基于QFD/TRIZ/FEM集成的兒童搖椅創(chuàng)新設計研究?

易 欣 梁家明 梁卓強 王清文

（生物基材料與能源教育部重點實驗室，華南農業(yè)大學材料與能源學院，廣東 廣州 510642）

兒童家具的消費需求旺盛，二胎政策全面開放使我國兒童家具市場需求進一步擴大[1-3]。研究者從情感化[4-6]、模塊化[7]、可持續(xù)性[8]及可成長性等[9-10]諸多方面探討了兒童家具的設計問題，相關標準的出臺為兒童家具質量提供了法律保障，但當前兒童家具產品同質化現(xiàn)象屢見不鮮，產品質量問題依然嚴重。通過設計保證產品的美觀度和市場認可度，保障產品的交付質量仍存在一定的困難。雖然TRIZ理論、QFD理論、普適設計、協(xié)同設計等理論在產品設計領域中均有應用，但每種理論有其優(yōu)劣勢，單一的理論較難解決產品設計開發(fā)過程中不同階段出現(xiàn)的問題。因此，近年許多領域的學者嘗試利用不同理論的優(yōu)勢，研究其集成應用的可行性與可靠性，并獲得了一定的成效[11-14]。為解決兒童家具開發(fā)中質量保障難度大的問題，本文提出采用QFD/TRIZ/FEM集成應用的創(chuàng)新設計方法，并通過兒童搖椅的設計實踐對該方法的可行性與可靠性進行檢驗。

1 QFD/TRIZ/FEM集成運用方法

QFD即質量功能展開，是由日本學者赤尾洋二和水野滋提出的一種蘊含源流管理思想的質量管理方法，其以質量屋(HOQ)為核心工具，快速、準確地定義產品設計開發(fā)中亟需解決的問題，從而達到質量保障的目的[15-16]。TRIZ即發(fā)明問題解決方法，是Genrich S.Altshuler等在對海量的發(fā)明專利分析后提出的系統(tǒng)化發(fā)明方法論，該方法論總結了發(fā)明創(chuàng)新的規(guī)律與解決發(fā)明問題的原理[17-19]。FEM即有限元法，是一種高效能、常用的數值計算方法。在產品設計開發(fā)過程中可以利用有限元軟件，如ANSYS、COMSOL等，模擬產品的實際使用情況，獲取試驗數據[20-22]。

兒童家具設計開發(fā)需要經歷定義問題、解決問題和成果檢驗三個階段，在每個階段中需要解決的問題各有不同。QFD的優(yōu)勢是能將顧客需求轉化為產品需求，在源頭上明確產品應具有的特性和質量，即解決“做什么”的問題，但是其解題能力較差，無法快速、有效地解決所定義的問題；TRIZ著力于創(chuàng)新活動的落地，即解決“怎么做”的問題，但其在具體問題的定義和方案的可行性檢驗上存在不足； FEM能夠對方案進行虛擬仿真，有助于在產品設計開發(fā)過程中節(jié)省時間與經濟成本。因此，將三者的優(yōu)勢結合起來，可形成集QFD分析定義問題、TRIZ解決問題、FEM檢驗方案于一體的解題模型，如圖1 所示。

圖1 QFD/TRIZ/FEM集成應用的解題模型圖Fig.1 Model diagram of QFD/TRIZ/FEM integrated application

首先，對兒童家具市場進行深入調研以獲取用戶需求，并成立專家小組進行相應的打分，利用QFD量表獲取核心的需求及存在負相關關系的特性組合；其次，將這些特性與39 個通用工程參數對應，轉化成TRIZ中的矛盾沖突組合，并通過40 個發(fā)明措施或4 個分離原理的指導，結合現(xiàn)有科技、工藝等手段解決兒童家具產品中存在的具體問題，獲得理想方案；最后，使用FEM軟件對獲得的方案進行虛擬仿真，模擬真實場景以檢驗其質量是否符合要求，并最終確定所使用的材料和具體工藝。

2 木質兒童搖椅創(chuàng)新設計

木質兒童床、兒童椅以及木質桌子是十分常見的兒童家具。在這些家具的設計過程中不僅要面對兒童生理和心理方面的特殊性問題，還需要解決質量安全和使用安全兩方面可能存在的隱患。鑒于此，下文以市場中3～6 歲兒童使用的木質兒童搖椅為例（見圖2），基于QFD理論對問題進行分析和重新定義，借助TRIZ理論選取有關發(fā)明措施，對新款兒童搖椅設計方案的求解進行探索和嘗試。

圖2 木質兒童搖椅原型Fig.2 Prototype of children's wooden rocking chair

2.1 問題分析與定義

兒童具有好奇多動、缺乏自我保護意識的特點，在椅凳上活動時容易發(fā)生跌落、撞傷等危險[23]。根據對兒童監(jiān)護人的訪談和問卷調查，發(fā)現(xiàn)受訪者普遍希望兒童坐具能夠滿足結構穩(wěn)固可靠、材料堅固耐久、產品綠色環(huán)保、細小零件少、質輕且移動方便等要求，同時坐具造型應新奇美觀、色彩明快。家長非常關注椅子本身的安全性能，要求坐具平穩(wěn)結實，還應具有互動性和趣味性。觀察發(fā)現(xiàn)，兒童易將食物等濺灑或涂抹到椅子上，因此兒童家具還應滿足耐污染、易清潔的要求。兒童身體處于快速發(fā)育階段，其用具的更新頻率通常較快，因此需要考慮購買者的經濟情況，盡可能延長兒童家具的生命周期。綜上所述，木質兒童搖椅設計應滿足的使用需求如圖3 所示。

圖3 木質兒童搖椅應滿足的使用需求Fig.3 The use needs of children's wooden rocking chair

依據圖3，木質兒童搖椅的使用需求為Ri，首先，對各個使用需求兩兩比較后以1、3、5、7、9 的分值進行重要度Ii的打分，分值對應極不重要、不重要、一般、重要、極重要五個等級，并使用歸一化公式（1）計算相對權重ωi；其次，對使用需求進行分析提煉，得出兒童搖椅使用需求的技術特性Cj，分別為C1結構穩(wěn)固、C2材料強度高、C3材料環(huán)保、C4質量輕、C5結構簡單、C6生命周期長、C7造型美觀度高、C8色彩飽和度高、C9動態(tài)性強、C10平穩(wěn)性強和C11可清潔度高；再者，分析需求與特性之間的相關度Pij，由弱到強以1、3、5 進行賦值，無關則留空，并通過公式（2）計算技術特性得分Tj；最后，分析產品特性之間的相關特性，用“+”、“0”、“-”分別表示正相關特性、一般相關特性、負相關特性，最終構建了兒童椅質量屋分析矩陣（見圖4）。為提高圖片的可辨識程度，此處只標出產品特性之間負相關特性。

圖4 木質兒童搖椅創(chuàng)新設計分析質量屋Fig.4 Innovative design quality analysis of children's wooden rocking chair

式中：ωi為第i個使用需求重要度得分的相對權重；Ri為第i個使用需求的重要度得分；Pij為第i行第j列的使用需求與技術特性間的相關度；Tj為第j個技術特性得分；i為第i個使用需求，i為1～11 的整數；j為第j個產品特性，j為1～11 的整數。

2.2 發(fā)明措施選取

由上述分析可得到負相關特性組合，即TRIZ理論中的矛盾沖突組合，根據其特性找出TRIZ的39 個通用工程參數中對應的參數，參數不同的為技術矛盾，參數相同的為物理矛盾。對于技術矛盾，可根據TRIZ矛盾矩陣表獲取發(fā)明措施；對于物理矛盾，可根據四大類分離原理解決。筆者認為，在玩樂時兒童搖椅需要較強的動態(tài)感，而在其他時候需要較好的平穩(wěn)性，屬于時間范疇的問題，可利用時間分離原理進行解題[18]。發(fā)明措施的特性分別與分離原理中的時間、空間、條件、整體和部分形成對應關系，可獲得矛盾類型分析及解題措施表（見表1）。圖4 所示負相關關系的產品特性優(yōu)先級是相鄰近的，跨度不大，在設計過程中不能大幅度削減某一特性的滿意度，難以較好地兼顧兩個特性的需求，因而可運用矛盾矩陣表中推薦的解題措施進行求解，盡可能快速地找到解決實際問題的方法。根據質量屋及對特性所屬通用工程參數種類的分析，得到待解決的矛盾沖突有以下四對，即：1）形狀與裝置復雜度；2）裝置復雜性與結構穩(wěn)定性；3）動態(tài)性與平穩(wěn)性；4）強度與靜止物體的重量。這些矛盾可以依據表1 中提供的方法進行求解。

表1 木質兒童搖椅產品開發(fā)矛盾類型分析及解題措施表Tab.1 Contradiction type analysis and problem solving measures table in product development of children's wooden rocking chair

3 木質兒童搖椅設計方案

3.1 方案剖析與求解

兒童家具外觀是誘發(fā)消費者興趣的關鍵因素，主要可從造型、色彩和材質方面考慮。兒童搖椅造型應具有趣味性、益智性，本案選取溫順、友好的動物——犬，作為兒童搖椅的主題；不同的顏色讓人產生不同的視覺和心理感受，兒童家具應當選擇明亮、飽滿的色彩[24-26]；材質方面，淺色木質材料比較受消費者的喜愛。產品生命周期是兒童家具的另一重要因素，可以通過改善產品質量以延長使用壽命，也可考慮改善產品的適應性，使其在尺寸、功能上能適應更多的使用場合。此外，對于實際使用中容易產生污垢的問題，要求產品在設計上盡量減少藏垢的縫隙，避免磨損并防止在磨損處產生污垢。

根據質量屋中所示的優(yōu)先級排序可知，結構與功能問題需要被優(yōu)先考慮。但造型的融入使得產品結構的復雜度增加，也會對產品的生產工藝、材料成本產生一定的影響。對此采用措施No.16 不足或過度功能，降低其造型的相似程度，即對造型進行簡化。這種結構復雜度的變化亦增大了兒童搖椅內部結構松脫的可能性，對此，可采取措施No.2 抽取，將部分結構去除，減少松脫的可能性；也可采取No.22 變害為利措施，將可能導致結構不穩(wěn)的地方變?yōu)榭衫玫墓δ艿?。對于功能上“動”與“靜”完全相反的兩種需求，采用措施No.10 預先作用，在兒童搖椅中預先設置能夠實現(xiàn)坐具平穩(wěn)放置的部件，即可通過調節(jié)此部件滿足兩種不同的使用需求。

有關材料的選擇，若要保證產品結構穩(wěn)固則需要選用強度高的木材，或是增大部件的尺寸，但將違背質量輕、便于移動的需求。對此，可采用措施No.40 復合材料進行坐具設計，復合材料可通過不同的原材料配比等實現(xiàn)“輕質高強”的效果；也可采用措施No.26 復制，將部分非承重部件以輕質材料替代或進行多元復合，則強重比可適當提高，達到減重的效果。

3.2 設計方案輸出

首先，依據不足或過度功能原理，對兒童搖椅再設計的主題對象“犬”的形態(tài)進行簡化，并在逐步迭代過程中實現(xiàn)圖形意向、搖椅造型及結構設計的融合。過程如圖5 所示。

圖5 造型簡化過程示意圖Fig.5 Simplified shape diagram

其次，運用抽取及變害為利原理進行功能設計?？紤]到在實際使用時靠背及扶手影響兒童起身與坐下，因此將靠背與扶手去除；而造型中的頭部與連接處極易松脫，綜合考慮兒童身體尺寸的變化、實用性及安全性（抓握），嘗試將頭部制成可供抓握、放置物品的平面；在連接處設計成沿軸進行固定、升降的結構（見圖6），以尺寸的可調節(jié)性延長其生命周期。

圖6 功能設計過程示意圖Fig.6 Functional design process

第三，根據預先作用的原理，對腿足部分進行改造，將兩種不同形態(tài)的功能預先置入腿足部分，使其實現(xiàn)功能轉換?？紤]到轉換的便捷性，使用圓形截面替代常見的方形截面，并使用嵌入式結構，配合緊固螺栓保障連接的強度（見圖7）。最后，綜合考慮強重比、環(huán)保性的需求，使用木塑復合材料作為兒童搖椅的主體材料。在生產時，將著色劑加入到木塑復合材料的原料中，即不使用涂料也能滿足兒童對于色彩的需求，亦能減小使用過程中產品磨損的可能性；此外，對部件的連接處作圓滑處理，可方便清理污垢。最終方案效果圖見圖8。

圖7 腿部轉換結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of leg conversion

3.3 方案優(yōu)化迭代

使用 3D建模軟件Rhino對方案進行模型構建，利用FEM對模型進行力學分析。對搖椅施加與實際情況相近的載荷后（模擬左右晃動），發(fā)現(xiàn)其升降結構形變較大（圖中極值大于50 mm），存在結構被破壞的危險（見圖9）。因此，需要對方案進行優(yōu)化迭代。通過分析，發(fā)現(xiàn)搖椅的升降結構過于復雜，細小構件多，在受力時易被破壞?？蓸嫿ㄒ唤M矛盾沖突組合，通過查找矛盾矩陣表獲取解題措施，見表2。

圖9 木質兒童搖椅仿真情況Fig.9 Simulation of children's wooden rocking chair

表2 優(yōu)化迭代矛盾類型分析及解題措施表Tab.2 Optimization iteration contradiction type analysis and problem solving measures table

選取No.3 局部質量原理，改進局部質量，讓各部件執(zhí)行不同功能，并能實現(xiàn)最佳使用狀態(tài)。首先，在腿足部分增加面板③，使兩側腿足更穩(wěn)固；其次，在面板③處設置滑軌，去除原有的滑軌①及連接部件，使結構更簡潔；第三，將滑軌②與座板連接形成滑軌④，梯形截面的后升降桿⑤嵌入座板中，使其連接更牢固，在使用時不會松脫。結構改進對比見圖10。對迭代后的方案進行重新檢驗，發(fā)現(xiàn)破壞性風險已降低。

圖10 優(yōu)化迭代前后效果圖Fig.10 Optimized before and after iteration renderings

對迭代后方案進行靜力分析，在模擬成年人使用該家具時，發(fā)現(xiàn)最大應變僅為0.5 mm，本方案可以滿足使用需要。一款具有升降功能，并能實現(xiàn)4 種使用形態(tài)轉換的木質兒童搖椅的最終設計方案形成，如圖11所示。

圖11 具有4 種使用方式的木質兒童搖椅設計方案圖Fig.11 Four use ways of children's wooden rocking chair design plan

4 結論

通過QFD/TRIZ/FEM 3 種理論的集成運用，初步建立了兒童家具的高效率設計方法，并通過兒童搖椅的設計實踐檢驗了該方法的可行性與可靠性。結果表明：使用3 種理論集成的設計方法可以較好地發(fā)揮各理論的優(yōu)勢，在設計時能夠較精準地定位客戶需求，準確采用發(fā)明措施，并能夠驗證方案可行性，提高了設計的效率和邏輯性。本文的木質兒童搖椅設計方案具有一定的創(chuàng)新性和實用性，不僅保留了產品的童真童趣，也保障了結構的安全性。后續(xù)還需通過試產、試銷等方式對產品的市場認可度及銷售前景進行驗證。采用本文所述的3 種理論集成設計方法可明顯縮短產品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本和研發(fā)難度，對兒童家具的設計與研發(fā)具有借鑒意義。