基于实验分析与数值模拟技术的产品概念设计方法

李天赠， 黄红梅， 陈家静， 赖春敏

(佛山科学技术学院工业设计与陶瓷艺术学院，广东 佛山 528000)

产品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、结构性能，是产品质量与竞争力的重要影响因素[1]。在传统的设计方法中，设计者的个人经验与创新意识对设计概念的形成及选择起主导作用，导致产品设计效果存在着较大的偶然性[2]。为提升产品设计的效率与质量，如何实现设计流程的优化是许多学者关注的重点。当前，对产品设计方法的研究主要围绕设计的逻辑性及科学性展开。产品设计流程中逻辑性优化的主要模式为将心理学与管理学等领域创新思维模式与管理方法应用于产品设计流程中，借助于已有成熟的相关科学方法与法则试图构建设计的逻辑体系，合理、有序地引导概念方案的生成与选择。如借助创造性问题解决理论(theory of the solution of inventive problems，TRIZ)指导设计问题的发现与解决[3]；借助约束理论(theory of constraints，TOC)引导发现设计问题及分析核心问题[4]；借助整合新产品开发理论(integrated new product development，iNPD)分析产品价值机会属性，引导设计问题的发现等[5]。产品设计流程的科学性优化模式为将计算机辅助技术应用于设计流程中，利用新技术提升解决问题的能力，使设计方案的形成与输出建立在科学的论证基础上，提升概念方案生成、选择与输出的科学合理性。如利用数值模拟技术可实现产品性能预评估优势，指导设计概念方案的分析与输出[2,6-7]；利用虚拟现实技术的交互性优势，提高概念方案形成的迭代效率[8]；利用三维逆向与 3D打印快速原型制造技术解决产品在设计中升级或局部调整的问题等[9]。概念设计方法的逻辑性与科学性的优化为解决设计问题提供了多种有效的手段。尽管如此，许多研究[10-12]显示，虽然当前基于心理学与管理学理论的设计方法非常丰富，但被设计师广泛接受并应用于设计实践的方法却极其稀少；此外，基于计算机辅助技术的设计方法的普及率也不高[7]。针对现有产品概念设计方法适用性及实用性较弱的问题，本研究提出一种基于实验分析与数值模拟技术的概念设计方法。实验测试具有的直观明了、结果可靠的特点，有利于概念设计早期阶段问题的快速发现，而数值模拟技术的计算结果可视化特点为设计问题的分析提供了巨大的便利，2种研究方法通过相互整合可达到优势互补，有效提升技术性解决设计问题的能力，并适用于解决大多数产品设计问题。此外，本研究集成实验测试与数值模拟 2种分析方法用于设计流程中，构建了以科学技术论证为基础的产品设计流程，使其中问题的呈现与分析、解决方案的提出及设计表现等关键环节组成渐进式的逻辑关联体系，形成整合科学性与逻辑性为一体的有效解决设计创新问题的方法，并以桌面小风扇的创新设计为例对本文方法进行探讨。

1 实验分析与数值模拟技术在产品设计中的应用

产品的概念功能向实际功能的转化是决定概念设计能否成功转化为现实产品的核心，也是产品设计流程中最具挑战性的环节。为确保产品的概念功能从虚拟形象转化为实际效果，实验测试分析手段是该阶段重要的呈现方式，其具有直观性强、结果可靠的特点。在该环节中，概念方案通过实物测试的方式被逐一验证，基于测试结果可全面具体地评估概念方案中产品的结构及功能的成效，明确设计方案的可行性及为方案的优化改进提供重要的参考依据。长期以来，实验测试方式在产品概念论证中扮演着至为关键的角色。

近年来，计算机数值模拟技术作为一种新的产品开发分析手段引起了越来越多的科研人员关注。数值模拟技术为运用计算机做实验，其具有研究周期短、实验成本低、可实现对不同计算工况快速评估的优势。此外，该方法还具备计算参数全面，计算结果可视化的特点，为解释产品工作机理提供了巨大便利[13]。目前，该技术已广泛应用于航空航天、交通运输、海洋工程、体育科学等各个领域，是解决工程与科学核心问题的有效手段[14-15]。在产品设计中，其为交通工具[16]、厨卫用具[2,6]、家电产品[7]等各类产品的开发提供技术支持。

2 基于实验分析与数值模拟技术的产品设计流程

实验分析与数值模拟相结合，可形成优势互补，是快速验证及准确解释工程及科学问题的重要手段[17]。与基于数值模拟技术的产品概念设计方法[2]相比，本文的设计方法在方案的酝酿阶段增加了现有产品的测试体验，利用直观的测试分析手段，快速地缩小设计研究范围，为后续数值研究指明方向，使设计流程在规划布局和科学论证方面更趋于完善，进一步提升设计质量与效率。基于实验分析与数值模拟技术的产品概念设计流程如图1所示。

图1 基于实验分析与数值模拟技术的产品概念设计流程

3 设计实例

本文以桌面小风扇创新设计为例，对文中提出的方法进行探讨。

3.1 方案的准备

桌面小风扇是一种利用电机驱动扇叶旋转切割气流引起空气加速流通的家用电器，因其体型小巧、可充电、携带方便、价格适中等特点，成为众多消费者居家旅行清凉解暑的必选装备。

小风扇的静音特性是其主要卖点。目前，围绕小风扇的降噪研究主要集中于扇叶特征、电机减振效果及网罩结构设计3方面。①扇叶特征，扇叶数、材料、形状及角度对于静音效果均有重要影响；②电机减振，材质、直流/交流、变频/定频对降噪起主要作用；③网罩设计，符合流体力学网罩造型可实现一定的降噪效果。除静音性能外，吹风的舒适度也是衡量小风扇性能的重要指标之一。风扇的舒适度评价指标包括风量、风压、风类等，其受扇叶造型、电机转速及网罩造型影响。值得注意的是，风扇的舒适度是相对的，且与用户舒适体验相关联。例如，对于需要快速降温的使用者，舒适度反映在快速散热的大风量、高风压指标；而对于需长期吹风纳凉的使用者，反映在低风压、接近自然风等指标。

扇叶与电机除作为桌面小风扇的核心部件外，也广泛应用于各大家电、工程机械、航空航天等领域，针对其降噪、节能等关键指标，相关研究非常丰富[18-19]，相关技术已趋于成熟，可提升的空间较小。而网罩，除了起保护作用外，还起到风的导流作用，可发挥控制风向、风类等作用。基于小型风扇的成本定位，针对网罩研究较电机、扇叶相对欠缺，因此选择网罩作为本研究的设计点更为合理。

3.2 方案的酝酿

3.2.1 现有产品归类

市面上的小型风扇网罩造型各式各样，依据网罩结构类型特点，大致可归类为 8款，包括 6款平面网罩和2款以锥形、弧形为主的立体网罩，见表1。

表1 桌面小风扇网罩类型

3.2.2 实验分析

(1) 测试平台搭建。小风扇直径一般有4寸、5寸及6寸规格(对应小、中和大号)，为了直观地了解各类型网罩对风扇性能的影响效果，本研究选用一款4寸(直径约0.13 m)小风扇实体机改造为通用的网罩测试平台，并利用3D打印技术将8款代表性网罩制作为统一接口的测试模型(表 1)。本实验采用噪声仪及风速仪记录搭配不同类型网罩的风扇噪声及风速情况。基于小风扇工作时与使用者的通常摆放距离及大概吹风范围，监测点设置在离风扇正前方0.30 m与0.40 m处，及同等正前方距离偏离风扇中心轴0.05 m，0.10 m及0.15 m处，如图 2所示。测试档位为高低两速，对应转速分别为2 100 r/min和2 600 r/min。

图2 数据监测位置示意图

(2) 测试结果与分析。图3为搭配8款不同网罩的风扇在不同转速时的噪声情况。结果显示，转速为2 100 r/min(低速档)时，噪音均处于57分贝左右；转速为2 600 r/min(高速档)时，噪音均处于65分贝左右。图4为搭配8款不同网罩的风扇在不同转速时在监测点1~8处风速的变化情况。结果显示，搭配不同网罩的风扇在相同测试条件下测试结果有较大的差异；固定位置监测点所测风速随风扇转速不同而呈不同分布规律；搭载1号网罩时，流场中心风速较两旁小；搭载 4，5号网罩时，中心风速大两边风速小，其中搭载5号网罩时，在以风扇转轴为中心的 0.10 m半径范围内的同一等距截面处各监测点的风速较为接近；搭载6号网罩时，监测点处的风速较大，但数据跳动也较大且无规律；搭载7号锥形立体网罩的风扇在监测点处记录的风速最低。

图3 监测点1处风扇噪声测试数据

图4 搭载各款网罩风扇的风场测试数据

由以上结果可知，风扇网罩造型的变化对于风扇噪声的影响作用非常有限，但对于流场风速的影响非常明显。因此，通过优化网罩造型实现提升风扇静音性能的设计思路可行性较弱，而通过调节网罩形状影响风速和风的类，实现提升风扇吹风舒适性的设计潜力较大。

3.2.3 数值分析

为进一步探究网罩造型对风扇吹风特性的关联性，本研究以实物产品为参照，通过 ANSYS Fluent流体计算软件平台对风扇吹风流场进行数值求解与分析。

(1) 控制方程。本问题中，假设空气为不可压缩的粘性流体，无热量传递，只需考虑质量与动量守恒，即求解连续方程与Navier-Stokes方程

其中，ρ为空气的密度(kg/m3)；i,j为运动维度；u为速度(m/s)；p为压强(Pa)；μ为空气的粘度(Pa·s)；S为动量源项(N/m3)。

此外，工程中常用的RNGk-ε湍流模型被用于对控制方程封闭求解[17]。

图5 计算域及边界条件设置

(2) 数值实现。计算前处理的网格划分及边界条件设置如图5所示。为处理风扇叶片的旋转问题，将旋转核心区域设置为滑移网格，选用 Interface边界条件与周围流场连接，并通过指定相对移动参考系的运动框架模式(frame motion)控制风扇叶片的旋转速度，本模拟风扇转速为2 100 r/min与2 600 r/min。求解策略采用PISO速度-压力耦合方法，动量方程采用二价迎风离散格式。

(3) 数值计算结果与分析。图6为搭载不同类型网罩风扇的流场数值计算图，为了更好区别各类型网罩对风场特征影响，本研究也加入无辐条网罩工况进行对比。从速度云图及流线图可看出，在不同转速情况下，对应各款网罩的风速及作用范围有所不同，但整体流场分布特征基本保持一致。此外，风扇搭载不同网罩工作时，流场速度分布情况大体上与图 4实验测试数据相吻合，数值计算可靠性较好。如数值计算结果显示，风扇搭载1号网罩时，处于风扇中轴线的风速较低(对应监测点 1，2)，两边风速较高(对应监测点7，8)，而风扇搭载5号网罩时，结果刚好相反，均与实验测试数据吻合。图6显示，搭载无辐条网罩的风扇吹风流场呈内外两层立体分布特征，且高风速区域主要集中于风扇吹风口；搭载3，7，8号网罩的风场特征与搭载无辐条网罩工况流场分布特征相似，特别是搭载弧面7号与锥形8号立体网罩相似度极高；搭载1号网罩的风扇由于栅栏为单一横向排列，导致风流场呈明显的八字形分布特征；搭载2，4，6号网罩的风场均具有不同程度的不规律特性，特别是搭载6号的网罩，流场更趋向于自然风的不均匀性分布特征；搭载5号网罩的风力强劲，流场发散效果相对较弱。

图6 搭载不同类型网罩的风扇工作时的流场特征

综上可知，网罩的变化对于风扇吹风强度及类型有较大的影响，特别是搭载5号网罩的风扇表现出风速稳定、汇聚力强的特征，其有助于实现局部快速降温的需求；搭载6号网罩具有较好的发散及不稳定特点，较符合自然风特性。此外，从计算结果分析显示，锥形与弧形立体网罩对风的导流效果较弱，对风的强度及类型影响能力较有限。因此，本研究设计突破点可聚焦于如何通过改善平面网罩的结构，实现风扇稳定汇聚风与自然风之间的切换功能，提升桌面小风扇适用范围及舒适性。

3.3 方案的形成

3.3.1 机理分析

为了全方位分析网罩结构特征对风扇吹风性能的影响，以平面网罩形态特征为基础，提取出网罩辐条的侧面与顶面造型特征、辐条的截面及排列方向特征等进行分析。

(1) 网罩辐条的侧面与顶面造型特征对风扇吹风性能的影响。观察表1平面网罩的辐条形状，可发现5号网罩辐条的侧面高度并非均匀一致，而是单边呈抛物线状，靠近内环低，靠近外环高；另外，6号网罩的辐条顶面宽度也并非均匀一致，靠近内环较窄，而接近外环处较宽。为了探究以上特征对风扇吹风性能的影响，本环节专门在5和6号网罩的基础上，分别建立等高和等宽辐条特征的新网罩(9和10号)进行对比分析。图7结果显示，辐条侧面高度与顶面宽度的变化对风扇吹风特征的影响较小，采用均匀等高与等宽辐条的网罩基本能保持原网罩的吹风特性。

图7 网罩辐条的侧面与顶面造型特征对风扇吹风性能的影响

(2) 网罩辐条截面特征对风扇吹风性能的影响。由表 1可知，目前市面上平面网罩的辐条截面普遍为矩形，且各款网罩的长宽比有所不同，如1号网罩为5∶2，2号为2∶1，3号为4∶1等。为了探究网罩辐条长宽比对风扇导风性能的影响，在9号网罩基础上，建以长宽比分别为1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1及6∶1的新网罩。图8显示，网罩辐条截面的长宽比对风的导流性能有重要影响，并且网罩的导流性能随着辐条截面长宽比的增大而增强，为了达到良好的导流性能，建议辐条截面长宽比大于4∶1。

(3) 网罩辐条排列方向特征对风扇吹风性能的影响。对表1中6款平面风扇网罩造型的共性特征进行对比分析，可以发现4~6号网罩的辐条均为放射性布置，其中5和6号采用的是相反的排列布置。为探究网罩辐条排列方向对风扇导风性能的影响，特在5和6号网罩的基础上，分别建立与其排列方向相反的11和12号新网罩进行对比分析。图9中辐条采用逆时针排列方向，搭载6与11号网罩的风扇均能模拟出自然风效果；而辐条采用顺时针排列方向，搭载5与12号网罩的风扇均能形成稳定的汇聚风的效果。同时图9还显示，搭载顺时针与逆时针网罩的出风量基本一致，由于搭载顺时针网罩风扇的吹风散布面积较小，因此在作用面上的风功率密度更大。

综上，网罩的辐条的截面特征与排列方向特征对风扇吹风性能有重大影响。网罩辐条的长宽比大于 4∶1时，网罩具有较好的导风性能；当网罩辐条排列方向与风扇叶片旋转方向一致时(顺时针)具有整流风向与风能汇聚效果，相反则起到抵消漩涡营造自然风的作用。

图8 网罩辐条截面特征对风扇吹风性能的影响

图9 网罩辐条排列方向特征对风扇吹风性能的影响

3.3.2 提出解决方案假设

为解决快速散热及长期舒缓制冷相互兼容的问题，基于机理分析结果，从产品设计正逆创造性思维角度，提出创新设计解决方案。

(1) 正向思考，保留能实现风速稳定、汇聚力强功能的网罩辐条顺时针排列设计，通过可隐藏式干扰装置，降低风速，削弱网罩对风的定向能力。方案 1：辐条由基础件与干扰件(截面形状可为导流性能弱的非矩形或长宽比小于4∶1矩形) 2个独立部件组成。干扰件由相对基础件滑动的同心圆环固定，当需吹高风功率密度的汇聚风时，干扰件隐藏于基础件凹槽中，此时 网罩具备良好的导风性能；需吹自然风时，通过转动同心圆环，干扰件由基础件凹槽中偏离出来，打乱风向，网罩定向导风性能下降，输出自然风，图10为网罩机构切换示意图。

(2) 逆向思考，依据网罩辐条顺逆时针排列导致的截然相反吹风效果，设计可调节辐条旋转排列方向的可变形网罩机构，实现风扇吹风效果的切换。方案2：网罩的每根辐条由2个管体套叠组成，刚性辐条两端用铰链分别与网罩的内外圈连接，通过网罩内外圈的相对运动带动辐条的伸缩运动，实现网罩辐条顺逆时针旋转切换效果，图 11为机构切换示意图。

图10 方案1网罩机构切换示意图

图11 方案2机构切换示意图

3.3.3 方案论证及合理方案

方案 1.搭建干扰件展开后的数值模型，基于计算结果，分析方案功能原理的可行性。图 12为方案1中网罩机构切换前后风扇吹风效果，当干扰件展开后，网罩原本良好的定向导风性能被破坏，流场倾向于自然风特征；另外，从送风量计算结果看，干扰件展开后，并没有形成明显的堵塞作用，送风性能良好，方案1功能原理上基本可行。从生产制造角度，可将基础件及干扰件看做是独立的网罩外辐条和内辐条，网罩内辐条具备一定的独立旋转功能，网罩可采用传统塑料材质，整体制造可行性较强。

方案 2.网罩辐条的顺逆时针排列对于风扇吹风效果已被验证，功能原理方面具有较强的可行性。其网罩变形机构的实现是功能实现的基础，选择合适的辐条是网罩制作的关键。目前，实现网罩伸缩效果的材料及结构多种多样(如软胶辐条、液压杆等)，但从机构实现的简单性、稳定性及成本角度考虑，采用与雨伞、天线伸缩结构相同的刚性伸缩杆辐条较契合桌面小风扇设计定位，并且具有较强的可行性。

图12 方案1中网罩机构切换前后风扇吹风效果

通过以上分析可知，从功能原理可行性层面，2个方案均能解决小风扇同时具备短期快速降温和长期舒缓制冷的功能兼容性问题。其中，方案2的网罩逆时针解决方案可使风扇吹出较优良的自然风效果；从制造可行性层面，2个方案均不存在明显的生产技术缺陷，方案1结构简单，材料可选用普通塑料材质，但方案2结构相对复杂，特别是存在细小的伸缩、旋转等结构，要求制作工艺精良，同时核心运动机构需选用光滑耐磨材料，制作成本较方案1高。综上，方案1可定位为面向大众的普惠型产品，而方案2可定位为兼顾性能与细节的中高端产品。

3.4 方案的输出

3.4.1 形式与功能的探讨

为实现风扇汇聚风与自然风模式的切换，方案1采用网罩干扰部件的隐现设计，方案2采用网罩辐条导风角度的可调节设计。这2个方案中的网罩可变形特性是影响造型设计的关键因素。围绕此因素，在造型设计上需解决以下问题：

(1) 网罩可旋转变形的结构特性与风扇整体造型的关联性问题；

(2) 可实现网罩旋转变形的控制按键的人机交互设计问题。

3.4.2 造型与色彩的选择

目前市面上销售的风扇整体造型普遍以圆形为主，从功能角度，圆形的造型设计契合扇叶旋转周期性的特点，其旋转路径具有对称性，方便方案1中干扰部件隐现机构的实现；另外，圆形设计可统一网罩刚性辐条的平均长度或伸缩变化力度，也有利于方案2中网罩栅栏顺、逆时针旋转角度的切换。从视觉审美角度，圆形的造型设计曲线柔和，较易塑造一种简约的设计风格，传递自然、简约的设计理念。因此，本研究选择圆形作为2款小风扇设计方案的整体形态。

针对控制键造型设计层面，2个方案均可通过旋转模式实现网罩变形功能，并采用一致的按键设计方案。本设计研究基于控制键与圆形网罩一体化设计理念，提出多款按键设计方案(图13)，从交互方式的便利性角度，提出采用网罩中心圆形旋转控制键设计方案。

图13 风扇控制按键设计方案

产品的色彩和材质与产品的消费人群定位有较大关联性。方案1定位为普惠型产品，主要材质可选择传统的ABS工程塑料，颜色方面以偏中冷色调为主，营造清凉感；方案2定位为中高端产品，外壳及支架以体现现代风格的冷灰色的磨砂金属材质为主，扇叶与风扇机身同色调，以营造安静、沉稳的氛围，体现轻奢、典雅、大气的设计风格。

3.4.3 最终概念产品

对桌面小风扇方案进行细节完善，最终输出产品设计效果，如图14所示。

图14 方案1和方案2设计效果图

4 总 结

本文集成实验分析与数值模拟技术的产品概念设计方法，实现实验与数值分析与工业设计流程的有机融合，构建以论证为基础的设计流程，使设计流程中的问题的呈现、分析、解决方案的提出及设计表现等关键环节组成渐进式的逻辑关联体系，形成有效地解决设计创新问题的方法，并以桌面小风扇创新设计为例验证了方法的有效性。本文实验分析方法的直观、可靠性特点，在方案酝酿阶段快速地缩小设计研究范围，为准确指明下一步设计研究方向发挥了重要的作用；数值模拟技术的可视化特点，在方案酝酿阶段的现有产品工作特性分析、方案形成阶段的机理分析与方案论证中显现出巨大的优势，在有效驱动设计解决方案提出发挥了关键作用。另外，本文对产品功能与造型的关联性进行了探讨，充实了输出完整设计概念方案的依据。本研究可为类似的家电产品创新设计提供参考。