基于知情构造理论的产品材质选择方法

许芳婷　曹小琴

摘要：为进一步提升用户对产品的整体需求满意度，提高材料方案选择的准确性。本文通过知情构造理论展开定量化的数据研究与分析，运用AHP层次分析法与QFD质量屋的集成方法对产品材料属性参数进行权重分析，得出综合材料属性与设计要求间的最佳用户整体满意度权重值。将该集成方法运用于数控机床材质选择评价上，从而验证该方法的可行性与合理性。为产品材料的选择提供科学的参考。

关键词：知情构造理论;产品设计;材质选择;用户整体满意度;数控机床

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）04-0059-03

目前产品设计的目标发展趋势已不局限于满足单一的产品功能需求，对于产品开发进程中所出现的复杂约束性问题，如工艺、材质选择、产品安全性、社会生态效益等要素也成为现代设计师在设计创新环节需关注的重点对象。针对这一点，本文以知情构造理论为研究基础，加强产品创新设计过程中多个约束要素间的 关联性，并建立知情构造理论下以用户为导向的产品设计模型来完善传统设计中常出现的复杂性问题，进而改善产品系统化设计中的矛盾关系。该环节通过优化程序算法将用户需求与材质属性进行配对融合，进而完成以用户需求为导向的产品材料优选设计。

1知情构造理论概述

自20世纪以来，伴随着数字化设计与工业制造技术的高度融合，也孕育出众多与材料相关的设计研究与实践案例。知情构造理论由Oxman R教授首次提出，并将其应用在基于材料的设计研究中，目前已在工程结构设计、建筑材料设计多个领域取得广泛应用。知情构造理论中的设计定位旨在探寻新的产品材质选择模式，在应对设计过程中的复杂性问题中寻找新的思路与方向，从产品选材问题着手，通过系统化的算法计算，对产品的工艺、結构、材料与制造之间的联系进行全新规划，融合产品多重要素来完成产品的最佳选材环节，在整合的全过程中，既建立了产品与科学技术之间的紧密联系，也增强了产品材料、工艺和色彩与物质功能间的相互交融，为产品创新设计提供了更多的设计可能性。

在过去传统的设计过程中，主要表现为工程技术师与设计师的分工合作。在产品设计初期，主要由设计师对产品进行概念方案的构思，再由不同部门的工程技术师对产品材质、结构多重设计要素进行深度的价值分析及评估，以此来完成产品各功能部件的生产与加工制造，最后再由产品的上市推广销售反馈来完成整个产品设计生态链的开发。而知情构造理论是将科学的设计算法与遵循以用户需求为导向的设计原则相融合，主张在产品设计前期寻求材料与复杂环境变量的最佳配对模式，强调在设计的后续过程中，完成设计各要素间的相互配对。材料的基础属性决定了产品结构的功能发展，而结构的性能属性又决定了产品功能的呈现形式，本研究旨在通过科学的算法计算完成设计流程中各要素间的相互匹配。

在产品设计初期阶段，产品的材料属性、功能形式以及结构性能通过明确的相互映射信息转化来指导产品的设计与制造，这种综合多重产品要素组成的驱动方法可以使整个产品设计与制造的流程更加科学化，其关键要素与产品相互间的关系，如图1所示。

2基于知情构造理论的产品材质选择方法构建

2.1构建知情构造理论模型

随着产品设计从以产品为中心的思想向以用户为主导的思维转变，众多设计师也开始强调用户对产品的综合体验与评价。当前，在国内外产品设计领域对于产品使用者的体验评价测试研究大多侧重于产品的人机、造型和色彩，而对产品材料使用者的感官知觉研究相对较少。针对上述现状，依据知情构造理论开展定量化的数据分析，通过用户已有的知识经验作为基础，在以用户为产品需求导向的基础上，集成AHP、QFD等理论方法对产品材料的核心问题进行重点探究，在此基础上通过定量化的数据参数，科学地把控整个设计流程，以此来提高设计的精准性。知情构造理论模型构建，如图2所示。

2.2分层QFD质量屋与层次分析法AHP

引入质量屋（QFD）可将用户的隐性需求转化为定量的设计参数，通过多要素间的相互融合，最后通过问卷数据回收，得到产品各要素设计的权重值。层次分析法（AHP）通过综合设计师的类比判断，能有效权衡设计目标准则体系中层级间的非线性关系。结合QFD与AHP的原理与方法，建立问题间的递阶层次结构关系，以获得更为科学可靠的产品设计理想解。分层QFD与AHP的整体层级展开结构图，如图3所示。

依据知情构造理论设计中产品各要素间组成成分中的映射联系，基于工程设计的通用算法准则，建立产品分层质量屋QFD，可将用户的隐性需求转换为可定量的产品参数，通过AHP最终得到整体用户满意度中的材料属性权重值数据。综合知情构造理论模型，将产品的材料属性依据关键需求准则进行对应的产品优先级分析，对分层结构的重点关注集中在产品材料属性层和设计要求层，该步骤环节主要含三类关键权重值计算：（1）建立产品材料属性的相对权重值。组成产品材料属性和产品需求间的结构递阶层次，并建立每一层级与之对应的相互矩阵关系，用Saaty比例标度值来进行语义的策略表述，其具体语义，如表1所示。

3基于知情构造理论的产品材质选择方法构建实例

本文以数控机床外壳材质选材设计为例，结合知情构建理论中设计多重要素间的相互关系，综合系统化的通用算法进行计算，明确数控机床的产品材料属性与设计要素之间的交互映射关系，从而提升用户产品使用的整体满意度，对符合数控车床钣金工艺制造的材质选择策略展开研究。

3.1建立综合设计评价的指标体系K

在数控机床设计的各要素之中，除人机、材料、形态、色彩要素指标之外，还包含社会需求、经济效益、生态发展等多重评价要素。因此建立多层次、多目标、多类别的分类指标体系，有利于设计对象的目标要素分类细化研究[7]。建立以用户需求为导向的知情构造理论模型，运用AHP层次分析法综合分析数控机床的产品材料属性，经问卷调查、相似度检测及聚类分析，得到数控机床外壳综合评价指标体系图，如图4所示。

3.2确定数控机床产品材料属性设计需求的最佳解

利用式（b）和通用算法计算得到材料设计需求权重值命名为W₁，W₂，W₃，…，W₇，且数值中权重值越高代表用户对产品材料属性的整体满意程度越高，其设计需求具体权重数值数据，如表3所示。

类比材料属性组建判断矩阵，与TR₁，TR₂，TR₃，TR₄，TR₅类别相对应，基于比例标度值，建立以合理性K25为特定准则的产品材料属性判断矩阵，如表4所示。

鉴于此，建立以K₁₁、K₁₂、K₁₃、K₁₄、K₁₅类别需求层为目标准则的产品材质属性判断矩阵，通过求解设计目标权重值，并开展一致性指标CI检验。依据公式（d）算法计算出二者的综合权重Z_n，如表5所示。

3.3数控机床外防护罩壳材料选择

目前数控机床的外防护材质选择要符合绿色材料的选材、造型简洁、色彩安全、人机尺度符合设计的流行趋势，依据综合指标体系图的对应指标与市场上现有数控机床的造型特征，通过6位长期从事数控机床的行业专家选取5种罩壳防护材料。经线上资料查阅得到不同钣金材料的基础属性性能表现，如表6所示。

耐蚀性、耐热性，机械性能好，无热处理硬化现象，无弹性将各材料的基础属性性能对应综合权重K进行市场用户调研，并结合前期专家意见进行评分，最终得到基于用户整体满意度的不同钣金材料属性理想值，如表7所示。

依据材料属性理想值权重评分，得到 SUS304> SECC> SPCC> SUS301> SGCC，因此数控机床外防护罩壳选定取材为2mm的不锈钢SUS304进行生产加工，基础构件不宜过于复杂，加强分子件的焊接密度，也更利用产品最后的焊接组装。在产品材料和加工制造上尽量保证绿色环保设计，注意其可拆卸以及可回收性等问题，较好控制产品的生产成本，保证能源节约。方案最终效果，如图5所示。

4结论

基于知情构造理论的研究为产品材质选择提供了一套以提高用户整体满意度为切入点的科学方法，有效地解决了产品材质属性与需求要素间所产生的矛盾问题。总的来说，通过算法的思路能更为科学地解决新的设计问题，有利于市场的多元化需求的发展。但不足之处在于，设计问题及其設计环节中数理化问题的复杂性，并涉及众多数值取样过程中的不确定性。因此，对该方法还需进行更为深入地探究，以便为今后的设计环节提供更多的参考性意见。