基于数值模拟技术的产品概念设计方法

李天赠，黄欣怡，黄 玲



基于数值模拟技术的产品概念设计方法

李天赠1，黄欣怡1，黄 玲2

(1. 佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院，广东 佛山 528000； 2.广东省建筑科学研究院集团股份有限公司，广东 广州 510000)

为解决传统工业设计流程中，设计方案缺乏相应工程技术的校验，导致设计返工率高及开发效率低下的问题，借助于数值模拟技术可实现产品性能预评估的优势，提出一种基于数值测试技术为驱动的产品概念设计方法。首先对产品的工作机理进行数值分析，明确合理的设计方向，并以此为基础指导产品造型设计，然后再次运用数值测试分析手段对设计方案的可行性进行验证，最后对通过验证的方案进行细节完善并输出最终设计概念。数值模拟技术与产品概念设计过程相融合，驱动设计过程的逐步完善，可实现提升设计效率与质量的目的，通过电热毛巾架的设计实例验证了方法的有效性。

工业设计；数值模拟；概念设计；电热毛巾架

随着云计算、大数据、人工智能等新兴学科的兴起，以“智能制造”为核心的发展理念正从根本上推动着制造技术的变革，借助于计算机智能辅助手段挖掘创新元素，逐渐成为产品创新设计的发展方向。如基于3D打印技术[1]、三维逆向技术[2]、虚拟现实技术[3]、Internet技术[4]等新技术与工业设计的结合，对设计质量、设计效率及方法产生了重大的影响。针对传统设计方法存在设计返工率高及开发效率低下的不足，本文将数值模拟技术应用于工业设计中，利用数值计算可实现产品性能预评估的优势，提出一种以技术驱动为核心的产品概念设计方法，旨在实现设计效率与质量的提升。文中以电热毛巾架的设计实例验证该方法的有效性。

1 数值模拟技术

数值模拟技术可以形象地理解为利用计算机做实验。研究人员在计算机中设定实物产品模型的工作环境，然后基于数值计算原理模拟实际环境中产品的工作情况，从中获得产品在不同工况下运行的参数，为产品性能评估提供数据支撑。数值模拟的主要步骤为：

步骤1. 提取物理问题，进行计算前准备；

步骤2.建立反映问题本质的数学模型，选择合适的算法对数学模型进行离散求解；

步骤3. 将计算结果进行可视化显示和分析，如图1所示。

图1 数值模拟求解流程

与传统的试验研究方法相比，数值模拟具有研究周期短、实验成本低、计算结果可视化、可实现对不同工况的快速评估的优势。随着计算机科学及数值算法的快速发展，为强化高性能、大规模的数值模拟研究提供了前所未有的条件，当前数值模拟技术可快速有效地进行包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电和多物理场的耦合分析，满足大多工程研究的需要，已广泛应用于航空航天、交通运输、海洋工程、体育科学等领域[5-7]。在产品设计中，数值模拟技术可为大到列车低阻造型设计[8]，小到多士炉的节能设计[9]等各类产品的开发提供技术支持，逐渐成为工业产品探索、设计、测试和运行等各个阶段的核心技术。

2 基于数值模拟技术的产品概念设计方法

2.1 产品概念设计

概念设计是基于用户需求，将抽象的想法变为具体方案的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动。产品的概念设计是工业设计最为关键的环节，其决定了产品的基本特征、性能和主要框架，对于产品开发的成功与否具有重要影响[10]。在传统的工业设计流程中，产品概念设计主要包括生成、选择和实现3大环节[11]。

概念的产生是整个设计流程的基础。在此环节中，设计人员基于市场信息，通过各种调查研究或技术获得设计灵感，产生初步想法，然后将想法进行梳理，找出需要解决的问题，将需求概念化；随后，针对提出的问题寻找具有创造性的解决方案，并通过草图的形式实现概念的可视化。概念产生的主要方法有头脑风暴法、类比法、逆向思维法、移植法、联想法、列举法、仿生法等。概念的选择是一个逐步筛选细化的过程，设计人员通过制定一定的标准，从前期产生的众多的设计概念中选择出最优的方案。概念选择是产品概念设计的重要环节，对所开发产品的竞争力具有重要影响。概念选择的主要方法有外部决策、产品支持者、直觉、多数表决、辩论及决策矩阵法等形式[12]。筛选出最优方案后，设计人员对优选方案进一步完善，深化产品的细节，制作工程图纸，选择合适的材料及工艺等，将概念产品具体化，输出最终方案。

在传统的产品概念设计流程中，各设计环节内部生成反复判断循环的关系，整体组成了迭代收敛的框架，使设计方案朝着预定的目标逐步完善，如图2所示。然而，由于在传统的设计流程中，造型设计与工程实现呈先后顺序，使功能实现被动满足造型设计要求，容易引起设计与制造的脱节，提高了设计返工率，降低了开发效率；另外，概念设计质量的好坏很大程度取决于设计人员创新意识的强弱与经验丰富与否，产品设计具有偶然性，一定程度上增加了产品的开发风险。

图2 传统的工业设计产品概念设计流程

2.2 数值模拟技术与产品概念设计的结合

随着计算机技术的飞速发展，以数字化、可视化为特征计算机辅助工业设计(computer aided industrial design，CAID)模式得到快速的应用与推广，使设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化。特别是计算机新技术与工业设计的融合，直接推动着更为高效、高质的设计方法的出现，为增强设计的科学性、可靠性注入了强大的动力，成为工业设计创新发展的重点方向[1-4]。本文将先进的数值模拟技术引入到产品概念设计阶段，提出一种以数值模拟技术为驱动的产品概念设计方法，旨在实现功能与造型的融合，达到提升设计效率及科学合理性目的。

基于数值模拟技术的产品概念设计方法划分为概念酝酿、概念表现、概念测试和概念输出4大环节。①基于数值测试手段进行产品机理分析，明确原理后开展设计方向分析，在产品的概念酝酿阶段得出产品设计的合理方向；②遵循形式服务于功能的设计理念，以合理设计方向为约束，驱动造型设计，促使功能与造型的协调融合；③再次利用数值模拟方法对提出的方案进行测试，验证方案是否达到预定的设计要求；④对通过验证的方案进行细节完善与工程实现，输出概念。该方法的具体步骤为：

步骤1. 概念的酝酿。提出问题，搭建数值模型，进行产品机理分析，明确合理的设计方向；

步骤2.概念的表现。以合理的设计方向为约束，遵循形式服务与功能原则开展造型设计；

步骤3.概念的测试。验证设计方案的可行性，如不符合要求则返回步骤2，对造型进行修正；

步骤4.方案输出：输出设计方案。

该方法的过程模型如图3所示。

图3 基于数值模拟技术的产品概念设计流程

表1为本文方法与近年来提出的几种工业设计创新方法[13-16]的对比情况。从表中可看出将其他领域成熟的理论与工业设计流程结合是实现工业设计方法创新的主要形式。当前创新方法的关注点多集中于对传统设计框架中的概念的产生与选择环节的优化，通过结合其他成熟的理论实现概念的产生与筛选过程的理性化，解决了传统概念形成与选择的主观性问题，达到提升效率与质量的目的。但此类方法中依旧缺乏相应的工程技术解决设计的可靠性验证问题。区别于此类设计方法，本文方法对传统的设计框架进行了调整，以数值模拟技术为驱动，概念的酝酿环节替代了原框架中概念的产生与选择环节，通过科学的计算结果明确合理的设计方向，并增加了概念测试环节，实现对设计方案可靠性的分析，尽可能地降低产品开发的风险。

表1 本文方法与其他工业设计创新方法对比

3 设计实例

以开发设计一款电热毛巾架产品为例，探讨基于数值模拟技术的产品概念设计方法的有效性。

3.1 概念的酝酿

3.1.1 提出问题

电热毛巾架是利用通电发热的方式对潮湿的毛巾进行加热，实现较短时间内烘干毛巾和抑制细菌滋生的目的，可以有效解决阴雨天气或通风不畅的浴室空间中毛巾潮湿的问题，以及消除酒店、旅馆中客人因为私人毛巾、内衣裤无法晾干的烦恼，广泛适用于家庭、高档住宅、酒店、公共服务场所(如洗发店、浴足、运动场所)等地。随着人们生活质量的持续提升，电热毛巾架的市场需求与日俱增。

电热毛巾架工作过程中会维持一段时间的加热，如何更高效地利用发热热量，提高加热效率，实现降低能耗是电热毛巾架产品开发需解决的主要问题。

3.1.2 功能提取，建立简化模型

提取电热毛巾架的主要工作部件，将电热毛巾架工作场景简化为仅由发热板(杆)、毛巾及墙壁等组成的二维简化模型，如图4所示。

图4 二维简化模型示意图

3.1.3 建立数学模型，实现数值求解

电热毛巾架的传热问题可通过计算流体力学方法进行求解，其基本控制方程由质量、动量和能量3大守恒方程构成，即

本文采用ANSYS Fluent流体计算软件作为数值求解平台。为了实现控制方程的封闭求解，离散坐标热辐射模型(discrete ordinates model)及工程中广泛采用的RNG k-ε湍流模型被采用，求解方法选用对控制方程组进行联立求解的基于密度隐式求解策略(density based implict solver)，空间离散采用了Roe-FDS通量差分分裂格式。计算前处理的网格划分及边界条件设置如图5所示，毛巾架发热板(杆)工作温度设置为323.15开氏度(即50℃)，发热板(杆)导热率为202.4 w/m.k，湿毛巾导热率为0.55 w/m.k。

3.1.4 工作机理分析

对市面上的电热毛巾架进行归类，选取最为常见的4类晾挂方式的毛巾架进行模拟测试。计算结果见表2，电热毛巾架工作过程中，各工况均出现热量向上流动的现象，原因为空气受热后，密度下降，重力作用驱使低密度的热空气向上运动；毛巾架采用毛巾与加热板(杆)接触的晾挂方式(B1_1，B2_1)的烘干效果比采用毛巾与加热板(杆)分离的晾挂方式(A1_1，A2_1)的效果更好，原因为“固固”导热效果比“固气固”效果好；毛巾架选用加热板(A1_1，B1_1)或加热杆(A2_1，B2_1)均具有类似的热传递趋势，加热效果好坏取决于加热板(杆)的排列密度。

表2 常见的4类晾挂方式的毛巾架烘干性能测试

3.1.5 设计方向分析

由上述分析可知，毛巾与加热板(杆)接触可获得良好的烘干效果，而采用悬挂晾挂方式，大量的热量并未直接被毛巾吸收，而是沿垂直方向流失。本阶段以后者悬挂晾挂方式的毛巾架为分析对象，主要优化目标是通过改进加热板(杆)的排列方式，实现烘干效果的提升。为了更好量化分析烘干效果，分别以毛巾吸收热量及受热均匀度作为评价指标，计算结果见表3。将发热板集中于毛巾架下部，可提升毛巾的吸热量；采用倾斜排列方式，热空气与毛巾面接触的几率更高，毛巾吸收热量及受热均匀性均有良好表现；此外，底部加热板横向排列，热空气并未出现直接垂直上升加热毛巾的现象，而是沿着墙壁一侧向上流失，其这是由于垂直排列的加热板发热，产生热空气流，靠墙一侧空气密度下降，驱使底部横向板发热产生的热空气也沿着靠墙一侧流动。因此，加热(板)采用横向与纵向组合排列的方式并无法实现烘干性能倍增的效果。

表3 4类不同加热板排列方式的毛巾架烘干性能测试

3.1.6 合理的设计方向

通过以上分析，可明确电热毛巾架的合理设计方向：①毛巾架与发热板(杆)直接接触可实现良好的烘干效果；②降低毛巾架上部加热板(杆)密度，将发热区集中于毛巾架下部，基于热量向上流动原理，可逐层利用热量；③采取倾斜排列方式，提高热空气与毛巾面的接触几率，提高烘干效能。

3.2 概念的表现

3.2.1 提出设计草图

基于以上信息，设计构思为毛巾架下部设置为主要发热区，并采用倾斜设计，横杆晾挂与挂钩晾挂结合，体现多用途性，设计草图如图6所示。

图6 设计草图

3.2.2 造型设计方案进一步完善

从宜人性、传达性、感觉特征等要素，对产品形体进行评判，筛选合适造型，具体评价机制可参考文献[12]。之后，对筛选方案进一步完善，建立三维模型，如图7所示。其中，U型开口挂钩可晾挂衣物、其他洗浴用品；发热杆兼具晾挂功能，使毛巾平整张开；倾斜发热板为主发热区，提高热量利用率，提升烘干效率；横向折面，不具备发热功能，充当置物架，提高方便性。

图7 设计方案(1. U型开口挂钩；2. 发热杆；3. 倾斜发热板；4. 横向折面)

3.3 概念的测试

针对设计方案，建立数值求解模型，对两种常用的晾挂方式的工作状态进行模拟测试见表4。采用横杆晾挂方式，可获得良好的烘干效果；采用挂钩晾挂方式，由于毛巾无法全面展开，烘干效果较前者稍微逊色，但该晾挂方式，可最大限度提升毛巾架晾挂毛巾(衣物)量，且烘干效果比传统电热毛巾架效果更佳，设计方案的整体指标满足设计要求。

表4 设计方案烘干性能测试

3.4 概念的输出

对设计方案进行细节完善，制作图纸、指定材质，明确结构(图8)等，输出最终概念，如图9所示。

图8 结构原理图

图9 设计方案应用场景效果图

4 结束语

本文提出的基于数值模拟技术的产品概念设计方法，将数值模拟技术融入工业设计流程，利用数值模拟技术可实现产品预评估的优势，实现设计过程的逐步完善，并通过电热毛巾架设计实例验证了新方法的有效性。①该方法在概念酝酿阶段采用了单向推理的求解方式，提高了解决问题的速度，而基于科学测试驱动解决问题的模式，也确保了方案形成的科学性；②概念酝酿阶段获得的合理设计方向为下一阶段的造型设计指定了约束范围，避免了设计的盲目性，设计师可以集中精力进行功能与造型美的结合研究，提升了设计的质量；③概念测试阶段，利用数值模拟技术对设计方案进行再次验证，确保设计方案的合理性，进一步降低产品开发的风险。本文提出的设计方法可供其他以功能设计为核心的产品(如白色家电、卫浴产品等)设计案例参考，但本文方法在概念表现环节仍需借鉴现有的成熟美学评价机制。

[1] 袁晓东. 基于逆向工程与3D打印技术的产品创新设计研究[J]. 机械设计, 2015, 32(10): 105-108.

[2] 杨艳红, 钟相强. 工业设计中产品的逆向设计方法研究[J]. 机械设计, 2013, 30(10): 102-105.

[3] 陈玮, 芦宏斌, 鲁茗莉, 等. 虚拟仿真技术在产品开发中的应用研究[J]. 机电产品开发与创新, 2013, 26(6): 76-78.

[4] 王金凤. 互联网环境下的工业设计数据共享平台设计[J]. 现代电子技术, 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] 齐文溥. 仿生设计在高速列车头型、车灯设计中的应用[D]. 成都: 西南交通大学, 2012.

[9] 李天赠, 樊敏达, 蔡文豪, 等. 数值模拟技术在工业设计中的应用——以多士炉的节能设计为例[J]. 装饰, 2018, 302(6): 86-89.

[10] 田静. 工业设计中产品概念设计研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2006.

[11] 陈辉. 计算机辅助概念设计在客车设计中的应用研究[D]. 南京: 南京林业大学, 2008.

[12] 白雪. 新产品开发的工业设计流程及评价体系的研究[D]. 成都: 四川大学, 2006.

[13] 艾险峰, 胡康, 周红宇, 等. 基于TRIZ的工业设计创新流程研究[J]. 机械设计, 2015, 32(11): 105-109.

[14] 徐岚, 宗光华, 张融. 基于iNPD的工业设计方法研究与应用[J]. 工程图学学报, 2010, 31(4): 130-136.

[15] 王金广, 许可. 基于可拓学的工业设计方法创新研究[J]. 机电工程技术, 2014, 43(12): 23-27.

[16] 邢锡金, 曹国忠, 刘伟, 等. 基于Matrix 2003与效应的产品工业设计创新方法研究[J]. 工程设计学报, 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

国家自然科学基金项目(11802061)；广东省普通高校青年创新人才项目(2017KQNCX208)；佛山市社科规划项目(2018-GJ023)

李天赠(1988-)，男，广东韶关人，副教授，博士。主要研究方向为工业设计方法、游泳仿生运动分析。E-mail：38458933@qq.com

黄 玲(1988-)，女，广东梅州人，工程师，硕士。主要研究方向为数值模拟技术工程应用。E-mail：806045267@qq.com