基于QFD/TRIZ/FEM集成的儿童摇椅创新设计研究∗

易 欣 梁家明 梁卓强 王清文

（生物基材料与能源教育部重点实验室，华南农业大学材料与能源学院，广东 广州 510642）

儿童家具的消费需求旺盛，二胎政策全面开放使我国儿童家具市场需求进一步扩大[1-3]。研究者从情感化[4-6]、模块化[7]、可持续性[8]及可成长性等[9-10]诸多方面探讨了儿童家具的设计问题，相关标准的出台为儿童家具质量提供了法律保障，但当前儿童家具产品同质化现象屡见不鲜，产品质量问题依然严重。通过设计保证产品的美观度和市场认可度，保障产品的交付质量仍存在一定的困难。虽然TRIZ理论、QFD理论、普适设计、协同设计等理论在产品设计领域中均有应用，但每种理论有其优劣势，单一的理论较难解决产品设计开发过程中不同阶段出现的问题。因此，近年许多领域的学者尝试利用不同理论的优势，研究其集成应用的可行性与可靠性，并获得了一定的成效[11-14]。为解决儿童家具开发中质量保障难度大的问题，本文提出采用QFD/TRIZ/FEM集成应用的创新设计方法，并通过儿童摇椅的设计实践对该方法的可行性与可靠性进行检验。

1 QFD/TRIZ/FEM集成运用方法

QFD即质量功能展开，是由日本学者赤尾洋二和水野滋提出的一种蕴含源流管理思想的质量管理方法，其以质量屋(HOQ)为核心工具，快速、准确地定义产品设计开发中亟需解决的问题，从而达到质量保障的目的[15-16]。TRIZ即发明问题解决方法，是Genrich S.Altshuler等在对海量的发明专利分析后提出的系统化发明方法论，该方法论总结了发明创新的规律与解决发明问题的原理[17-19]。FEM即有限元法，是一种高效能、常用的数值计算方法。在产品设计开发过程中可以利用有限元软件，如ANSYS、COMSOL等，模拟产品的实际使用情况，获取试验数据[20-22]。

儿童家具设计开发需要经历定义问题、解决问题和成果检验三个阶段，在每个阶段中需要解决的问题各有不同。QFD的优势是能将顾客需求转化为产品需求，在源头上明确产品应具有的特性和质量，即解决“做什么”的问题，但是其解题能力较差，无法快速、有效地解决所定义的问题；TRIZ着力于创新活动的落地，即解决“怎么做”的问题，但其在具体问题的定义和方案的可行性检验上存在不足； FEM能够对方案进行虚拟仿真，有助于在产品设计开发过程中节省时间与经济成本。因此，将三者的优势结合起来，可形成集QFD分析定义问题、TRIZ解决问题、FEM检验方案于一体的解题模型，如图1 所示。

图1 QFD/TRIZ/FEM集成应用的解题模型图Fig.1 Model diagram of QFD/TRIZ/FEM integrated application

首先，对儿童家具市场进行深入调研以获取用户需求，并成立专家小组进行相应的打分，利用QFD量表获取核心的需求及存在负相关关系的特性组合；其次，将这些特性与39 个通用工程参数对应，转化成TRIZ中的矛盾冲突组合，并通过40 个发明措施或4 个分离原理的指导，结合现有科技、工艺等手段解决儿童家具产品中存在的具体问题，获得理想方案；最后，使用FEM软件对获得的方案进行虚拟仿真，模拟真实场景以检验其质量是否符合要求，并最终确定所使用的材料和具体工艺。

2 木质儿童摇椅创新设计

木质儿童床、儿童椅以及木质桌子是十分常见的儿童家具。在这些家具的设计过程中不仅要面对儿童生理和心理方面的特殊性问题，还需要解决质量安全和使用安全两方面可能存在的隐患。鉴于此，下文以市场中3～6 岁儿童使用的木质儿童摇椅为例（见图2），基于QFD理论对问题进行分析和重新定义，借助TRIZ理论选取有关发明措施，对新款儿童摇椅设计方案的求解进行探索和尝试。

图2 木质儿童摇椅原型Fig.2 Prototype of children's wooden rocking chair

2.1 问题分析与定义

儿童具有好奇多动、缺乏自我保护意识的特点，在椅凳上活动时容易发生跌落、撞伤等危险[23]。根据对儿童监护人的访谈和问卷调查，发现受访者普遍希望儿童坐具能够满足结构稳固可靠、材料坚固耐久、产品绿色环保、细小零件少、质轻且移动方便等要求，同时坐具造型应新奇美观、色彩明快。家长非常关注椅子本身的安全性能，要求坐具平稳结实，还应具有互动性和趣味性。观察发现，儿童易将食物等溅洒或涂抹到椅子上，因此儿童家具还应满足耐污染、易清洁的要求。儿童身体处于快速发育阶段，其用具的更新频率通常较快，因此需要考虑购买者的经济情况，尽可能延长儿童家具的生命周期。综上所述，木质儿童摇椅设计应满足的使用需求如图3 所示。

图3 木质儿童摇椅应满足的使用需求Fig.3 The use needs of children's wooden rocking chair

依据图3，木质儿童摇椅的使用需求为Ri，首先，对各个使用需求两两比较后以1、3、5、7、9 的分值进行重要度Ii的打分，分值对应极不重要、不重要、一般、重要、极重要五个等级，并使用归一化公式（1）计算相对权重ωi；其次，对使用需求进行分析提炼，得出儿童摇椅使用需求的技术特性Cj，分别为C1结构稳固、C2材料强度高、C3材料环保、C4质量轻、C5结构简单、C6生命周期长、C7造型美观度高、C8色彩饱和度高、C9动态性强、C10平稳性强和C11可清洁度高；再者，分析需求与特性之间的相关度Pij，由弱到强以1、3、5 进行赋值，无关则留空，并通过公式（2）计算技术特性得分Tj；最后，分析产品特性之间的相关特性，用“+”、“0”、“-”分别表示正相关特性、一般相关特性、负相关特性，最终构建了儿童椅质量屋分析矩阵（见图4）。为提高图片的可辨识程度，此处只标出产品特性之间负相关特性。

图4 木质儿童摇椅创新设计分析质量屋Fig.4 Innovative design quality analysis of children's wooden rocking chair

式中：ωi为第i个使用需求重要度得分的相对权重；Ri为第i个使用需求的重要度得分；Pij为第i行第j列的使用需求与技术特性间的相关度；Tj为第j个技术特性得分；i为第i个使用需求，i为1～11 的整数；j为第j个产品特性，j为1～11 的整数。

2.2 发明措施选取

由上述分析可得到负相关特性组合，即TRIZ理论中的矛盾冲突组合，根据其特性找出TRIZ的39 个通用工程参数中对应的参数，参数不同的为技术矛盾，参数相同的为物理矛盾。对于技术矛盾，可根据TRIZ矛盾矩阵表获取发明措施；对于物理矛盾，可根据四大类分离原理解决。笔者认为，在玩乐时儿童摇椅需要较强的动态感，而在其他时候需要较好的平稳性，属于时间范畴的问题，可利用时间分离原理进行解题[18]。发明措施的特性分别与分离原理中的时间、空间、条件、整体和部分形成对应关系，可获得矛盾类型分析及解题措施表（见表1）。图4 所示负相关关系的产品特性优先级是相邻近的，跨度不大，在设计过程中不能大幅度削减某一特性的满意度，难以较好地兼顾两个特性的需求，因而可运用矛盾矩阵表中推荐的解题措施进行求解，尽可能快速地找到解决实际问题的方法。根据质量屋及对特性所属通用工程参数种类的分析，得到待解决的矛盾冲突有以下四对，即：1）形状与装置复杂度；2）装置复杂性与结构稳定性；3）动态性与平稳性；4）强度与静止物体的重量。这些矛盾可以依据表1 中提供的方法进行求解。

表1 木质儿童摇椅产品开发矛盾类型分析及解题措施表Tab.1 Contradiction type analysis and problem solving measures table in product development of children's wooden rocking chair

3 木质儿童摇椅设计方案

3.1 方案剖析与求解

儿童家具外观是诱发消费者兴趣的关键因素，主要可从造型、色彩和材质方面考虑。儿童摇椅造型应具有趣味性、益智性，本案选取温顺、友好的动物——犬，作为儿童摇椅的主题；不同的颜色让人产生不同的视觉和心理感受，儿童家具应当选择明亮、饱满的色彩[24-26]；材质方面，浅色木质材料比较受消费者的喜爱。产品生命周期是儿童家具的另一重要因素，可以通过改善产品质量以延长使用寿命，也可考虑改善产品的适应性，使其在尺寸、功能上能适应更多的使用场合。此外，对于实际使用中容易产生污垢的问题，要求产品在设计上尽量减少藏垢的缝隙，避免磨损并防止在磨损处产生污垢。

根据质量屋中所示的优先级排序可知，结构与功能问题需要被优先考虑。但造型的融入使得产品结构的复杂度增加，也会对产品的生产工艺、材料成本产生一定的影响。对此采用措施No.16 不足或过度功能，降低其造型的相似程度，即对造型进行简化。这种结构复杂度的变化亦增大了儿童摇椅内部结构松脱的可能性，对此，可采取措施No.2 抽取，将部分结构去除，减少松脱的可能性；也可采取No.22 变害为利措施，将可能导致结构不稳的地方变为可利用的功能等。对于功能上“动”与“静”完全相反的两种需求，采用措施No.10 预先作用，在儿童摇椅中预先设置能够实现坐具平稳放置的部件，即可通过调节此部件满足两种不同的使用需求。

有关材料的选择，若要保证产品结构稳固则需要选用强度高的木材，或是增大部件的尺寸，但将违背质量轻、便于移动的需求。对此，可采用措施No.40 复合材料进行坐具设计，复合材料可通过不同的原材料配比等实现“轻质高强”的效果；也可采用措施No.26 复制，将部分非承重部件以轻质材料替代或进行多元复合，则强重比可适当提高，达到减重的效果。

3.2 设计方案输出

首先，依据不足或过度功能原理，对儿童摇椅再设计的主题对象“犬”的形态进行简化，并在逐步迭代过程中实现图形意向、摇椅造型及结构设计的融合。过程如图5 所示。

图5 造型简化过程示意图Fig.5 Simplified shape diagram

其次，运用抽取及变害为利原理进行功能设计。考虑到在实际使用时靠背及扶手影响儿童起身与坐下，因此将靠背与扶手去除；而造型中的头部与连接处极易松脱，综合考虑儿童身体尺寸的变化、实用性及安全性（抓握），尝试将头部制成可供抓握、放置物品的平面；在连接处设计成沿轴进行固定、升降的结构（见图6），以尺寸的可调节性延长其生命周期。

图6 功能设计过程示意图Fig.6 Functional design process

第三，根据预先作用的原理，对腿足部分进行改造，将两种不同形态的功能预先置入腿足部分，使其实现功能转换。考虑到转换的便捷性，使用圆形截面替代常见的方形截面，并使用嵌入式结构，配合紧固螺栓保障连接的强度（见图7）。最后，综合考虑强重比、环保性的需求，使用木塑复合材料作为儿童摇椅的主体材料。在生产时，将着色剂加入到木塑复合材料的原料中，即不使用涂料也能满足儿童对于色彩的需求，亦能减小使用过程中产品磨损的可能性；此外，对部件的连接处作圆滑处理，可方便清理污垢。最终方案效果图见图8。

图7 腿部转换结构示意图Fig.7 Schematic diagram of leg conversion

3.3 方案优化迭代

使用 3D建模软件Rhino对方案进行模型构建，利用FEM对模型进行力学分析。对摇椅施加与实际情况相近的载荷后（模拟左右晃动），发现其升降结构形变较大（图中极值大于50 mm），存在结构被破坏的危险（见图9）。因此，需要对方案进行优化迭代。通过分析，发现摇椅的升降结构过于复杂，细小构件多，在受力时易被破坏。可构建一组矛盾冲突组合，通过查找矛盾矩阵表获取解题措施，见表2。

图9 木质儿童摇椅仿真情况Fig.9 Simulation of children's wooden rocking chair

表2 优化迭代矛盾类型分析及解题措施表Tab.2 Optimization iteration contradiction type analysis and problem solving measures table

选取No.3 局部质量原理，改进局部质量，让各部件执行不同功能，并能实现最佳使用状态。首先，在腿足部分增加面板③，使两侧腿足更稳固；其次，在面板③处设置滑轨，去除原有的滑轨①及连接部件，使结构更简洁；第三，将滑轨②与座板连接形成滑轨④，梯形截面的后升降杆⑤嵌入座板中，使其连接更牢固，在使用时不会松脱。结构改进对比见图10。对迭代后的方案进行重新检验，发现破坏性风险已降低。

图10 优化迭代前后效果图Fig.10 Optimized before and after iteration renderings

对迭代后方案进行静力分析，在模拟成年人使用该家具时，发现最大应变仅为0.5 mm，本方案可以满足使用需要。一款具有升降功能，并能实现4 种使用形态转换的木质儿童摇椅的最终设计方案形成，如图11所示。

图11 具有4 种使用方式的木质儿童摇椅设计方案图Fig.11 Four use ways of children's wooden rocking chair design plan

4 结论

通过QFD/TRIZ/FEM 3 种理论的集成运用，初步建立了儿童家具的高效率设计方法，并通过儿童摇椅的设计实践检验了该方法的可行性与可靠性。结果表明：使用3 种理论集成的设计方法可以较好地发挥各理论的优势，在设计时能够较精准地定位客户需求，准确采用发明措施，并能够验证方案可行性，提高了设计的效率和逻辑性。本文的木质儿童摇椅设计方案具有一定的创新性和实用性，不仅保留了产品的童真童趣，也保障了结构的安全性。后续还需通过试产、试销等方式对产品的市场认可度及销售前景进行验证。采用本文所述的3 种理论集成设计方法可明显缩短产品研发周期，降低研发成本和研发难度，对儿童家具的设计与研发具有借鉴意义。