基于知情構造理論的產品材質選擇方法

許芳婷　曹小琴

摘要：為進一步提升用戶對產品的整體需求滿意度，提高材料方案選擇的準確性。本文通過知情構造理論展開定量化的數據研究與分析，運用AHP層次分析法與QFD質量屋的集成方法對產品材料屬性參數進行權重分析，得出綜合材料屬性與設計要求間的最佳用戶整體滿意度權重值。將該集成方法運用于數控機床材質選擇評價上，從而驗證該方法的可行性與合理性。為產品材料的選擇提供科學的參考。

關鍵詞：知情構造理論;產品設計;材質選擇;用戶整體滿意度;數控機床

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）04-0059-03

目前產品設計的目標發展趨勢已不局限于滿足單一的產品功能需求，對于產品開發進程中所出現的復雜約束性問題，如工藝、材質選擇、產品安全性、社會生態效益等要素也成為現代設計師在設計創新環節需關注的重點對象。針對這一點，本文以知情構造理論為研究基礎，加強產品創新設計過程中多個約束要素間的 關聯性，并建立知情構造理論下以用戶為導向的產品設計模型來完善傳統設計中常出現的復雜性問題，進而改善產品系統化設計中的矛盾關系。該環節通過優化程序算法將用戶需求與材質屬性進行配對融合，進而完成以用戶需求為導向的產品材料優選設計。

1知情構造理論概述

自20世紀以來，伴隨著數字化設計與工業制造技術的高度融合，也孕育出眾多與材料相關的設計研究與實踐案例。知情構造理論由Oxman R教授首次提出，并將其應用在基于材料的設計研究中，目前已在工程結構設計、建筑材料設計多個領域取得廣泛應用。知情構造理論中的設計定位旨在探尋新的產品材質選擇模式，在應對設計過程中的復雜性問題中尋找新的思路與方向，從產品選材問題著手，通過系統化的算法計算，對產品的工藝、結構、材料與制造之間的聯系進行全新規劃，融合產品多重要素來完成產品的最佳選材環節，在整合的全過程中，既建立了產品與科學技術之間的緊密聯系，也增強了產品材料、工藝和色彩與物質功能間的相互交融，為產品創新設計提供了更多的設計可能性。

在過去傳統的設計過程中，主要表現為工程技術師與設計師的分工合作。在產品設計初期，主要由設計師對產品進行概念方案的構思，再由不同部門的工程技術師對產品材質、結構多重設計要素進行深度的價值分析及評估，以此來完成產品各功能部件的生產與加工制造，最后再由產品的上市推廣銷售反饋來完成整個產品設計生態鏈的開發。而知情構造理論是將科學的設計算法與遵循以用戶需求為導向的設計原則相融合，主張在產品設計前期尋求材料與復雜環境變量的最佳配對模式，強調在設計的后續過程中，完成設計各要素間的相互配對。材料的基礎屬性決定了產品結構的功能發展，而結構的性能屬性又決定了產品功能的呈現形式，本研究旨在通過科學的算法計算完成設計流程中各要素間的相互匹配。

在產品設計初期階段，產品的材料屬性、功能形式以及結構性能通過明確的相互映射信息轉化來指導產品的設計與制造，這種綜合多重產品要素組成的驅動方法可以使整個產品設計與制造的流程更加科學化，其關鍵要素與產品相互間的關系，如圖1所示。

2基于知情構造理論的產品材質選擇方法構建

2.1構建知情構造理論模型

隨著產品設計從以產品為中心的思想向以用戶為主導的思維轉變，眾多設計師也開始強調用戶對產品的綜合體驗與評價。當前，在國內外產品設計領域對于產品使用者的體驗評價測試研究大多側重于產品的人機、造型和色彩，而對產品材料使用者的感官知覺研究相對較少。針對上述現狀，依據知情構造理論開展定量化的數據分析，通過用戶已有的知識經驗作為基礎，在以用戶為產品需求導向的基礎上，集成AHP、QFD等理論方法對產品材料的核心問題進行重點探究，在此基礎上通過定量化的數據參數，科學地把控整個設計流程，以此來提高設計的精準性。知情構造理論模型構建，如圖2所示。

2.2分層QFD質量屋與層次分析法AHP

引入質量屋（QFD）可將用戶的隱性需求轉化為定量的設計參數，通過多要素間的相互融合，最后通過問卷數據回收，得到產品各要素設計的權重值。層次分析法（AHP）通過綜合設計師的類比判斷，能有效權衡設計目標準則體系中層級間的非線性關系。結合QFD與AHP的原理與方法，建立問題間的遞階層次結構關系，以獲得更為科學可靠的產品設計理想解。分層QFD與AHP的整體層級展開結構圖，如圖3所示。

依據知情構造理論設計中產品各要素間組成成分中的映射聯系，基于工程設計的通用算法準則，建立產品分層質量屋QFD，可將用戶的隱性需求轉換為可定量的產品參數，通過AHP最終得到整體用戶滿意度中的材料屬性權重值數據。綜合知情構造理論模型，將產品的材料屬性依據關鍵需求準則進行對應的產品優先級分析，對分層結構的重點關注集中在產品材料屬性層和設計要求層，該步驟環節主要含三類關鍵權重值計算：（1）建立產品材料屬性的相對權重值。組成產品材料屬性和產品需求間的結構遞階層次，并建立每一層級與之對應的相互矩陣關系，用Saaty比例標度值來進行語義的策略表述，其具體語義，如表1所示。

3基于知情構造理論的產品材質選擇方法構建實例

本文以數控機床外殼材質選材設計為例，結合知情構建理論中設計多重要素間的相互關系，綜合系統化的通用算法進行計算，明確數控機床的產品材料屬性與設計要素之間的交互映射關系，從而提升用戶產品使用的整體滿意度，對符合數控車床鈑金工藝制造的材質選擇策略展開研究。

3.1建立綜合設計評價的指標體系K

在數控機床設計的各要素之中，除人機、材料、形態、色彩要素指標之外，還包含社會需求、經濟效益、生態發展等多重評價要素。因此建立多層次、多目標、多類別的分類指標體系，有利于設計對象的目標要素分類細化研究[7]。建立以用戶需求為導向的知情構造理論模型，運用AHP層次分析法綜合分析數控機床的產品材料屬性，經問卷調查、相似度檢測及聚類分析，得到數控機床外殼綜合評價指標體系圖，如圖4所示。

3.2確定數控機床產品材料屬性設計需求的最佳解

利用式（b）和通用算法計算得到材料設計需求權重值命名為W₁，W₂，W₃，…，W₇，且數值中權重值越高代表用戶對產品材料屬性的整體滿意程度越高，其設計需求具體權重數值數據，如表3所示。

類比材料屬性組建判斷矩陣，與TR₁，TR₂，TR₃，TR₄，TR₅類別相對應，基于比例標度值，建立以合理性K25為特定準則的產品材料屬性判斷矩陣，如表4所示。

鑒于此，建立以K₁₁、K₁₂、K₁₃、K₁₄、K₁₅類別需求層為目標準則的產品材質屬性判斷矩陣，通過求解設計目標權重值，并開展一致性指標CI檢驗。依據公式（d）算法計算出二者的綜合權重Z_n，如表5所示。

3.3數控機床外防護罩殼材料選擇

目前數控機床的外防護材質選擇要符合綠色材料的選材、造型簡潔、色彩安全、人機尺度符合設計的流行趨勢，依據綜合指標體系圖的對應指標與市場上現有數控機床的造型特征，通過6位長期從事數控機床的行業專家選取5種罩殼防護材料。經線上資料查閱得到不同鈑金材料的基礎屬性性能表現，如表6所示。

耐蝕性、耐熱性，機械性能好，無熱處理硬化現象，無彈性將各材料的基礎屬性性能對應綜合權重K進行市場用戶調研，并結合前期專家意見進行評分，最終得到基于用戶整體滿意度的不同鈑金材料屬性理想值，如表7所示。

依據材料屬性理想值權重評分，得到 SUS304> SECC> SPCC> SUS301> SGCC，因此數控機床外防護罩殼選定取材為2mm的不銹鋼SUS304進行生產加工，基礎構件不宜過于復雜，加強分子件的焊接密度，也更利用產品最后的焊接組裝。在產品材料和加工制造上盡量保證綠色環保設計，注意其可拆卸以及可回收性等問題，較好控制產品的生產成本，保證能源節約。方案最終效果，如圖5所示。

4結論

基于知情構造理論的研究為產品材質選擇提供了一套以提高用戶整體滿意度為切入點的科學方法，有效地解決了產品材質屬性與需求要素間所產生的矛盾問題。總的來說，通過算法的思路能更為科學地解決新的設計問題，有利于市場的多元化需求的發展。但不足之處在于，設計問題及其設計環節中數理化問題的復雜性，并涉及眾多數值取樣過程中的不確定性。因此，對該方法還需進行更為深入地探究，以便為今后的設計環節提供更多的參考性意見。