范志庚

（浙江科技學(xué)院 輕工學(xué)院，杭州 310023）

基于質(zhì)量功能展開的瓦楞紙箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

范志庚

（浙江科技學(xué)院 輕工學(xué)院，杭州 310023）

從瓦楞紙箱消費(fèi)者需求、設(shè)計屬性、質(zhì)量功能展開（QFD）矩陣分析，建立了消費(fèi)者需求與設(shè)計屬性排序。期間結(jié)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(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量屋，得到了最合理的產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量參數(shù)需求排序。

瓦楞紙箱；結(jié)構(gòu)設(shè)計；質(zhì)量屋；矩陣分析；優(yōu)化設(shè)計

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

質(zhì)量功能展開（quality function deployment，QFD）是由日本學(xué)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(chǎn)品設(shè)計方法被日本三菱重工的神戶造船廠成功應(yīng)用于船舶的設(shè)計和制造中[2-3]。大藤正將QFD的原理歸納為“展開的原理”“細(xì)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(diǎn)的原理”[4-5]。豐田公司運(yùn)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(guān)系矩陣的方法。

羅玲[8]進(jìn)行了瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度的研究，分析了四邊簡支非受載邊疊加轉(zhuǎn)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(xué)分析模型，推導(dǎo)出瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度計算公式。

王俊麗等[9]研究了瓦楞紙箱含水率對其力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：瓦楞紙箱的力學(xué)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(jìn)行了有限元研究，在考慮瓦楞紙板材料性質(zhì)的非線性和幾何結(jié)構(gòu)的非線性的基礎(chǔ)上，選擇了某種單瓦楞紙板，采用有限元參數(shù)化設(shè)計語言，著重從瓦楞紙板兩個方向運(yùn)用接觸分析技術(shù)，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(jìn)行了有限元仿真。

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計人員不但要了解產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計要求，還要熟悉產(chǎn)品后續(xù)的生產(chǎn)工藝，否則就不能把客戶需求轉(zhuǎn)化為合格的產(chǎn)品。瓦楞紙箱應(yīng)具有較強(qiáng)的抵抗變形和破壞的能力，以滿足商品物流防護(hù)的需要。在設(shè)計前，設(shè)計者需要了解被包裝物的性狀、容積尺寸、質(zhì)量大小，以及產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)方式、運(yùn)輸堆碼方式、倉庫儲存環(huán)境、運(yùn)輸?shù)缆仿窙r和運(yùn)輸時間，甚至是紙箱外形結(jié)構(gòu)和制作原材料等方面的信息。了解質(zhì)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(chǎn)品及其相關(guān)過程進(jìn)行并行、集成設(shè)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(chǎn)品生命周期中從概念形成到產(chǎn)品報廢處理的所有要素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度計劃及用戶要求等。在產(chǎn)品設(shè)計階段考慮制造問題，產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計交叉進(jìn)行，可使工程設(shè)計更改減少，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短[11]。它能夠縮減設(shè)計時間、節(jié)省成本，以優(yōu)良的質(zhì)量滿足客戶的終極需求，因此，QFD已成為生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行完全質(zhì)量需求管理的重要工具和實(shí)施產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)的有效工具。QFD系統(tǒng)由于重在從產(chǎn)品設(shè)計的初始階段就同時考慮質(zhì)量保證，并且同時進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)實(shí)施措施，因此，它被認(rèn)為是先進(jìn)生產(chǎn)模式及并行工程環(huán)境下質(zhì)量保證與改進(jìn)的最前沿研究領(lǐng)域，以及在該環(huán)境下面向質(zhì)量需求設(shè)計的最佳工具。它對生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減新產(chǎn)品設(shè)計周期、減少生產(chǎn)成本和提高顧客滿意度有很大的幫助意義。

當(dāng)前，從研究角度分析，瓦楞紙箱的研究呈多樣化的特點(diǎn)。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(zhì)量需求，得出產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計方案，做好瓦楞紙箱的優(yōu)化設(shè)計。因此，采用QFD對瓦楞紙箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項可行并且迫切需要的技術(shù)。本研究將通過對瓦楞紙箱質(zhì)量要求的市場調(diào)查，采集不同顧客的需求，尋求與之對應(yīng)的技術(shù)需求；然后運(yùn)用QFD的方法，綜合設(shè)計系統(tǒng)的各種技術(shù)參數(shù)，并將之排序，從而確定最合理的基于質(zhì)量優(yōu)先度的瓦楞紙箱設(shè)計方案。

1 基于QFD的瓦楞紙箱優(yōu)化設(shè)計

1.1 設(shè)計及客戶需求參數(shù)

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

1.2 質(zhì)量要素的分析

表1中共列出10項設(shè)計參數(shù)，先對這些用戶要求的質(zhì)量重要因素進(jìn)行計分。經(jīng)調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，第i項技術(shù)參數(shù)的平均值為xi，則第i項技術(shù)參數(shù)的權(quán)數(shù)為：

對上述10項質(zhì)量需求進(jìn)行研究，確定在產(chǎn)品設(shè)計時質(zhì)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(qiáng)度，黏合強(qiáng)度，堆碼高度，邊壓、耐破強(qiáng)度，釘線結(jié)合位置和手提孔的位置。

1.3 質(zhì)量屋矩陣分析

依據(jù)客戶需求和技術(shù)參數(shù)的重要度，判斷得出矩陣房間的數(shù)值，其中◎=9，○=3，△=1。建立質(zhì)量屋矩陣[11]。

列出客戶需求與技術(shù)需求矩陣關(guān)系：

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

計算各個質(zhì)量要素的重要度：

按照上述權(quán)數(shù)的計算結(jié)果，將權(quán)數(shù)從大到小排列，相應(yīng)可以得到技術(shù)需求的優(yōu)先級。

可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)先重要的項目為邊壓、耐破強(qiáng)度，其次依序往下排列為黏合強(qiáng)度、釘線結(jié)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(qiáng)度、原紙彈性模量和手提孔的位置。

2 瓦楞紙箱概念性設(shè)計方案的選擇

2.1 構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)，如表2所示。

根據(jù)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(biāo)CI=（λmax-N）/（N-1），以及隨機(jī)一致性比例CR=CI/RI，其中，RI是判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，n是判斷矩陣的階數(shù)。

表2 需求層次結(jié)構(gòu)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(dāng)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(shù)判斷矩陣見表3～表7。

表3 C參數(shù)判斷矩陣表Table 3 Parameter C judgment matrix

表4 D參數(shù)判斷矩陣表Table 4 Parameter D judgment matrix

表5 E參數(shù)判斷矩陣表Table 5 Parameter E judgment matrix

表6 F參數(shù)判斷矩陣表Table 6 Parameter F judgment matrix

表7 C參數(shù)判斷矩陣表Table 7 Parameter C judgment matrix

2.3 對目標(biāo)層次的總排序和總一致性進(jìn)行檢查

2）目標(biāo)權(quán)重總排序，見表8。

表8 目標(biāo)權(quán)重總排序Table 8 Total sort of target weights

2.4 質(zhì)量需求權(quán)重順序

通過分析和確認(rèn)，得到瓦楞紙箱結(jié)構(gòu)設(shè)計的質(zhì)量需求權(quán)重順序，如表9所示。

表9 質(zhì)量需求排序Table 9 Quality needs sorting

3 結(jié) 語

本研究從客戶需求出發(fā)到參數(shù)選擇，使用了層次分析法對瓦楞紙箱質(zhì)量需求進(jìn)行質(zhì)量屋權(quán)重的分析和確認(rèn)，獲得了瓦楞紙箱結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量需求權(quán)重順序，并由此權(quán)重順序推導(dǎo)出其生產(chǎn)各階段的QFD配置表。在此階段應(yīng)注意的是，對于權(quán)重系數(shù)較小的客戶需求，在產(chǎn)品設(shè)計過程中也應(yīng)盡量予以滿足，參考運(yùn)用此質(zhì)量需求排序表，企業(yè)可以更好更快地設(shè)計出滿足客戶需求的瓦楞紙箱。

[1] 邵家駿.質(zhì)量功能展開[M].北京：機(jī)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(zhì)量屋的產(chǎn)品開發(fā)過程[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），2002，8（10）：757-761.

[5] 商建東，陳康寧.質(zhì)量驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量模糊評價及方案決策方法研究[J].中國機(jī)械工程，2000，11（12）：1394-1398.

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

[8] 羅玲.瓦楞紙箱抗壓強(qiáng)度研究[D].廣州：暨南大學(xué)，2010.

[9] 王俊麗，鄭全成.瓦楞紙箱的含水率對力學(xué)性能的影響[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)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(xué)，2009.

[11] 范志庚.基于QFD的電子連接頭設(shè)計方法研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，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(xué)和運(yùn)輸包裝的教學(xué)與研究。