基于预测失效分析的产品概念创新设计方法研究

王莉静，李雅婷，戴远东

（天津城建大学 控制与机械工程学院，天津300384）

随着工业进程的快速转变，全球进入以智能制造为核心的工业4.0时代.智能制造是人工智能与制造业融合发展的生产模式[1].产品快速开发设计是开展面向产品全生命周期的首要条件[2].所以，企业只有提高自身创新能力，快速地开发出满足市场需求的产品，才能跟上时代的步伐.产品创新设计的关键是设计人员能根据变化的市场需求提出好的创新设想[3].创新设想的好坏通常由客户满意度来衡量，而满意度是客户在使用产品过程中通过产品预测失效分析（anticipatory failure determination，简称AFD）来衡量，即在产品概念设计阶段，根据产品创新设想，思考如何让产品失效，并寻找使产品发生失效的机制与原因，从而对产品创新设想进行修正.这不仅提高了客户满意度，还提高了产品的市场竞争力.

国内外学者对于AFD在产品创新设计中的应用进行了很多研究.Ahmadi[4]等提出应用事件树分析，即采用清晰的图形表达系统内在联系，然后根据图形对系统可能的失效形式进行逻辑推理.Seifert[5]等基于热机械疲劳和热循环条件下的裂纹扩展建立寿命预测模型，通过该模型进行预测失效分析.王川[6]提出一种在系统功能角色模型基础上分析系统失效，再利用TRIZ理论对失效问题进行求解的失效模式与影响分析方法.李辉[7]提出通过伞型专利组合分析、失效分析、TRIZ工具解决问题、专利性评价四个步骤组成基于AFD的伞型专利组合规避设计模型进行产品创新设计.杨伯军等[8]建立了面向失效预测的物质-场模型变换规则，形成一种基于物质-场分析的失效预测方法，并应用在家用电器饮水机实例中.上述研究采用不同方法结合AFD进行了产品创新设计，并得到了一定的应用.

本文通过市场需求分析中的专利检索寻找创新设想，经过AFD分析和技术进化理论对该设想进行技术预测，最后结合TRIZ中的技术冲突发明原理解决预测中的冲突问题，从而确定产品创新设想.

1 AFD与市场需求分析

1.1 基于TRIZ理论的AFD分析

Herman Kahn等人[9]提出情景分析法概念，认为一个系统功能的实现是由系列情景组成，是个连续的过程.而TRIZ理论认为：产品可看作由物质构成的系统，产品功能的实现通过场的应用来完成，而某一功能是否能实现取决于与其相关资源的出现[10].因此，可设想为：如果某相关可实现资源出现了，这一功能得以实现；如果某相关失效资源出现了，这一功能将会失效.将TRIZ应用于AFD分析方法中，使用情景分析法和TRIZ资源库分析失效原因和类型，将失效类型分为：设计缺陷、设计冲突和设计错误.通过分析，若其结果为设计缺陷或设计错误，则使用传统设计方法进行产品设计结果修正；若在产品设计中出现了设计冲突，则利用TRIZ解决设计冲突，以去除失效情景.也就是将产品设计中的产品预测失效分析问题转换为TRIZ理论中的问题求解，其工作流程如图1所示.

图1 于TRIZ的AFD工作流程

分析设计冲突产生的失效原因，将其转换为技术问题（即技术冲突），然后利用TRIZ中的冲突矩阵和40条发明原理解决上述问题.TRIZ冲突矩阵见表1，发明原理见表2.也就是说，通过表1矩阵中的参数相交找到解决该冲突的表2发明原理.

表1 TRIZ冲突矩阵

表2 发明原理

1.2 市场需求分析

市场需求具有不确定性，其主要由客户需求不确定性引起.随着市场竞争的不断激化，技术创新日益升级，客户需求不断增强对产品不断提出新功能，而这些新功能的实现要求开发新系统或改进已有系统.市场专利信息里蕴含了产品整个发展过程中的技术更新替代，包含了最详细的技术发展过程[11].将某企业的某产品分解为多个系统，即：P={A，B，C…}，检索各系统所对应的专利，得到专利组.分析各个系统中的重点专利，每个重点专利针对一个技术问题的求解，从而获取该产品的关键技术集T={t1，t2，…，tn}.通过分析专利产品所具有的功能、性能与客户需求之间的差距，建立关键技术集T与产品设计参数D={d1，d2，…，dm}之间的关联矩阵，如表3所示.通过给定不同的权重值ωii′来说明二者之间的关联性，选取即找出与客户需求关联最为密切的关键技术ti.然后，利用TRIZ产品进化理论，通过选取一条或几条进化定律，依次在进化定律下选择进化路线对产品进行成熟度分析，并参照已有工程实例确定理想解，如图2所示.

表3 注塑机技术-性能关联矩阵

图2 基于TRIZ进化理论求解流程

2 基于AFD的产品创新设计方法

基于AFD产品创新设计流程如图3所示.首先通过市场专利检索客户所需产品，确定出关键技术集T；选用产品进化理论确定出客户需求发展方向和产品成熟度；结合客户对市场产品的满意度分析，选取产品技术进化路线确定理想解.然后，基于AFD将理想解反转，使用TRIZ分析失效原因和类型，通过技术成熟度预测进行技术创新改进；将其划分为渐进性创新、突破性创新和破坏性创新类型，并依次提出改进措施.最后，通过分析技术改进与系统之间的冲突，采用TRIZ理论的技术冲突求解方法修正理想解.

图3 基于AFD产品创新设计流程

3 基于AFD的注塑机产品创新设计实例

3.1 注塑机市场需求分析

自50年代技术创新推出了螺杆式塑料注塑机，注塑机的产品设计参数及其变化范围比较固定[12].因此，客户购买注塑机时主要是选取机器型号，即根据其使用要求确定注塑机的相关产品设计参数D={注塑量，锁模力，拉杆间距，自动化程度，工作环境}.检索2018、2019年国内注塑机专利资料，通过筛选分析注塑机的关键技术，归纳为T={注塑方式，合模方式，驱动方式，自动化方式，控制方式}.

通过分析注塑机产品功能，给定权重值（见表4）描述注塑机产品设计参数与其关键技术之间的关联程度，其中权重值越大，说明二者的相关程度也越大.根据表3，建立关键技术与产品设计参数关联矩阵，如表5所示.通过计算ωimax=33，可知“自动化方式”是与客户需求关联最为密切的关键技术ti.

表4 注塑机的关键技术与产品设计参数之间的权重值

注塑机产品的自动化方式与制品夹取和存放制品的时间有关.通过市场需求分析，目前市场上制品的夹取主要由机械手完成，存放制品通常由人工完成.所以，确定自动化的存放方式是注塑机产品创新设计的关键技术.

Spoopat专利软件筛选出与注塑机自动化存放方式有关的112份专利，将其专利申请号、名称、申请时间、摘要和专利等级等，分别输入计算机辅助创新系统Invention Tool（3.0）.通过分析，注塑机的自动化存放方式经历的过程大致为：手工抓取制品—简易夹取装置—机械手抓取（成本高）—运输带传送，目前处于成熟期前期.选取TRIZ中动态性和可控性进化规律中的柔性技术进化路线进行分析：若选用自动化程度较高的机械手将增加注塑机成本；若由顶出装置顶出制品，通过运输带传送人工装箱，则降低了自动化程度.因此，应将注塑机中存放方式向场的方向进化，如图4所示.所以本文选用吹气存放方式.

图4 注塑机中存放方式进化分析

3.2 注塑机的预测失效分析

注塑机采用吹气存放方式时的成功情景如表6所示.

表6 吹气存放方式的成功情景

根据图3，设计人员反转理想解，即如果注塑机采用吹气存放方式发生失效情况，表6中的步骤2将产生的失效现象为：刚加工的制品温度较高，若缩小冷却时间顶出制品，有可能顶坏制品；若增加冷却时间，则会降低生产效率.步骤5将产生的失效现象为：当制品数达到一定时，制品以哪种方式运输到箱体中.

3.3 基于AFD的注塑机产品概念创新设计

应用三流原则对注塑机产品进行功能模块分解如图5所示，其中虚线框表示注塑机的各功能模块，“夹取制品+存放制品”模块是注塑机存放方式所需解决的关键技术.

图5 注塑机产品功能模块

与机械手+运输带传送方式相比，注塑机采用吹气式存放方式省时省力.通过AFD中情景分析：其缺点是吹气过程与货架的衔接性差，制品装箱困难.分析其主要失效原因：通过吹气装置将制品吹到货架上，提高了自动化程度，但降低了结构稳定性；将一定数量的制品运输到箱体中，提高了可靠性，但可能增加了装置的复杂性.将上述问题转化为TRIZ中的技术冲突，恶化的技术参数为：力（10）和可靠性（27）.改善的技术参数为：结构稳定性（13）和装置的复杂性（36）.根据表1的发明原理（见表2）提示，确定出注塑机存放过程.

由于注塑机注射加工出的制品温度较高，根据发明原理10（预操作）、21（紧急行动）和1（分割）的提示，将注塑机顶出装置中的顶杆打通，连上吹气装置，吹气装置分两次吹出气体.当动、定模板分离之前，第一次快速吹出冷气体，且使用较小吹力，以辅助冷却系统快速冷却和定型制品；当顶杆将制品顶出动模板微小距离后，第二次增大吹力，将制品从动模板中吹到货架接料斗中，如图6a所示.然后根据发明原理1（分割）和35（参数变化）的提示，将货架从长度方向分割成五个框格来容纳存放制品的箱体，如图6b所示.当吹出的制品通过接料斗1落入箱体5的数量达到一定时，启动推框装置2，将箱体5推入封口机3中封口，再推入往返运输机4中运输存放，如图6c所示.某注塑机厂家将上述创新设想应用在注塑机产品的创新设计中，使用热流道模具加工一模一腔空调罩制品，解决了人工计件、封箱、运输等功能，使生产效率大大提高.

图6 注塑机存放装置创新概念设计简图

4结语

本文通过以专利检索为主的市场需求分析，寻找出客户所需产品设计的关键技术集.给定不同的权重值，建立了产品设计参数与其关键技术关联矩阵，寻找出与客户需求关联最为密切的产品关键技术，从而确定了产品创新设计的方向.将情景分析法应用在AFD中，反转创新设想，分析其失效原因和类型，选取产品进化规律中的产品技术进化路线对产品进行成熟度分析，从失效原因着手修正创新设想.将该创新设想应用在某厂家的注塑机产品设计中，结果表明该方法具有一定的适用性.