易 欣 梁家明 梁卓強(qiáng) 王清文

（生物基材料與能源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510642）

兒童家具的消費(fèi)需求旺盛，二胎政策全面開放使我國兒童家具市場(chǎng)需求進(jìn)一步擴(kuò)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(zhǎng)性等[9-10]諸多方面探討了兒童家具的設(shè)計(jì)問題，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)為兒童家具質(zhì)量提供了法律保障，但當(dāng)前兒童家具產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象屢見不鮮，產(chǎn)品質(zhì)量問題依然嚴(yán)重。通過設(shè)計(jì)保證產(chǎn)品的美觀度和市場(chǎng)認(rèn)可度，保障產(chǎn)品的交付質(zhì)量仍存在一定的困難。雖然TRIZ理論、QFD理論、普適設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)等理論在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中均有應(yīng)用，但每種理論有其優(yōu)劣勢(shì)，單一的理論較難解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中不同階段出現(xiàn)的問題。因此，近年許多領(lǐng)域的學(xué)者嘗試?yán)貌煌碚摰膬?yōu)勢(shì)，研究其集成應(yīng)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(zhì)量保障難度大的問題，本文提出采用QFD/TRIZ/FEM集成應(yīng)用的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，并通過兒童搖椅的設(shè)計(jì)實(shí)踐對(duì)該方法的可行性與可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 QFD/TRIZ/FEM集成運(yùn)用方法

QFD即質(zhì)量功能展開，是由日本學(xué)者赤尾洋二和水野滋提出的一種蘊(yùn)含源流管理思想的質(zhì)量管理方法，其以質(zhì)量屋(HOQ)為核心工具，快速、準(zhǔn)確地定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中亟需解決的問題，從而達(dá)到質(zhì)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(duì)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(jié)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(shù)值計(jì)算方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中可以利用有限元軟件，如ANSYS、COMSOL等，模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用情況，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)[20-22]。

兒童家具設(shè)計(jì)開發(fā)需要經(jīng)歷定義問題、解決問題和成果檢驗(yàn)三個(gè)階段，在每個(gè)階段中需要解決的問題各有不同。QFD的優(yōu)勢(shì)是能將顧客需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品需求，在源頭上明確產(chǎn)品應(yīng)具有的特性和質(zhì)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(dòng)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(yàn)上存在不足； FEM能夠?qū)Ψ桨高M(jìn)行虛擬仿真，有助于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中節(jié)省時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。因此，將三者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，可形成集QFD分析定義問題、TRIZ解決問題、FEM檢驗(yàn)方案于一體的解題模型，如圖1 所示。

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

首先，對(duì)兒童家具市場(chǎng)進(jìn)行深入調(diào)研以獲取用戶需求，并成立專家小組進(jìn)行相應(yīng)的打分，利用QFD量表獲取核心的需求及存在負(fù)相關(guān)關(guān)系的特性組合；其次，將這些特性與39 個(gè)通用工程參數(shù)對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)化成TRIZ中的矛盾沖突組合，并通過40 個(gè)發(fā)明措施或4 個(gè)分離原理的指導(dǎo)，結(jié)合現(xiàn)有科技、工藝等手段解決兒童家具產(chǎn)品中存在的具體問題，獲得理想方案；最后，使用FEM軟件對(duì)獲得的方案進(jìn)行虛擬仿真，模擬真實(shí)場(chǎng)景以檢驗(yàn)其質(zhì)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(zhì)兒童搖椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)

木質(zhì)兒童床、兒童椅以及木質(zhì)桌子是十分常見的兒童家具。在這些家具的設(shè)計(jì)過程中不僅要面對(duì)兒童生理和心理方面的特殊性問題，還需要解決質(zhì)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(chǎng)中3～6 歲兒童使用的木質(zhì)兒童搖椅為例（見圖2），基于QFD理論對(duì)問題進(jìn)行分析和重新定義，借助TRIZ理論選取有關(guān)發(fā)明措施，對(duì)新款兒童搖椅設(shè)計(jì)方案的求解進(jìn)行探索和嘗試。

圖2 木質(zhì)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(dòng)、缺乏自我保護(hù)意識(shí)的特點(diǎn)，在椅凳上活動(dòng)時(shí)容易發(fā)生跌落、撞傷等危險(xiǎn)[23]。根據(jù)對(duì)兒童監(jiān)護(hù)人的訪談和問卷調(diào)查，發(fā)現(xiàn)受訪者普遍希望兒童坐具能夠滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠、材料堅(jiān)固耐久、產(chǎn)品綠色環(huán)保、細(xì)小零件少、質(zhì)輕且移動(dòng)方便等要求，同時(shí)坐具造型應(yīng)新奇美觀、色彩明快。家長(zhǎng)非常關(guān)注椅子本身的安全性能，要求坐具平穩(wěn)結(jié)實(shí)，還應(yīng)具有互動(dòng)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(yīng)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(jīng)濟(jì)情況，盡可能延長(zhǎng)兒童家具的生命周期。綜上所述，木質(zhì)兒童搖椅設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的使用需求如圖3 所示。

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

依據(jù)圖3，木質(zhì)兒童搖椅的使用需求為Ri，首先，對(duì)各個(gè)使用需求兩兩比較后以1、3、5、7、9 的分值進(jìn)行重要度Ii的打分，分值對(duì)應(yīng)極不重要、不重要、一般、重要、極重要五個(gè)等級(jí)，并使用歸一化公式（1）計(jì)算相對(duì)權(quán)重ωi；其次，對(duì)使用需求進(jìn)行分析提煉，得出兒童搖椅使用需求的技術(shù)特性Cj，分別為C1結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、C2材料強(qiáng)度高、C3材料環(huán)保、C4質(zhì)量輕、C5結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、C6生命周期長(zhǎng)、C7造型美觀度高、C8色彩飽和度高、C9動(dòng)態(tài)性強(qiáng)、C10平穩(wěn)性強(qiáng)和C11可清潔度高；再者，分析需求與特性之間的相關(guān)度Pij，由弱到強(qiáng)以1、3、5 進(jìn)行賦值，無關(guān)則留空，并通過公式（2）計(jì)算技術(shù)特性得分Tj；最后，分析產(chǎn)品特性之間的相關(guān)特性，用“+”、“0”、“-”分別表示正相關(guān)特性、一般相關(guān)特性、負(fù)相關(guān)特性，最終構(gòu)建了兒童椅質(zhì)量屋分析矩陣（見圖4）。為提高圖片的可辨識(shí)程度，此處只標(biāo)出產(chǎn)品特性之間負(fù)相關(guān)特性。

圖4 木質(zhì)兒童搖椅創(chuàng)新設(shè)計(jì)分析質(zhì)量屋Fig.4 Innovative design quality analysis of children's wooden rocking chair

式中：ωi為第i個(gè)使用需求重要度得分的相對(duì)權(quán)重；Ri為第i個(gè)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(shù)特性間的相關(guān)度；Tj為第j個(gè)技術(shù)特性得分；i為第i個(gè)使用需求，i為1～11 的整數(shù)；j為第j個(gè)產(chǎn)品特性，j為1～11 的整數(shù)。

2.2 發(fā)明措施選取

由上述分析可得到負(fù)相關(guān)特性組合，即TRIZ理論中的矛盾沖突組合，根據(jù)其特性找出TRIZ的39 個(gè)通用工程參數(shù)中對(duì)應(yīng)的參數(shù)，參數(shù)不同的為技術(shù)矛盾，參數(shù)相同的為物理矛盾。對(duì)于技術(shù)矛盾，可根據(jù)TRIZ矛盾矩陣表獲取發(fā)明措施；對(duì)于物理矛盾，可根據(jù)四大類分離原理解決。筆者認(rèn)為，在玩樂時(shí)兒童搖椅需要較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)感，而在其他時(shí)候需要較好的平穩(wěn)性，屬于時(shí)間范疇的問題，可利用時(shí)間分離原理進(jìn)行解題[18]。發(fā)明措施的特性分別與分離原理中的時(shí)間、空間、條件、整體和部分形成對(duì)應(yīng)關(guān)系，可獲得矛盾類型分析及解題措施表（見表1）。圖4 所示負(fù)相關(guān)關(guān)系的產(chǎn)品特性優(yōu)先級(jí)是相鄰近的，跨度不大，在設(shè)計(jì)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(gè)特性的需求，因而可運(yùn)用矛盾矩陣表中推薦的解題措施進(jìn)行求解，盡可能快速地找到解決實(shí)際問題的方法。根據(jù)質(zhì)量屋及對(duì)特性所屬通用工程參數(shù)種類的分析，得到待解決的矛盾沖突有以下四對(duì)，即：1）形狀與裝置復(fù)雜度；2）裝置復(fù)雜性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；3）動(dòng)態(tài)性與平穩(wěn)性；4）強(qiáng)度與靜止物體的重量。這些矛盾可以依據(jù)表1 中提供的方法進(jìn)行求解。

表1 木質(zhì)兒童搖椅產(chǎn)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(zhì)兒童搖椅設(shè)計(jì)方案

3.1 方案剖析與求解

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

根據(jù)質(zhì)量屋中所示的優(yōu)先級(jí)排序可知，結(jié)構(gòu)與功能問題需要被優(yōu)先考慮。但造型的融入使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加，也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝、材料成本產(chǎn)生一定的影響。對(duì)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(duì)造型進(jìn)行簡(jiǎn)化。這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的變化亦增大了兒童搖椅內(nèi)部結(jié)構(gòu)松脫的可能性，對(duì)此，可采取措施No.2 抽取，將部分結(jié)構(gòu)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)的地方變?yōu)榭衫玫墓δ艿?。?duì)于功能上“動(dòng)”與“靜”完全相反的兩種需求，采用措施No.10 預(yù)先作用，在兒童搖椅中預(yù)先設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)坐具平穩(wěn)放置的部件，即可通過調(diào)節(jié)此部件滿足兩種不同的使用需求。

有關(guān)材料的選擇，若要保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)穩(wěn)固則需要選用強(qiáng)度高的木材，或是增大部件的尺寸，但將違背質(zhì)量輕、便于移動(dòng)的需求。對(duì)此，可采用措施No.40 復(fù)合材料進(jìn)行坐具設(shè)計(jì)，復(fù)合材料可通過不同的原材料配比等實(shí)現(xiàn)“輕質(zhì)高強(qiáng)”的效果；也可采用措施No.26 復(fù)制，將部分非承重部件以輕質(zhì)材料替代或進(jìn)行多元復(fù)合，則強(qiáng)重比可適當(dāng)提高，達(dá)到減重的效果。

3.2 設(shè)計(jì)方案輸出

首先，依據(jù)不足或過度功能原理，對(duì)兒童搖椅再設(shè)計(jì)的主題對(duì)象“犬”的形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并在逐步迭代過程中實(shí)現(xiàn)圖形意向、搖椅造型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的融合。過程如圖5 所示。

圖5 造型簡(jiǎn)化過程示意圖Fig.5 Simplified shape diagram

其次，運(yùn)用抽取及變害為利原理進(jìn)行功能設(shè)計(jì)?？紤]到在實(shí)際使用時(shí)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(shí)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(shè)計(jì)成沿軸進(jìn)行固定、升降的結(jié)構(gòu)（見圖6），以尺寸的可調(diào)節(jié)性延長(zhǎng)其生命周期。

圖6 功能設(shè)計(jì)過程示意圖Fig.6 Functional design process

第三，根據(jù)預(yù)先作用的原理，對(duì)腿足部分進(jìn)行改造，將兩種不同形態(tài)的功能預(yù)先置入腿足部分，使其實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)換?？紤]到轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，配合緊固螺栓保障連接的強(qiáng)度（見圖7）。最后，綜合考慮強(qiáng)重比、環(huán)保性的需求，使用木塑復(fù)合材料作為兒童搖椅的主體材料。在生產(chǎn)時(shí)，將著色劑加入到木塑復(fù)合材料的原料中，即不使用涂料也能滿足兒童對(duì)于色彩的需求，亦能減小使用過程中產(chǎn)品磨損的可能性；此外，對(duì)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)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(duì)方案進(jìn)行模型構(gòu)建，利用FEM對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)分析。對(duì)搖椅施加與實(shí)際情況相近的載荷后（模擬左右晃動(dòng)），發(fā)現(xiàn)其升降結(jié)構(gòu)形變較大（圖中極值大于50 mm），存在結(jié)構(gòu)被破壞的危險(xiǎn)（見圖9）。因此，需要對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化迭代。通過分析，發(fā)現(xiàn)搖椅的升降結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，細(xì)小構(gòu)件多，在受力時(shí)易被破壞?？蓸?gòu)建一組矛盾沖突組合，通過查找矛盾矩陣表獲取解題措施，見表2。

圖9 木質(zhì)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(zhì)量原理，改進(jìn)局部質(zhì)量，讓各部件執(zhí)行不同功能，并能實(shí)現(xiàn)最佳使用狀態(tài)。首先，在腿足部分增加面板③，使兩側(cè)腿足更穩(wěn)固；其次，在面板③處設(shè)置滑軌，去除原有的滑軌①及連接部件，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)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(shí)不會(huì)松脫。結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)比見圖10。對(duì)迭代后的方案進(jìn)行重新檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)破壞性風(fēng)險(xiǎn)已降低。

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

對(duì)迭代后方案進(jìn)行靜力分析，在模擬成年人使用該家具時(shí)，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)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(shí)現(xiàn)4 種使用形態(tài)轉(zhuǎn)換的木質(zhì)兒童搖椅的最終設(shè)計(jì)方案形成，如圖11所示。

圖11 具有4 種使用方式的木質(zhì)兒童搖椅設(shè)計(jì)方案圖Fig.11 Four use ways of children's wooden rocking chair design plan

4 結(jié)論

通過QFD/TRIZ/FEM 3 種理論的集成運(yùn)用，初步建立了兒童家具的高效率設(shè)計(jì)方法，并通過兒童搖椅的設(shè)計(jì)實(shí)踐檢驗(yàn)了該方法的可行性與可靠性。結(jié)果表明：使用3 種理論集成的設(shè)計(jì)方法可以較好地發(fā)揮各理論的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)時(shí)能夠較精準(zhǔn)地定位客戶需求，準(zhǔn)確采用發(fā)明措施，并能夠驗(yàn)證方案可行性，提高了設(shè)計(jì)的效率和邏輯性。本文的木質(zhì)兒童搖椅設(shè)計(jì)方案具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性，不僅保留了產(chǎn)品的童真童趣，也保障了結(jié)構(gòu)的安全性。后續(xù)還需通過試產(chǎn)、試銷等方式對(duì)產(chǎn)品的市場(chǎng)認(rèn)可度及銷售前景進(jìn)行驗(yàn)證。采用本文所述的3 種理論集成設(shè)計(jì)方法可明顯縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本和研發(fā)難度，對(duì)兒童家具的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有借鑒意義。