基于知情構(gòu)造理論的產(chǎn)品材質(zhì)選擇方法

許芳婷　曹小琴

摘要：為進一步提升用戶對產(chǎn)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(gòu)造理論展開定量化的數(shù)據(jù)研究與分析，運用AHP層次分析法與QFD質(zhì)量屋的集成方法對產(chǎn)品材料屬性參數(shù)進行權(quán)重分析，得出綜合材料屬性與設(shè)計要求間的最佳用戶整體滿意度權(quán)重值。將該集成方法運用于數(shù)控機床材質(zhì)選擇評價上，從而驗證該方法的可行性與合理性。為產(chǎn)品材料的選擇提供科學(xué)的參考。

關(guān)鍵詞：知情構(gòu)造理論;產(chǎn)品設(shè)計;材質(zhì)選擇;用戶整體滿意度;數(shù)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(chǎn)品設(shè)計的目標發(fā)展趨勢已不局限于滿足單一的產(chǎn)品功能需求，對于產(chǎn)品開發(fā)進程中所出現(xiàn)的復(fù)雜約束性問題，如工藝、材質(zhì)選擇、產(chǎn)品安全性、社會生態(tài)效益等要素也成為現(xiàn)代設(shè)計師在設(shè)計創(chuàng)新環(huán)節(jié)需關(guān)注的重點對象。針對這一點，本文以知情構(gòu)造理論為研究基礎(chǔ)，加強產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中多個約束要素間的 關(guān)聯(lián)性，并建立知情構(gòu)造理論下以用戶為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計模型來完善傳統(tǒng)設(shè)計中常出現(xiàn)的復(fù)雜性問題，進而改善產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計中的矛盾關(guān)系。該環(huán)節(jié)通過優(yōu)化程序算法將用戶需求與材質(zhì)屬性進行配對融合，進而完成以用戶需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品材料優(yōu)選設(shè)計。

1知情構(gòu)造理論概述

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

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

在產(chǎn)品設(shè)計初期階段，產(chǎn)品的材料屬性、功能形式以及結(jié)構(gòu)性能通過明確的相互映射信息轉(zhuǎn)化來指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計與制造，這種綜合多重產(chǎn)品要素組成的驅(qū)動方法可以使整個產(chǎn)品設(shè)計與制造的流程更加科學(xué)化，其關(guān)鍵要素與產(chǎn)品相互間的關(guān)系，如圖1所示。

2基于知情構(gòu)造理論的產(chǎn)品材質(zhì)選擇方法構(gòu)建

2.1構(gòu)建知情構(gòu)造理論模型

隨著產(chǎn)品設(shè)計從以產(chǎn)品為中心的思想向以用戶為主導(dǎo)的思維轉(zhuǎn)變，眾多設(shè)計師也開始強調(diào)用戶對產(chǎn)品的綜合體驗與評價。當前，在國內(nèi)外產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域?qū)τ诋a(chǎn)品使用者的體驗評價測試研究大多側(cè)重于產(chǎn)品的人機、造型和色彩，而對產(chǎn)品材料使用者的感官知覺研究相對較少。針對上述現(xiàn)狀，依據(jù)知情構(gòu)造理論開展定量化的數(shù)據(jù)分析，通過用戶已有的知識經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，在以用戶為產(chǎn)品需求導(dǎo)向的基礎(chǔ)上，集成AHP、QFD等理論方法對產(chǎn)品材料的核心問題進行重點探究，在此基礎(chǔ)上通過定量化的數(shù)據(jù)參數(shù)，科學(xué)地把控整個設(shè)計流程，以此來提高設(shè)計的精準性。知情構(gòu)造理論模型構(gòu)建，如圖2所示。

2.2分層QFD質(zhì)量屋與層次分析法AHP

引入質(zhì)量屋（QFD）可將用戶的隱性需求轉(zhuǎn)化為定量的設(shè)計參數(shù)，通過多要素間的相互融合，最后通過問卷數(shù)據(jù)回收，得到產(chǎn)品各要素設(shè)計的權(quán)重值。層次分析法（AHP）通過綜合設(shè)計師的類比判斷，能有效權(quán)衡設(shè)計目標準則體系中層級間的非線性關(guān)系。結(jié)合QFD與AHP的原理與方法，建立問題間的遞階層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，以獲得更為科學(xué)可靠的產(chǎn)品設(shè)計理想解。分層QFD與AHP的整體層級展開結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

依據(jù)知情構(gòu)造理論設(shè)計中產(chǎn)品各要素間組成成分中的映射聯(lián)系，基于工程設(shè)計的通用算法準則，建立產(chǎn)品分層質(zhì)量屋QFD，可將用戶的隱性需求轉(zhuǎn)換為可定量的產(chǎn)品參數(shù)，通過AHP最終得到整體用戶滿意度中的材料屬性權(quán)重值數(shù)據(jù)。綜合知情構(gòu)造理論模型，將產(chǎn)品的材料屬性依據(jù)關(guān)鍵需求準則進行對應(yīng)的產(chǎn)品優(yōu)先級分析，對分層結(jié)構(gòu)的重點關(guān)注集中在產(chǎn)品材料屬性層和設(shè)計要求層，該步驟環(huán)節(jié)主要含三類關(guān)鍵權(quán)重值計算：（1）建立產(chǎn)品材料屬性的相對權(quán)重值。組成產(chǎn)品材料屬性和產(chǎn)品需求間的結(jié)構(gòu)遞階層次，并建立每一層級與之對應(yīng)的相互矩陣關(guān)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(gòu)造理論的產(chǎn)品材質(zhì)選擇方法構(gòu)建實例

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

3.1建立綜合設(shè)計評價的指標體系K

在數(shù)控機床設(shè)計的各要素之中，除人機、材料、形態(tài)、色彩要素指標之外，還包含社會需求、經(jīng)濟效益、生態(tài)發(fā)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(shè)計對象的目標要素分類細化研究[7]。建立以用戶需求為導(dǎo)向的知情構(gòu)造理論模型，運用AHP層次分析法綜合分析數(shù)控機床的產(chǎn)品材料屬性，經(jīng)問卷調(diào)查、相似度檢測及聚類分析，得到數(shù)控機床外殼綜合評價指標體系圖，如圖4所示。

3.2確定數(shù)控機床產(chǎn)品材料屬性設(shè)計需求的最佳解

利用式（b）和通用算法計算得到材料設(shè)計需求權(quán)重值命名為W₁，W₂，W₃，…，W₇，且數(shù)值中權(quán)重值越高代表用戶對產(chǎn)品材料屬性的整體滿意程度越高，其設(shè)計需求具體權(quán)重數(shù)值數(shù)據(jù)，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(yīng)，基于比例標度值，建立以合理性K25為特定準則的產(chǎn)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(chǎn)品材質(zhì)屬性判斷矩陣，通過求解設(shè)計目標權(quán)重值，并開展一致性指標CI檢驗。依據(jù)公式（d）算法計算出二者的綜合權(quán)重Z_n，如表5所示。

3.3數(shù)控機床外防護罩殼材料選擇

目前數(shù)控機床的外防護材質(zhì)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(shè)計的流行趨勢，依據(jù)綜合指標體系圖的對應(yīng)指標與市場上現(xiàn)有數(shù)控機床的造型特征，通過6位長期從事數(shù)控機床的行業(yè)專家選取5種罩殼防護材料。經(jīng)線上資料查閱得到不同鈑金材料的基礎(chǔ)屬性性能表現(xiàn)，如表6所示。

耐蝕性、耐熱性，機械性能好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無彈性將各材料的基礎(chǔ)屬性性能對應(yīng)綜合權(quán)重K進行市場用戶調(diào)研，并結(jié)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(jù)材料屬性理想值權(quán)重評分，得到 SUS304> SECC> SPCC> SUS301> SGCC，因此數(shù)控機床外防護罩殼選定取材為2mm的不銹鋼SUS304進行生產(chǎn)加工，基礎(chǔ)構(gòu)件不宜過于復(fù)雜，加強分子件的焊接密度，也更利用產(chǎn)品最后的焊接組裝。在產(chǎn)品材料和加工制造上盡量保證綠色環(huán)保設(shè)計，注意其可拆卸以及可回收性等問題，較好控制產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，保證能源節(jié)約。方案最終效果，如圖5所示。

4結(jié)論

基于知情構(gòu)造理論的研究為產(chǎn)品材質(zhì)選擇提供了一套以提高用戶整體滿意度為切入點的科學(xué)方法，有效地解決了產(chǎn)品材質(zhì)屬性與需求要素間所產(chǎn)生的矛盾問題?？偟膩碚f，通過算法的思路能更為科學(xué)地解決新的設(shè)計問題，有利于市場的多元化需求的發(fā)展。但不足之處在于，設(shè)計問題及其設(shè)計環(huán)節(jié)中數(shù)理化問題的復(fù)雜性，并涉及眾多數(shù)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(shè)計環(huán)節(jié)提供更多的參考性意見。