基于質量功能展開的瓦楞紙箱結構設計

范志庚

（浙江科技學院 輕工學院，杭州 310023）

基于質量功能展開的瓦楞紙箱結構設計

范志庚

（浙江科技學院 輕工學院，杭州 310023）

從瓦楞紙箱消費者需求、設計屬性、質量功能展開（QFD）矩陣分析，建立了消費者需求與設計屬性排序。期間結合情景分析法、親和圖法（KJ法）、層次分析法（AHP法）等工具，建立基于QFD的產品技術質量屋，得到了最合理的產品設計質量參數需求排序。

瓦楞紙箱；結構設計；質量屋；矩陣分析；優(yōu)化設計

瓦楞紙箱是商品運輸包裝過程中重要的承載容器。目前，有很多學者對瓦楞紙箱都進行了力學理論的實際研究，其中比較多的是對瓦楞紙箱某一參數或是某一工況的研究，或者建立CAD設計參數系統(tǒng)。然而，不同企業(yè)對瓦楞紙箱有著各種不同的質量需求。

質量功能展開（quality function deployment，QFD）是由日本學者水野滋和赤尾洋二于1966年首次提出的[1]。1972年，它作為一種產品設計方法被日本三菱重工的神戶造船廠成功應用于船舶的設計和制造中[2-3]。大藤正將QFD的原理歸納為“展開的原理”“細分化與統(tǒng)合化的原理”“多元化與可視化的原理”“全體化與部分化的原理”，赤尾洋一又追加了“交換的原理”和“面向重點的原理”[4-5]。豐田公司運用QFD使汽車的防銹能力從世界幾大汽車制造商中較差水平上升為目前世界最好水平之一[6]。

車阿大[7]將模糊集理論引入到QFD中，提出了利用模糊理論處理關系矩陣的方法。

羅玲[8]進行了瓦楞紙箱抗壓強度的研究，分析了四邊簡支非受載邊疊加轉角彈性約束因子的矩形瓦楞紙板的屈曲臨界載荷，建立了瓦楞紙箱力學分析模型，推導出瓦楞紙箱抗壓強度計算公式。

王俊麗等[9]研究了瓦楞紙箱含水率對其力學性能的影響，結果表明：瓦楞紙箱的力學性能隨紙箱含水率的增加而下降。

高博[10]等對瓦楞紙箱板成形過程仿真進行了有限元研究，在考慮瓦楞紙板材料性質的非線性和幾何結構的非線性的基礎上，選擇了某種單瓦楞紙板，采用有限元參數化設計語言，著重從瓦楞紙板兩個方向運用接觸分析技術，建立了三維有限元模型，并對瓦楞紙板的壓痕及折疊過程進行了有限元仿真。

在產品設計過程中，設計人員不但要了解產品質量設計要求，還要熟悉產品后續(xù)的生產工藝，否則就不能把客戶需求轉化為合格的產品。瓦楞紙箱應具有較強的抵抗變形和破壞的能力，以滿足商品物流防護的需要。在設計前，設計者需要了解被包裝物的性狀、容積尺寸、質量大小，以及產品的組織結構方式、運輸堆碼方式、倉庫儲存環(huán)境、運輸道路路況和運輸時間，甚至是紙箱外形結構和制作原材料等方面的信息。了解質量需求重要度就顯得十分必要。

QFD是支持并行工程的重要工具之一。并行工程是對產品及其相關過程進行并行、集成設計的一種系統(tǒng)化的工作模式，使開發(fā)者一開始就要考慮到整個產品生命周期中從概念形成到產品報廢處理的所有要素，包括質量、成本、進度計劃及用戶要求等。在產品設計階段考慮制造問題，產品設計和工藝設計交叉進行，可使工程設計更改減少，產品開發(fā)周期縮短[11]。它能夠縮減設計時間、節(jié)省成本，以優(yōu)良的質量滿足客戶的終極需求，因此，QFD已成為生產企業(yè)進行完全質量需求管理的重要工具和實施產品質量改進的有效工具。QFD系統(tǒng)由于重在從產品設計的初始階段就同時考慮質量保證，并且同時進行質量改進實施措施，因此，它被認為是先進生產模式及并行工程環(huán)境下質量保證與改進的最前沿研究領域，以及在該環(huán)境下面向質量需求設計的最佳工具。它對生產企業(yè)提高產品質量、縮減新產品設計周期、減少生產成本和提高顧客滿意度有很大的幫助意義。

當前，從研究角度分析，瓦楞紙箱的研究呈多樣化的特點。但缺少系統(tǒng)的研究，不同顧客對瓦楞紙箱有著不同的需求，因此，需要尋求一種方法來統(tǒng)籌分析各種的質量需求，得出產品的最優(yōu)設計方案，做好瓦楞紙箱的優(yōu)化設計。因此，采用QFD對瓦楞紙箱進行結構設計是一項可行并且迫切需要的技術。本研究將通過對瓦楞紙箱質量要求的市場調查，采集不同顧客的需求，尋求與之對應的技術需求；然后運用QFD的方法，綜合設計系統(tǒng)的各種技術參數，并將之排序，從而確定最合理的基于質量優(yōu)先度的瓦楞紙箱設計方案。

1 基于QFD的瓦楞紙箱優(yōu)化設計

1.1 設計及客戶需求參數

確定一種瓦楞紙箱的結構需要考慮很多的因素，這些因素之間既互相獨立，又互相影響；既要考慮包裝功能的實現，也要考慮制造的工藝（表1）。

1.2 質量要素的分析

表1中共列出10項設計參數，先對這些用戶要求的質量重要因素進行計分。經調查后發(fā)現，第i項技術參數的平均值為xi，則第i項技術參數的權數為：

對上述10項質量需求進行研究，確定在產品設計時質量需求分別為：紙箱形狀，原紙耐折度，原紙彈性模量，原紙定量，紙箱抗壓強度，黏合強度，堆碼高度，邊壓、耐破強度，釘線結合位置和手提孔的位置。

1.3 質量屋矩陣分析

依據客戶需求和技術參數的重要度，判斷得出矩陣房間的數值，其中◎=9，○=3，△=1。建立質量屋矩陣[11]。

列出客戶需求與技術需求矩陣關系：

表1 瓦楞紙箱客戶需求及設計參數Table 1 Customer demand and design parameters for corrugated boxes

計算各個質量要素的重要度：

按照上述權數的計算結果，將權數從大到小排列，相應可以得到技術需求的優(yōu)先級。

可以發(fā)現，最優(yōu)先重要的項目為邊壓、耐破強度，其次依序往下排列為黏合強度、釘線結合位置、紙箱形狀、堆碼高度、原紙定量、原紙耐折度、紙箱抗壓強度、原紙彈性模量和手提孔的位置。

2 瓦楞紙箱概念性設計方案的選擇

2.1 構建判斷矩陣，相對重要度的計算

判斷矩陣[11]表示對上一層次某一元素，本層次有關元素之間相對重要性的情況。分析上述客戶需求，整理成需求層次結構，如表2所示。

根據上述判斷矩陣，使用方根法分別計算各個判斷矩陣的排序向量W和最大特征根λmax，同時計算一致性指標CI=（λmax-N）/（N-1），以及隨機一致性比例CR=CI/RI，其中，RI是判斷矩陣的平均隨機一致性指標，n是判斷矩陣的階數。

表2 需求層次結構Table 2 Demand hierarchial structure

即所求特征值為W=[0.402，0.211，0.153，0.080，0.153]

計算判斷矩陣的最大特征根λmax，即：

當n=5時，RI=10，則CR=CI/RI=7%，小于10%，滿足一致性。

2.2 確定排序向量及一致性檢查

同理，C、D、E、F、C參數判斷矩陣見表3～表7。

表3 C參數判斷矩陣表Table 3 Parameter C judgment matrix

表4 D參數判斷矩陣表Table 4 Parameter D judgment matrix

表5 E參數判斷矩陣表Table 5 Parameter E judgment matrix

表6 F參數判斷矩陣表Table 6 Parameter F judgment matrix

表7 C參數判斷矩陣表Table 7 Parameter C judgment matrix

2.3 對目標層次的總排序和總一致性進行檢查

2）目標權重總排序，見表8。

表8 目標權重總排序Table 8 Total sort of target weights

2.4 質量需求權重順序

通過分析和確認，得到瓦楞紙箱結構設計的質量需求權重順序，如表9所示。

表9 質量需求排序Table 9 Quality needs sorting

3 結 語

本研究從客戶需求出發(fā)到參數選擇，使用了層次分析法對瓦楞紙箱質量需求進行質量屋權重的分析和確認，獲得了瓦楞紙箱結構設計質量需求權重順序，并由此權重順序推導出其生產各階段的QFD配置表。在此階段應注意的是，對于權重系數較小的客戶需求，在產品設計過程中也應盡量予以滿足，參考運用此質量需求排序表，企業(yè)可以更好更快地設計出滿足客戶需求的瓦楞紙箱。

[1] 邵家駿.質量功能展開[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] Hauser J R，Clausing D.The house of quality[J].Harvard Bushiness Review，1988（516）：63-73.

[3] Willian E E，Nancye R.The Customer Driven Company：Managerial Perspectives on QFD[M].Detroit：ASI Press，1994.

[4] 陳以增，唐加福，侯榮濤，等.基于質量屋的產品開發(fā)過程[J].計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS），2002，8（10）：757-761.

[5] 商建東，陳康寧.質量驅動的產品設計質量模糊評價及方案決策方法研究[J].中國機械工程，2000，11（12）：1394-1398.

[6] 劉鴻恩，張列平.質量功能展開（QFD）理論與方法：研究進展綜述[J].系統(tǒng)工程，2000，18（2）：1-6.

[7] 車阿大，林志航，方勇.模糊集理論在QFD中的應用[J].系統(tǒng)工程理論方法應用，1998，7（2）：55-57，62.

[8] 羅玲.瓦楞紙箱抗壓強度研究[D].廣州：暨南大學，2010.

[9] 王俊麗，鄭全成.瓦楞紙箱的含水率對力學性能的影響[J].蘭州交通大學學報，2006，25（3）：134-136.

[10] 高博.瓦楞紙箱成型過程仿真[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[11] 范志庚.基于QFD的電子連接頭設計方法研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學，2009.

Structural design of corrugated boxes based on quality function deployment

FAN Zhigeng
（School of Light Industry，Zhejiang University of Science and Technology，Hangzhou 310023，China）

We build consumer demand and design attributes sorting by analysis of consumer demand，design properties，quality function deployment（QFD）matrix for corrugated boxes.Combining with scenario analysis，KJ method and AHP method（analytic）tools，we establish house of quality for products based on QFD and ultimately get comprehensive optimization of design.

corrugated boxes；structural design；house of quality（HOQ）；matrix analysis；optimized design

TB482.2；TB484.1

A

1671-8798（2014）03-0177-05

10.3969/j.issn.1671-8798.2014.03.004

2014-02-25

范志庚（1979― ），男，江蘇省無錫人，講師，博士研究生，主要從事包裝動力學和運輸包裝的教學與研究。