念方案的生成與選擇。如借助創造性問題解決理論(theory of the solution of inventive problems，TRIZ)指導設計問題的發現與解決[3]；借助約束理論(theory of constraints，TOC)引導發現設計問題及分析核心問題[4]；借助整合新產品開發理論(integrated new product development，iNPD)分析產品價值機會屬性，引導設計問題的發現等[5]。產品設計流程的科學性優化模式為將計算機輔助技術應用于設計流程中，利用新技術提升解決問題的能力，使設計方案的形成與輸出建立在科學的論證基礎上，提升概念方案生成、選擇與輸出的科學合理性。如利用數值模擬技術可實現產品性能預評估優勢，指導設計概念方案的分析與輸出[2,6-7]；利用虛擬現實技術的交互性優勢，提高概念方案形成的迭代效率[8]；利用三維逆向與 3D打印快速原型制造技術解決產品在設計中升級或局部調整的問題等[9]。概念設計方法的邏輯性與科學性的優化為解決設計問題提供了多種有效的手段。盡管如此，許多研究[10-12]顯示，雖然當前基于心理學與管理學理論的設計方法非常豐富，但被設計師廣泛接受并應用于設計實踐的方法卻極其稀少；此外，基于計算機輔助技術的設計方法的普及率也不高[7]。針對現有產品概念設計方法適用性及實用性較弱的問題，本研究提出一種基于實驗分析與數值模擬技術的概念設計方法。實驗測試具有的直觀明了、結果可靠的特點，有利于概念設計早期階段問題的快速發現，而數值模擬技術的計算結果可視化特點為設計問題的分析提供了巨大的便利，2種研究方法通過相互整合可達到優勢互補，有效提升技術性解決設計問題的能力，并適用于解決大多數產品設計問題。此外，本研究集成實驗測試與數值模擬 2種分析方法用于設計流程中，構建了以科學技術論證為基礎的產品設計流程，使其中問題的呈現與分析、解決方案的提出及設計表現等關鍵環節組成漸進式的邏輯關聯體系，形成整合科學性與邏輯性為一體的有效解決設計創新問題的方法，并以桌面小風扇的創新設計為例對本文方法進行探討。

1 實驗分析與數值模擬技術在產品設計中的應用

產品的概念功能向實際功能的轉化是決定概念設計能否成功轉化為現實產品的核心，也是產品設計流程中最具挑戰性的環節。為確保產品的概念功能從虛擬形象轉化為實際效果，實驗測試分析手段是該階段重要的呈現方式，其具有直觀性強、結果可靠的特點。在該環節中，概念方案通過實物測試的方式被逐一驗證，基于測試結果可全面具體地評估概念方案中產品的結構及功能的成效，明確設計方案的可行性及為方案的優化改進提供重要的參考依據。長期以來，實驗測試方式在產品概念論證中扮演著至為關鍵的角色。

近年來，計算機數值模擬技術作為一種新的產品開發分析手段引起了越來越多的科研人員關注。數值模擬技術為運用計算機做實驗，其具有研究周期短、實驗成本低、可實現對不同計算工況快速評估的優勢。此外，該方法還具備計算參數全面，計算結果可視化的特點，為解釋產品工作機理提供了巨大便利[13]。目前，該技術已廣泛應用于航空航天、交通運輸、海洋工程、體育科學等各個領域，是解決工程與科學核心問題的有效手段[14-15]。在產品設計中，其為交通工具[16]、廚衛用具[2,6]、家電產品[7]等各類產品的開發提供技術支持。

2 基于實驗分析與數值模擬技術的產品設計流程

實驗分析與數值模擬相結合，可形成優勢互補，是快速驗證及準確解釋工程及科學問題的重要手段[17]。與基于數值模擬技術的產品概念設計方法[2]相比，本文的設計方法在方案的醞釀階段增加了現有產品的測試體驗，利用直觀的測試分析手段，快速地縮小設計研究范圍，為后續數值研究指明方向，使設計流程在規劃布局和科學論證方面更趨于完善，進一步提升設計質量與效率。基于實驗分析與數值模擬技術的產品概念設計流程如圖1所示。

圖1 基于實驗分析與數值模擬技術的產品概念設計流程

3 設計實例

本文以桌面小風扇創新設計為例，對文中提出的方法進行探討。

3.1 方案的準備

桌面小風扇是一種利用電機驅動扇葉旋轉切割氣流引起空氣加速流通的家用電器，因其體型小巧、可充電、攜帶方便、價格適中等特點，成為眾多消費者居家旅行清涼解暑的必選裝備。

小風扇的靜音特性是其主要賣點。目前，圍繞小風扇的降噪研究主要集中于扇葉特征、電機減振效果及網罩結構設計3方面。①扇葉特征，扇葉數、材料、形狀及角度對于靜音效果均有重要影響；②電機減振，材質、直流/交流、變頻/定頻對降噪起主要作用；③網罩設計，符合流體力學網罩造型可實現一定的降噪效果。除靜音性能外，吹風的舒適度也是衡量小風扇性能的重要指標之一。風扇的舒適度評價指標包括風量、風壓、風類等，其受扇葉造型、電機轉速及網罩造型影響。值得注意的是，風扇的舒適度是相對的，且與用戶舒適體驗相關聯。例如，對于需要快速降溫的使用者，舒適度反映在快速散熱的大風量、高風壓指標；而對于需長期吹風納涼的使用者，反映在低風壓、接近自然風等指標。

扇葉與電機除作為桌面小風扇的核心部件外，也廣泛應用于各大家電、工程機械、航空航天等領域，針對其降噪、節能等關鍵指標，相關研究非常豐富[18-19]，相關技術已趨于成熟，可提升的空間較小。而網罩，除了起保護作用外，還起到風的導流作用，可發揮控制風向、風類等作用。基于小型風扇的成本定位，針對網罩研究較電機、扇葉相對欠缺，因此選擇網罩作為本研究的設計點更為合理。

3.2 方案的醞釀

3.2.1 現有產品歸類

市面上的小型風扇網罩造型各式各樣，依據網罩結構類型特點，大致可歸類為 8款，包括 6款平面網罩和2款以錐形、弧形為主的立體網罩，見表1。

表1 桌面小風扇網罩類型

3.2.2 實驗分析

(1) 測試平臺搭建。小風扇直徑一般有4寸、5寸及6寸規格(對應小、中和大號)，為了直觀地了解各類型網罩對風扇性能的影響效果，本研究選用一款4寸(直徑約0.13 m)小風扇實體機改造為通用的網罩測試平臺，并利用3D打印技術將8款代表性網罩制作為統一接口的測試模型(表 1)。本實驗采用噪聲儀及風速儀記錄搭配不同類型網罩的風扇噪聲及風速情況。基于小風扇工作時與使用者的通常擺放距離及大概吹風范圍，監測點設置在離風扇正前方0.30 m與0.40 m處，及同等正前方距離偏離風扇中心軸0.05 m，0.10 m及0.15 m處，如圖 2所示。測試檔位為高低兩速，對應轉速分別為2 100 r/min和2 600 r/min。

圖2 數據監測位置示意圖

(2) 測試結果與分析。圖3為搭配8款不同網罩的風扇在不同轉速時的噪聲情況。結果顯示，轉速為2 100 r/min(低速檔)時，噪音均處于57分貝左右；轉速為2 600 r/min(高速檔)時，噪音均處于65分貝左右。圖4為搭配8款不同網罩的風扇在不同轉速時在監測點1~8處風速的變化情況。結果顯示，搭配不同網罩的風扇在相同測試條件下測試結果有較大的差異；固定位置監測點所測風速隨風扇轉速不同而呈不同分布規律；搭載1號網罩時，流場中心風速較兩旁小；搭載 4，5號網罩時，中心風速大兩邊風速小，其中搭載5號網罩時，在以風扇轉軸為中心的 0.10 m半徑范圍內的同一等距截面處各監測點的風速較為接近；搭載6號網罩時，監測點處的風速較大，但數據跳動也較大且無規律；搭載7號錐形立體網罩的風扇在監測點處記錄的風速最低。

圖3 監測點1處風扇噪聲測試數據

圖4 搭載各款網罩風扇的風場測試數據

由以上結果可知，風扇網罩造型的變化對于風扇噪聲的影響作用非常有限，但對于流場風速的影響非常明顯。因此，通過優化網罩造型實現提升風扇靜音性能的設計思路可行性較弱，而通過調節網罩形狀影響風速和風的類，實現提升風扇吹風舒適性的設計潛力較大。

3.2.3 數值分析

為進一步探究網罩造型對風扇吹風特性的關聯性，本研究以實物產品為參照，通過 ANSYS Fluent流體計算軟件平臺對風扇吹風流場進行數值求解與分析。

(1) 控制方程。本問題中，假設空氣為不可壓縮的粘性流體，無熱量傳遞，只需考慮質量與動量守恒，即求解連續方程與Navier-Stokes方程

其中，ρ為空氣的密度(kg/m3)；i,j為運動維度；u為速度(m/s)；p為壓強(Pa)；μ為空氣的粘度(Pa·s)；S為動量源項(N/m3)。

此外，工程中常用的RNGk-ε湍流模型被用于對控制方程封閉求解[17]。

圖5 計算域及邊界條件設置

(2) 數值實現。計算前處理的網格劃分及邊界條件設置如圖5所示。為處理風扇葉片的旋轉問題，將旋轉核心區域設置為滑移網格，選用 Interface邊界條件與周圍流場連接，并通過指定相對移動參考系的運動框架模式(frame motion)控制風扇葉片的旋轉速度，本模擬風扇轉速為2 100 r/min與2 600 r/min。求解策略采用PISO速度-壓力耦合方法，動量方程采用二價迎風離散格式。

(3) 數值計算結果與分析。圖6為搭載不同類型網罩風扇的流場數值計算圖，為了更好區別各類型網罩對風場特征影響，本研究也加入無輻條網罩工況進行對比。從速度云圖及流線圖可看出，在不同轉速情況下，對應各款網罩的風速及作用范圍有所不同，但整體流場分布特征基本保持一致。此外，風扇搭載不同網罩工作時，流場速度分布情況大體上與圖 4實驗測試數據相吻合，數值計算可靠性較好。如數值計算結果顯示，風扇搭載1號網罩時，處于風扇中軸線的風速較低(對應監測點 1，2)，兩邊風速較高(對應監測點7，8)，而風扇搭載5號網罩時，結果剛好相反，均與實驗測試數據吻合。圖6顯示，搭載無輻條網罩的風扇吹風流場呈內外兩層立體分布特征，且高風速區域主要集中于風扇吹風口；搭載3，7，8號網罩的風場特征與搭載無輻條網罩工況流場分布特征相似，特別是搭載弧面7號與錐形8號立體網罩相似度極高；搭載1號網罩的風扇由于柵欄為單一橫向排列，導致風流場呈明顯的八字形分布特征；搭載2，4，6號網罩的風場均具有不同程度的不規律特性，特別是搭載6號的網罩，流場更趨向于自然風的不均勻性分布特征；搭載5號網罩的風力強勁，流場發散效果相對較弱。

圖6 搭載不同類型網罩的風扇工作時的流場特征

綜上可知，網罩的變化對于風扇吹風強度及類型有較大的影響，特別是搭載5號網罩的風扇表現出風速穩定、匯聚力強的特征，其有助于實現局部快速降溫的需求；搭載6號網罩具有較好的發散及不穩定特點，較符合自然風特性。此外，從計算結果分析顯示，錐形與弧形立體網罩對風的導流效果較弱，對風的強度及類型影響能力較有限。因此，本研究設計突破點可聚焦于如何通過改善平面網罩的結構，實現風扇穩定匯聚風與自然風之間的切換功能，提升桌面小風扇適用范圍及舒適性。

3.3 方案的形成

3.3.1 機理分析

為了全方位分析網罩結構特征對風扇吹風性能的影響，以平面網罩形態特征為基礎，提取出網罩輻條的側面與頂面造型特征、輻條的截面及排列方向特征等進行分析。

(1) 網罩輻條的側面與頂面造型特征對風扇吹風性能的影響。觀察表1平面網罩的輻條形狀，可發現5號網罩輻條的側面高度并非均勻一致，而是單邊呈拋物線狀，靠近內環低，靠近外環高；另外，6號網罩的輻條頂面寬度也并非均勻一致，靠近內環較窄，而接近外環處較寬。為了探究以上特征對風扇吹風性能的影響，本環節專門在5和6號網罩的基礎上，分別建立等高和等寬輻條特征的新網罩(9和10號)進行對比分析。圖7結果顯示，輻條側面高度與頂面寬度的變化對風扇吹風特征的影響較小，采用均勻等高與等寬輻條的網罩基本能保持原網罩的吹風特性。

圖7 網罩輻條的側面與頂面造型特征對風扇吹風性能的影響

(2) 網罩輻條截面特征對風扇吹風性能的影響。由表 1可知，目前市面上平面網罩的輻條截面普遍為矩形，且各款網罩的長寬比有所不同，如1號網罩為5∶2，2號為2∶1，3號為4∶1等。為了探究網罩輻條長寬比對風扇導風性能的影響，在9號網罩基礎上，建以長寬比分別為1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1及6∶1的新網罩。圖8顯示，網罩輻條截面的長寬比對風的導流性能有重要影響，并且網罩的導流性能隨著輻條截面長寬比的增大而增強，為了達到良好的導流性能，建議輻條截面長寬比大于4∶1。

(3) 網罩輻條排列方向特征對風扇吹風性能的影響。對表1中6款平面風扇網罩造型的共性特征進行對比分析，可以發現4~6號網罩的輻條均為放射性布置，其中5和6號采用的是相反的排列布置。為探究網罩輻條排列方向對風扇導風性能的影響，特在5和6號網罩的基礎上，分別建立與其排列方向相反的11和12號新網罩進行對比分析。圖9中輻條采用逆時針排列方向，搭載6與11號網罩的風扇均能模擬出自然風效果；而輻條采用順時針排列方向，搭載5與12號網罩的風扇均能形成穩定的匯聚風的效果。同時圖9還顯示，搭載順時針與逆時針網罩的出風量基本一致，由于搭載順時針網罩風扇的吹風散布面積較小，因此在作用面上的風功率密度更大。

綜上，網罩的輻條的截面特征與排列方向特征對風扇吹風性能有重大影響。網罩輻條的長寬比大于 4∶1時，網罩具有較好的導風性能；當網罩輻條排列方向與風扇葉片旋轉方向一致時(順時針)具有整流風向與風能匯聚效果，相反則起到抵消漩渦營造自然風的作用。

圖8 網罩輻條截面特征對風扇吹風性能的影響

圖9 網罩輻條排列方向特征對風扇吹風性能的影響

3.3.2 提出解決方案假設

為解決快速散熱及長期舒緩制冷相互兼容的問題，基于機理分析結果，從產品設計正逆創造性思維角度，提出創新設計解決方案。

(1) 正向思考，保留能實現風速穩定、匯聚力強功能的網罩輻條順時針排列設計，通過可隱藏式干擾裝置，降低風速，削弱網罩對風的定向能力。方案 1：輻條由基礎件與干擾件(截面形狀可為導流性能弱的非矩形或長寬比小于4∶1矩形) 2個獨立部件組成。干擾件由相對基礎件滑動的同心圓環固定，當需吹高風功率密度的匯聚風時，干擾件隱藏于基礎件凹槽中，此時 網罩具備良好的導風性能；需吹自然風時，通過轉動同心圓環，干擾件由基礎件凹槽中偏離出來，打亂風向，網罩定向導風性能下降，輸出自然風，圖10為網罩機構切換示意圖。

(2) 逆向思考，依據網罩輻條順逆時針排列導致的截然相反吹風效果，設計可調節輻條旋轉排列方向的可變形網罩機構，實現風扇吹風效果的切換。方案2：網罩的每根輻條由2個管體套疊組成，剛性輻條兩端用鉸鏈分別與網罩的內外圈連接，通過網罩內外圈的相對運動帶動輻條的伸縮運動，實現網罩輻條順逆時針旋轉切換效果，圖 11為機構切換示意圖。

圖10 方案1網罩機構切換示意圖

圖11 方案2機構切換示意圖

3.3.3 方案論證及合理方案

方案 1.搭建干擾件展開后的數值模型，基于計算結果，分析方案功能原理的可行性。圖 12為方案1中網罩機構切換前后風扇吹風效果，當干擾件展開后，網罩原本良好的定向導風性能被破壞，流場傾向于自然風特征；另外，從送風量計算結果看，干擾件展開后，并沒有形成明顯的堵塞作用，送風性能良好，方案1功能原理上基本可行。從生產制造角度，可將基礎件及干擾件看做是獨立的網罩外輻條和內輻條，網罩內輻條具備一定的獨立旋轉功能，網罩可采用傳統塑料材質，整體制造可行性較強。

方案 2.網罩輻條的順逆時針排列對于風扇吹風效果已被驗證，功能原理方面具有較強的可行性。其網罩變形機構的實現是功能實現的基礎，選擇合適的輻條是網罩制作的關鍵。目前，實現網罩伸縮效果的材料及結構多種多樣(如軟膠輻條、液壓桿等)，但從機構實現的簡單性、穩定性及成本角度考慮，采用與雨傘、天線伸縮結構相同的剛性伸縮桿輻條較契合桌面小風扇設計定位，并且具有較強的可行性。

圖12 方案1中網罩機構切換前后風扇吹風效果

通過以上分析可知，從功能原理可行性層面，2個方案均能解決小風扇同時具備短期快速降溫和長期舒緩制冷的功能兼容性問題。其中，方案2的網罩逆時針解決方案可使風扇吹出較優良的自然風效果；從制造可行性層面，2個方案均不存在明顯的生產技術缺陷，方案1結構簡單，材料可選用普通塑料材質，但方案2結構相對復雜，特別是存在細小的伸縮、旋轉等結構，要求制作工藝精良，同時核心運動機構需選用光滑耐磨材料，制作成本較方案1高。綜上，方案1可定位為面向大眾的普惠型產品，而方案2可定位為兼顧性能與細節的中高端產品。

3.4 方案的輸出

3.4.1 形式與功能的探討

為實現風扇匯聚風與自然風模式的切換，方案1采用網罩干擾部件的隱現設計，方案2采用網罩輻條導風角度的可調節設計。這2個方案中的網罩可變形特性是影響造型設計的關鍵因素。圍繞此因素，在造型設計上需解決以下問題：

(1) 網罩可旋轉變形的結構特性與風扇整體造型的關聯性問題；

(2) 可實現網罩旋轉變形的控制按鍵的人機交互設計問題。

3.4.2 造型與色彩的選擇

目前市面上銷售的風扇整體造型普遍以圓形為主，從功能角度，圓形的造型設計契合扇葉旋轉周期性的特點，其旋轉路徑具有對稱性，方便方案1中干擾部件隱現機構的實現；另外，圓形設計可統一網罩剛性輻條的平均長度或伸縮變化力度，也有利于方案2中網罩柵欄順、逆時針旋轉角度的切換。從視覺審美角度，圓形的造型設計曲線柔和，較易塑造一種簡約的設計風格，傳遞自然、簡約的設計理念。因此，本研究選擇圓形作為2款小風扇設計方案的整體形態。

針對控制鍵造型設計層面，2個方案均可通過旋轉模式實現網罩變形功能，并采用一致的按鍵設計方案。本設計研究基于控制鍵與圓形網罩一體化設計理念，提出多款按鍵設計方案(圖13)，從交互方式的便利性角度，提出采用網罩中心圓形旋轉控制鍵設計方案。

圖13 風扇控制按鍵設計方案

產品的色彩和材質與產品的消費人群定位有較大關聯性。方案1定位為普惠型產品，主要材質可選擇傳統的ABS工程塑料，顏色方面以偏中冷色調為主，營造清涼感；方案2定位為中高端產品，外殼及支架以體現現代風格的冷灰色的磨砂金屬材質為主，扇葉與風扇機身同色調，以營造安靜、沉穩的氛圍，體現輕奢、典雅、大氣的設計風格。

3.4.3 最終概念產品

對桌面小風扇方案進行細節完善，最終輸出產品設計效果，如圖14所示。

圖14 方案1和方案2設計效果圖

4 總 結

本文集成實驗分析與數值模擬技術的產品概念設計方法，實現實驗與數值分析與工業設計流程的有機融合，構建以論證為基礎的設計流程，使設計流程中的問題的呈現、分析、解決方案的提出及設計表現等關鍵環節組成漸進式的邏輯關聯體系，形成有效地解決設計創新問題的方法，并以桌面小風扇創新設計為例驗證了方法的有效性。本文實驗分析方法的直觀、可靠性特點，在方案醞釀階段快速地縮小設計研究范圍，為準確指明下一步設計研究方向發揮了重要的作用；數值模擬技術的可視化特點，在方案醞釀階段的現有產品工作特性分析、方案形成階段的機理分析與方案論證中顯現出巨大的優勢，在有效驅動設計解決方案提出發揮了關鍵作用。另外，本文對產品功能與造型的關聯性進行了探討，充實了輸出完整設計概念方案的依據。本研究可為類似的家電產品創新設計提供參考。