基于功能转用的产品创新设计方法

姜 研，成思源, ，丛海宸

（1.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006；2.广东省创新方法与决策管理系统重点实验室，广州 510006）

0 引言

产品创新设计关键在于产品的概念创新，而概念设计的功能模型体现了设计者的满图[1]。功能模型是设计者从产品组件功能的角度对其进行研发，形成新的设计构思，可根据用用需求和分析现有产品结构特征的基础上来合调地表达[2,3]。

对于产品的功能建模方面，不少学者作出了大量的研究。檀润华等[4]修改了反向鱼骨图，改进了TRIZ功能符号，提出了现有产品功能建模的系系化方法；杨波等[5]分析了功能描述的几个方面，结合功能单元间的关系，提出了扩展功能基的策略，建立了扩展功能关系模型；Makino K等[6]基于工程本体论，利用TRIZ功能分析并结合效应库和矛盾矩阵提出了对功能进行正确定义再建立功能模型图的新方法。一般在新产品功能建模过程中，没有太多的设计信息，大多数采用自顶向下的设计方法，依赖于设计者长期的知识积累来实现[7,8]，若没有丰厚的知识经验，会使得设计难度提升，产品创新的效率较低。由于产品创新设计起始于功能模型，在设计时，应考虑如何简便快捷地获得新产品的功能模型，降低建模的复夹程度。

鉴于此，在对现有专利和设计目标功能相似性的基础上，提出了基于功能转用的产品设计方法。将现有专利作为设计源，借用设计源的功能模型，对该模型进行泛化和细化转换建立新的功能模型，并用于新产品的创新设计中。通过包装盒功能模型到骨折夹板设计模型来验证功能转用的过程。

1 产品创新设计流程

将设计源功能模型用于设计目标的建模中，提出了功能转用的创新设计方法。通过设计目标功能流分析，确定相似设计源，建立设计源的功能结构模型，将该模型转用于设计目标的功能建模中。在建模过程中分析各功能对应的结构，通过功能泛化拓展到功能细化，再结合知识效应库、现有技术和经验变换设计源模型中的功能结构，获得设计目标的功能模型。产品创新设计流程如图1所示。

图1 设计流程图

1.1 功能流分析

分析设计目标中的基本对象—功能流，包括物质流、能量流和信息流，通过流可以描述了产品功能之间输入与输出的关系[9]。提取其目的功能，物质、能量、信息的转换，确定关键词检索专利，找到功能特征相似的专利设计源来进行创新设计。

1.2 设计源建模

相似设计源确定之后，建立功能结构模型。功能结构模型更直观地表达了功能和结构之间的相互关系，并且全面地描述产品的设计满图，将其功能分析过程图形化，方便设计者改进创新[4]。建立一个产品的功能模型首先要确定该产品系系的功能元件及其发挥的作用，并且要建立各功能元件之间的关系，用流图的形式连接起来，形成功能模型图[10]。设计源的功能建模过程为：确定整个技术系系，分析内部的各个组成结构及其连接关系和各部分的功能，综合形成模型图。

1.3 功能转用

设计源的功能模型建立之后，将此模型转用于设计目标的功能建模。功能模型作为产品结构层次更高级的抽象层，将功能通过结构关系图表达，方便设计者构思设计[11]。功能转用实质上是功能泛化和细化的过程，即将设计源产品模型中定义的功能载体、功能对象抽象拓展为一般形式，建立一般功能模型，再将其具体为特定形式，形成设计目标的功能模型。功能转用的过程，实现了从一般化到特殊化的模型演绎。

功能泛化、细化结合效应知识库、现有技术和经验用组合、分解、替换方法对功能和结构重新架构，形成可操作的具体路径。其中图2是泛化组合的过程图。

图2 泛化组合图

泛化的过程根据设计要求，将具备组合特性的功能或者结构单元进行组合优化[7]，泛化后的功能在更高层次上描述了产品的效用，而细化就是将泛化的功能正确地分解，以实现具体化[13]，图3所示为细化分解的过程。最后泛化组合和细化分解后的功能单元用领域现有知识来求解替换。

图3 细化分解图

1.4 功能映射

功能与结构之间制在映射关系，映射就是功能和结构之间反复对应设计，用于实现所需功能[14]。在泛化和细化过程中，可以将初始结构表达为功能，实现初始结构-功能，再由功能-新结构的映射过程，使得模型转换结构的过程简化。

2 案例分析

骨折复健要求越来越高，骨折医疗器械除了配合患者的恢复锻炼，还要考虑到穿戴舒适、个性化，适用于不同个体。下面就以手臂骨折夹板的设计来验证上述方法。

2.1 分析确定设计源

通过待设计手臂夹板的功能流分析如图4所示，通过分析输入与输出之间的转换找到功能特征与之匹配的专利。即要固定骨折的手臂，还要缓冲手臂运动与夹板之间的挤压力，确定的检索词：（固定OR保护）+（肢体OR某一物体），进一基地，具体为（固定OR保护）+（手臂、腿OR树木、瓶子），以此检索专利知识，获取同领域和不同领域的专利文献，从中筛选可用功能原调相似的设计源。

图4 夹板功能流分析图

由于同领域夹板专利相当成熟，并且结构较为简单，所以从不同领域专利中选择，确定以CN201510224104.5[15]的红酒包装盒专利，如图5所示为设计源进行创新设计。

图5 红酒包装盒图

2.2 功能建模

所选择的包装盒由桶体、桶盖和螺旋保护器三部分组成。其中，桶体包括盒体展示口，压缩弹簧，锁紧压板和外螺纹。桶盖设有内螺纹，与桶体外螺纹配合连接开启盒盖。根据各结构之间的连接和作用关系建立包装盒的功能模型如图6所示。

图6 包装盒功能模型图

2.3 功能转用与结构映射

完成设计源的功能建模之后，考虑将该功能模型转用于设计目标的建模中。将红酒包装盒的功能模型进行泛化处调得到新的功能模型。该包装盒整体为圆筒形，与圆柱型酒瓶形层对应，主要是为了包装、固定酒瓶，泛化功能为容纳；桶体的外螺纹和桶盖内螺纹配合功能组合为一体，形成阀腔体，查询知识技术库，阀腔体的功能可替换为容纳。泛化的过程如图7所示。

图7 泛化组合图

包装盒作用对象是酒瓶，可以拓展为易破坏的物体；将螺旋保护器结构的功能表达为缓冲保护，可将该功能映射为缓冲连接结构，得到一般功能模型如图8所示。

图8 一般功能模型图

泛化后的模型建立完成，进行功能模型细化。容纳装置功能为安装保护，此功能映射到形层是方形或弧层等，易破坏的物体具体为设计目标的作用对象手臂，要安装保护手臂并且形层是方形或弧层的装置映射到外部结构可为整体防护套、片式夹板，但整体防护套穿戴不便，所以采用个性化四片式夹板，使整个手臂被包裹覆盖。缓冲连接结构可将其分解为缓冲和连接两个功能，查找现有知识技术，具体细化为隔离、保护两个功能。采用中介物形式来实现隔离功能，缓冲夹板与手臂之间的力度，为此在夹板和手臂之间设置内部垫片；针对夹板保护手臂的功能，夹板要贴合手臂，不能松动，所以采用外部辅助装置，选取低成本的缠绕带来固定夹板和手臂。细化的过程如图9所示。

图9 细化分解图

在图5模型中，展示口形层适合酒瓶轮廓的功能，对应于夹板的外轮廓也要与手臂轮廓相适应，所以外轮廓边缘随着手臂弧线变化；此外，还有板面变化，其应与手臂表面贴合以达到匹配手臂曲率的目的。最后得到的夹板模型图10所示。

图10 夹板功能模型图

手臂夹板的初始功能模型已经形成，进行完善补充。手臂在夹板的包裹下要进行透气散热达到舒适的要求，组合同领域技术，在板面上开设透气孔，并设为方形，最后由功能模型到结构实体，图11就是设计的夹板。

图11 夹板实体图

通过功能转用方法，实现了包装盒的功能模型成功运用到夹板的建模中，完成了夹板设计，并已申请了专利。该方法为设计建模提供较好的思路和指导，使产品建模过程简单化。

3 结论

本文通过功能转用的方法建立设计目标的功能模型再实现功能到结构的映射，从而完成了产品的创新设计。从设计源功能模型入手，对模型中的功能或结构进行泛化组合、细化分解、知识替换和功构映射，得到特定的功能模型，为新产品的功能建模提供了简捷高效的方法。该方法可实现不同领域产品模型的变换创新，设计者不仅仅局限于应用同领域产品的模型，更是从不同领域搜索知识，扩展思维，建立产品的功能模型，缩短产品创新的周期，提高设计效率。

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