李天贈(zèng)，黃欣怡，黃 玲

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基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法

李天贈(zèng)1，黃欣怡1，黃 玲2

(1. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)與陶瓷藝術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000； 2.廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000)

為解決傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)流程中，設(shè)計(jì)方案缺乏相應(yīng)工程技術(shù)的校驗(yàn)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)返工率高及開發(fā)效率低下的問題，借助于數(shù)值模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能預(yù)評(píng)估的優(yōu)勢，提出一種基于數(shù)值測試技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法。首先對產(chǎn)品的工作機(jī)理進(jìn)行數(shù)值分析，明確合理的設(shè)計(jì)方向，并以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，然后再次運(yùn)用數(shù)值測試分析手段對設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，最后對通過驗(yàn)證的方案進(jìn)行細(xì)節(jié)完善并輸出最終設(shè)計(jì)概念。數(shù)值模擬技術(shù)與產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)過程相融合，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程的逐步完善，可實(shí)現(xiàn)提升設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量的目的，通過電熱毛巾架的設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性。

工業(yè)設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬；概念設(shè)計(jì)；電熱毛巾架

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興學(xué)科的興起，以“智能制造”為核心的發(fā)展理念正從根本上推動(dòng)著制造技術(shù)的變革，借助于計(jì)算機(jī)智能輔助手段挖掘創(chuàng)新元素，逐漸成為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。如基于3D打印技術(shù)[1]、三維逆向技術(shù)[2]、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[3]、Internet技術(shù)[4]等新技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)合，對設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率及方法產(chǎn)生了重大的影響。針對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在設(shè)計(jì)返工率高及開發(fā)效率低下的不足，本文將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)中，利用數(shù)值計(jì)算可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能預(yù)評(píng)估的優(yōu)勢，提出一種以技術(shù)驅(qū)動(dòng)為核心的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法，旨在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量的提升。文中以電熱毛巾架的設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證該方法的有效性。

1 數(shù)值模擬技術(shù)

數(shù)值模擬技術(shù)可以形象地理解為利用計(jì)算機(jī)做實(shí)驗(yàn)。研究人員在計(jì)算機(jī)中設(shè)定實(shí)物產(chǎn)品模型的工作環(huán)境，然后基于數(shù)值計(jì)算原理模擬實(shí)際環(huán)境中產(chǎn)品的工作情況，從中獲得產(chǎn)品在不同工況下運(yùn)行的參數(shù)，為產(chǎn)品性能評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。數(shù)值模擬的主要步驟為：

步驟1. 提取物理問題，進(jìn)行計(jì)算前準(zhǔn)備；

步驟2.建立反映問題本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，選擇合適的算法對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散求解；

步驟3. 將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化顯示和分析，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬求解流程

與傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方法相比，數(shù)值模擬具有研究周期短、實(shí)驗(yàn)成本低、計(jì)算結(jié)果可視化、可實(shí)現(xiàn)對不同工況的快速評(píng)估的優(yōu)勢。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及數(shù)值算法的快速發(fā)展，為強(qiáng)化高性能、大規(guī)模的數(shù)值模擬研究提供了前所未有的條件，當(dāng)前數(shù)值模擬技術(shù)可快速有效地進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電和多物理場的耦合分析，滿足大多工程研究的需要，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、海洋工程、體育科學(xué)等領(lǐng)域[5-7]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，數(shù)值模擬技術(shù)可為大到列車低阻造型設(shè)計(jì)[8]，小到多士爐的節(jié)能設(shè)計(jì)[9]等各類產(chǎn)品的開發(fā)提供技術(shù)支持，逐漸成為工業(yè)產(chǎn)品探索、設(shè)計(jì)、測試和運(yùn)行等各個(gè)階段的核心技術(shù)。

2 基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法

2.1 產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是基于用戶需求，將抽象的想法變?yōu)榫唧w方案的一系列有序的、可組織的、有目標(biāo)的設(shè)計(jì)活動(dòng)。產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)是工業(yè)設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其決定了產(chǎn)品的基本特征、性能和主要框架，對于產(chǎn)品開發(fā)的成功與否具有重要影響[10]。在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)流程中，產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)主要包括生成、選擇和實(shí)現(xiàn)3大環(huán)節(jié)[11]。

概念的產(chǎn)生是整個(gè)設(shè)計(jì)流程的基礎(chǔ)。在此環(huán)節(jié)中，設(shè)計(jì)人員基于市場信息，通過各種調(diào)查研究或技術(shù)獲得設(shè)計(jì)靈感，產(chǎn)生初步想法，然后將想法進(jìn)行梳理，找出需要解決的問題，將需求概念化；隨后，針對提出的問題尋找具有創(chuàng)造性的解決方案，并通過草圖的形式實(shí)現(xiàn)概念的可視化。概念產(chǎn)生的主要方法有頭腦風(fēng)暴法、類比法、逆向思維法、移植法、聯(lián)想法、列舉法、仿生法等。概念的選擇是一個(gè)逐步篩選細(xì)化的過程，設(shè)計(jì)人員通過制定一定的標(biāo)準(zhǔn)，從前期產(chǎn)生的眾多的設(shè)計(jì)概念中選擇出最優(yōu)的方案。概念選擇是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，對所開發(fā)產(chǎn)品的競爭力具有重要影響。概念選擇的主要方法有外部決策、產(chǎn)品支持者、直覺、多數(shù)表決、辯論及決策矩陣法等形式[12]。篩選出最優(yōu)方案后，設(shè)計(jì)人員對優(yōu)選方案進(jìn)一步完善，深化產(chǎn)品的細(xì)節(jié)，制作工程圖紙，選擇合適的材料及工藝等，將概念產(chǎn)品具體化，輸出最終方案。

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)流程中，各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)內(nèi)部生成反復(fù)判斷循環(huán)的關(guān)系，整體組成了迭代收斂的框架，使設(shè)計(jì)方案朝著預(yù)定的目標(biāo)逐步完善，如圖2所示。然而，由于在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，造型設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)呈先后順序，使功能實(shí)現(xiàn)被動(dòng)滿足造型設(shè)計(jì)要求，容易引起設(shè)計(jì)與制造的脫節(jié)，提高了設(shè)計(jì)返工率，降低了開發(fā)效率；另外，概念設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞很大程度取決于設(shè)計(jì)人員創(chuàng)新意識(shí)的強(qiáng)弱與經(jīng)驗(yàn)豐富與否，產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有偶然性，一定程度上增加了產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)流程

2.2 數(shù)值模擬技術(shù)與產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的結(jié)合

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以數(shù)字化、可視化為特征計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)(computer aided industrial design，CAID)模式得到快速的應(yīng)用與推廣，使設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)過程、設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率等各方面都發(fā)生了質(zhì)的變化。特別是計(jì)算機(jī)新技術(shù)與工業(yè)設(shè)計(jì)的融合，直接推動(dòng)著更為高效、高質(zhì)的設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn)，為增強(qiáng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、可靠性注入了強(qiáng)大的動(dòng)力，成為工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新發(fā)展的重點(diǎn)方向[1-4]。本文將先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)引入到產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，提出一種以數(shù)值模擬技術(shù)為驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法，旨在實(shí)現(xiàn)功能與造型的融合，達(dá)到提升設(shè)計(jì)效率及科學(xué)合理性目的。

基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法劃分為概念醞釀、概念表現(xiàn)、概念測試和概念輸出4大環(huán)節(jié)。①基于數(shù)值測試手段進(jìn)行產(chǎn)品機(jī)理分析，明確原理后開展設(shè)計(jì)方向分析，在產(chǎn)品的概念醞釀階段得出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理方向；②遵循形式服務(wù)于功能的設(shè)計(jì)理念，以合理設(shè)計(jì)方向?yàn)榧s束，驅(qū)動(dòng)造型設(shè)計(jì)，促使功能與造型的協(xié)調(diào)融合；③再次利用數(shù)值模擬方法對提出的方案進(jìn)行測試，驗(yàn)證方案是否達(dá)到預(yù)定的設(shè)計(jì)要求；④對通過驗(yàn)證的方案進(jìn)行細(xì)節(jié)完善與工程實(shí)現(xiàn)，輸出概念。該方法的具體步驟為：

步驟1. 概念的醞釀。提出問題，搭建數(shù)值模型，進(jìn)行產(chǎn)品機(jī)理分析，明確合理的設(shè)計(jì)方向；

步驟2.概念的表現(xiàn)。以合理的設(shè)計(jì)方向?yàn)榧s束，遵循形式服務(wù)與功能原則開展造型設(shè)計(jì)；

步驟3.概念的測試。驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，如不符合要求則返回步驟2，對造型進(jìn)行修正；

步驟4.方案輸出：輸出設(shè)計(jì)方案。

該方法的過程模型如圖3所示。

圖3 基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)流程

表1為本文方法與近年來提出的幾種工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法[13-16]的對比情況。從表中可看出將其他領(lǐng)域成熟的理論與工業(yè)設(shè)計(jì)流程結(jié)合是實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新的主要形式。當(dāng)前創(chuàng)新方法的關(guān)注點(diǎn)多集中于對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)框架中的概念的產(chǎn)生與選擇環(huán)節(jié)的優(yōu)化，通過結(jié)合其他成熟的理論實(shí)現(xiàn)概念的產(chǎn)生與篩選過程的理性化，解決了傳統(tǒng)概念形成與選擇的主觀性問題，達(dá)到提升效率與質(zhì)量的目的。但此類方法中依舊缺乏相應(yīng)的工程技術(shù)解決設(shè)計(jì)的可靠性驗(yàn)證問題。區(qū)別于此類設(shè)計(jì)方法，本文方法對傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了調(diào)整，以數(shù)值模擬技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，概念的醞釀環(huán)節(jié)替代了原框架中概念的產(chǎn)生與選擇環(huán)節(jié)，通過科學(xué)的計(jì)算結(jié)果明確合理的設(shè)計(jì)方向，并增加了概念測試環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)方案可靠性的分析，盡可能地降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 本文方法與其他工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法對比

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以開發(fā)設(shè)計(jì)一款電熱毛巾架產(chǎn)品為例，探討基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法的有效性。

3.1 概念的醞釀

3.1.1 提出問題

電熱毛巾架是利用通電發(fā)熱的方式對潮濕的毛巾進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)較短時(shí)間內(nèi)烘干毛巾和抑制細(xì)菌滋生的目的，可以有效解決陰雨天氣或通風(fēng)不暢的浴室空間中毛巾潮濕的問題，以及消除酒店、旅館中客人因?yàn)樗饺嗣怼?nèi)衣褲無法晾干的煩惱，廣泛適用于家庭、高檔住宅、酒店、公共服務(wù)場所(如洗發(fā)店、浴足、運(yùn)動(dòng)場所)等地。隨著人們生活質(zhì)量的持續(xù)提升，電熱毛巾架的市場需求與日俱增。

電熱毛巾架工作過程中會(huì)維持一段時(shí)間的加熱，如何更高效地利用發(fā)熱熱量，提高加熱效率，實(shí)現(xiàn)降低能耗是電熱毛巾架產(chǎn)品開發(fā)需解決的主要問題。

3.1.2 功能提取，建立簡化模型

提取電熱毛巾架的主要工作部件，將電熱毛巾架工作場景簡化為僅由發(fā)熱板(桿)、毛巾及墻壁等組成的二維簡化模型，如圖4所示。

圖4 二維簡化模型示意圖

3.1.3 建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)值求解

電熱毛巾架的傳熱問題可通過計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行求解，其基本控制方程由質(zhì)量、動(dòng)量和能量3大守恒方程構(gòu)成，即

本文采用ANSYS Fluent流體計(jì)算軟件作為數(shù)值求解平臺(tái)。為了實(shí)現(xiàn)控制方程的封閉求解，離散坐標(biāo)熱輻射模型(discrete ordinates model)及工程中廣泛采用的RNG k-ε湍流模型被采用，求解方法選用對控制方程組進(jìn)行聯(lián)立求解的基于密度隱式求解策略(density based implict solver)，空間離散采用了Roe-FDS通量差分分裂格式。計(jì)算前處理的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置如圖5所示，毛巾架發(fā)熱板(桿)工作溫度設(shè)置為323.15開氏度(即50℃)，發(fā)熱板(桿)導(dǎo)熱率為202.4 w/m.k，濕毛巾導(dǎo)熱率為0.55 w/m.k。

3.1.4 工作機(jī)理分析

對市面上的電熱毛巾架進(jìn)行歸類，選取最為常見的4類晾掛方式的毛巾架進(jìn)行模擬測試。計(jì)算結(jié)果見表2，電熱毛巾架工作過程中，各工況均出現(xiàn)熱量向上流動(dòng)的現(xiàn)象，原因?yàn)榭諝馐軣岷螅芏认陆?，重力作用?qū)使低密度的熱空氣向上運(yùn)動(dòng)；毛巾架采用毛巾與加熱板(桿)接觸的晾掛方式(B1_1，B2_1)的烘干效果比采用毛巾與加熱板(桿)分離的晾掛方式(A1_1，A2_1)的效果更好，原因?yàn)椤肮坦獭睂?dǎo)熱效果比“固氣固”效果好；毛巾架選用加熱板(A1_1，B1_1)或加熱桿(A2_1，B2_1)均具有類似的熱傳遞趨勢，加熱效果好壞取決于加熱板(桿)的排列密度。

表2 常見的4類晾掛方式的毛巾架烘干性能測試

3.1.5 設(shè)計(jì)方向分析

由上述分析可知，毛巾與加熱板(桿)接觸可獲得良好的烘干效果，而采用懸掛晾掛方式，大量的熱量并未直接被毛巾吸收，而是沿垂直方向流失。本階段以后者懸掛晾掛方式的毛巾架為分析對象，主要優(yōu)化目標(biāo)是通過改進(jìn)加熱板(桿)的排列方式，實(shí)現(xiàn)烘干效果的提升。為了更好量化分析烘干效果，分別以毛巾吸收熱量及受熱均勻度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果見表3。將發(fā)熱板集中于毛巾架下部，可提升毛巾的吸熱量；采用傾斜排列方式，熱空氣與毛巾面接觸的幾率更高，毛巾吸收熱量及受熱均勻性均有良好表現(xiàn)；此外，底部加熱板橫向排列，熱空氣并未出現(xiàn)直接垂直上升加熱毛巾的現(xiàn)象，而是沿著墻壁一側(cè)向上流失，其這是由于垂直排列的加熱板發(fā)熱，產(chǎn)生熱空氣流，靠墻一側(cè)空氣密度下降，驅(qū)使底部橫向板發(fā)熱產(chǎn)生的熱空氣也沿著靠墻一側(cè)流動(dòng)。因此，加熱(板)采用橫向與縱向組合排列的方式并無法實(shí)現(xiàn)烘干性能倍增的效果。

表3 4類不同加熱板排列方式的毛巾架烘干性能測試

3.1.6 合理的設(shè)計(jì)方向

通過以上分析，可明確電熱毛巾架的合理設(shè)計(jì)方向：①毛巾架與發(fā)熱板(桿)直接接觸可實(shí)現(xiàn)良好的烘干效果；②降低毛巾架上部加熱板(桿)密度，將發(fā)熱區(qū)集中于毛巾架下部，基于熱量向上流動(dòng)原理，可逐層利用熱量；③采取傾斜排列方式，提高熱空氣與毛巾面的接觸幾率，提高烘干效能。

3.2 概念的表現(xiàn)

3.2.1 提出設(shè)計(jì)草圖

基于以上信息，設(shè)計(jì)構(gòu)思為毛巾架下部設(shè)置為主要發(fā)熱區(qū)，并采用傾斜設(shè)計(jì)，橫桿晾掛與掛鉤晾掛結(jié)合，體現(xiàn)多用途性，設(shè)計(jì)草圖如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)草圖

3.2.2 造型設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步完善

從宜人性、傳達(dá)性、感覺特征等要素，對產(chǎn)品形體進(jìn)行評(píng)判，篩選合適造型，具體評(píng)價(jià)機(jī)制可參考文獻(xiàn)[12]。之后，對篩選方案進(jìn)一步完善，建立三維模型，如圖7所示。其中，U型開口掛鉤可晾掛衣物、其他洗浴用品；發(fā)熱桿兼具晾掛功能，使毛巾平整張開；傾斜發(fā)熱板為主發(fā)熱區(qū)，提高熱量利用率，提升烘干效率；橫向折面，不具備發(fā)熱功能，充當(dāng)置物架，提高方便性。

圖7 設(shè)計(jì)方案(1. U型開口掛鉤；2. 發(fā)熱桿；3. 傾斜發(fā)熱板；4. 橫向折面)

3.3 概念的測試

針對設(shè)計(jì)方案，建立數(shù)值求解模型，對兩種常用的晾掛方式的工作狀態(tài)進(jìn)行模擬測試見表4。采用橫桿晾掛方式，可獲得良好的烘干效果；采用掛鉤晾掛方式，由于毛巾無法全面展開，烘干效果較前者稍微遜色，但該晾掛方式，可最大限度提升毛巾架晾掛毛巾(衣物)量，且烘干效果比傳統(tǒng)電熱毛巾架效果更佳，設(shè)計(jì)方案的整體指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 設(shè)計(jì)方案烘干性能測試

3.4 概念的輸出

對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行細(xì)節(jié)完善，制作圖紙、指定材質(zhì)，明確結(jié)構(gòu)(圖8)等，輸出最終概念，如圖9所示。

圖8 結(jié)構(gòu)原理圖

圖9 設(shè)計(jì)方案應(yīng)用場景效果圖

4 結(jié)束語

本文提出的基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法，將數(shù)值模擬技術(shù)融入工業(yè)設(shè)計(jì)流程，利用數(shù)值模擬技術(shù)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)評(píng)估的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的逐步完善，并通過電熱毛巾架設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了新方法的有效性。①該方法在概念醞釀階段采用了單向推理的求解方式，提高了解決問題的速度，而基于科學(xué)測試驅(qū)動(dòng)解決問題的模式，也確保了方案形成的科學(xué)性；②概念醞釀階段獲得的合理設(shè)計(jì)方向?yàn)橄乱浑A段的造型設(shè)計(jì)指定了約束范圍，避免了設(shè)計(jì)的盲目性，設(shè)計(jì)師可以集中精力進(jìn)行功能與造型美的結(jié)合研究，提升了設(shè)計(jì)的質(zhì)量；③概念測試階段，利用數(shù)值模擬技術(shù)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行再次驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)方案的合理性，進(jìn)一步降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。本文提出的設(shè)計(jì)方法可供其他以功能設(shè)計(jì)為核心的產(chǎn)品(如白色家電、衛(wèi)浴產(chǎn)品等)設(shè)計(jì)案例參考，但本文方法在概念表現(xiàn)環(huán)節(jié)仍需借鑒現(xiàn)有的成熟美學(xué)評(píng)價(jià)機(jī)制。

[1] 袁曉東. 基于逆向工程與3D打印技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2015, 32(10): 105-108.

[2] 楊艷紅, 鐘相強(qiáng). 工業(yè)設(shè)計(jì)中產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)方法研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2013, 30(10): 102-105.

[3] 陳瑋, 蘆宏斌, 魯茗莉, 等. 虛擬仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2013, 26(6): 76-78.

[4] 王金鳳. 互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的工業(yè)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2018, 41(11): 100-104.

[5] LI T Z, ZHAN J M. Hydrodynamic body shape analysis and their impact on swimming performance [J]. Acta of Bioengineering and Biomechanics, 2015, 17(4): 3-11.

[6] LI T Z, CAI W H, ZHAN J M. Numerical investigation of swimmer’s gliding stage with 6-DOF movement [J]. PLOS One, 2017, 12(1): 1-17.

[7] LI T Z, WAI O W H, GONG Y J, et al. Numerical and experimental investigation of a six DOF scaled model of a swimmer posed in streamlined posture [J]. Computers and Fluids, 2017, 149: 1-11.

[8] 齊文溥. 仿生設(shè)計(jì)在高速列車頭型、車燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2012.

[9] 李天贈(zèng), 樊敏達(dá), 蔡文豪, 等. 數(shù)值模擬技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——以多士爐的節(jié)能設(shè)計(jì)為例[J]. 裝飾, 2018, 302(6): 86-89.

[10] 田靜. 工業(yè)設(shè)計(jì)中產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2006.

[11] 陳輝. 計(jì)算機(jī)輔助概念設(shè)計(jì)在客車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D]. 南京: 南京林業(yè)大學(xué), 2008.

[12] 白雪. 新產(chǎn)品開發(fā)的工業(yè)設(shè)計(jì)流程及評(píng)價(jià)體系的研究[D]. 成都: 四川大學(xué), 2006.

[13] 艾險(xiǎn)峰, 胡康, 周紅宇, 等. 基于TRIZ的工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新流程研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2015, 32(11): 105-109.

[14] 徐嵐, 宗光華, 張融. 基于iNPD的工業(yè)設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 31(4): 130-136.

[15] 王金廣, 許可. 基于可拓學(xué)的工業(yè)設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新研究[J]. 機(jī)電工程技術(shù), 2014, 43(12): 23-27.

[16] 邢錫金, 曹國忠, 劉偉, 等. 基于Matrix 2003與效應(yīng)的產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法研究[J]. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào), 2016, 23(1): 14-21.

A Product Conceptual Design Method Based on Numerical Simulation Technology

LI Tian-zeng1, HUANG Xin-yi1, HUANG Ling2

(1. School of Industrial Design and Ceramic Art, Foshan University, Foshan Guangdong 528000, China; 2. Guangdong Provincial Academy of Building Research Group Co., Ltd, Guangzhou Guangdong 510000, China)

In order to solve the lack of engineering verification in the traditional industrial design process, which leads to the problems of high design rework rate and low development efficiency, this paper proposes a product conceptual design method based on numerical simulation technology which has the advantage of pre-assessment of product performance. Firstly, numerical investigation of the working mechanism of the product is carried out for defining the rational design direction to guide the product appearance design. Then the feasibility of the design solution is verified by using the numerical test analysis method again. Finally, the details of the verified design solution are refined so that the final design concept is output. The combination of numerical simulation technology and product concept design process can drive the gradual improvement of the design process, which can be used to improve design efficiency and design quality. The proposed method is verified by an industrial design of towel warmer.

industrial design; numerical simulation; concept design; towel warmer

TP 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2019020308

A

2095-302X(2019)02-0308-07

2018-07-27；

2018-09-17

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11802061)；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目(2017KQNCX208)；佛山市社科規(guī)劃項(xiàng)目(2018-GJ023)

李天贈(zèng)(1988-)，男，廣東韶關(guān)人，副教授，博士。主要研究方向?yàn)楣I(yè)設(shè)計(jì)方法、游泳仿生運(yùn)動(dòng)分析。E-mail：38458933@qq.com

黃 玲(1988-)，女，廣東梅州人，工程師，碩士。主要研究方向?yàn)閿?shù)值模擬技術(shù)工程應(yīng)用。E-mail：806045267@qq.com