李天贈， 黃紅梅， 陳家靜， 賴春敏

(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計與陶瓷藝術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000)

產(chǎn)品概念設(shè)計是工業(yè)設(shè)計最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其決定了產(chǎn)品的基本特征、結(jié)構(gòu)性能，是產(chǎn)品質(zhì)量與競爭力的重要影響因素[1]。在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中，設(shè)計者的個人經(jīng)驗與創(chuàng)新意識對設(shè)計概念的形成及選擇起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計效果存在著較大的偶然性[2]。為提升產(chǎn)品設(shè)計的效率與質(zhì)量，如何實現(xiàn)設(shè)計流程的優(yōu)化是許多學(xué)者關(guān)注的重點。當(dāng)前，對產(chǎn)品設(shè)計方法的研究主要圍繞設(shè)計的邏輯性及科學(xué)性展開。產(chǎn)品設(shè)計流程中邏輯性優(yōu)化的主要模式為將心理學(xué)與管理學(xué)等領(lǐng)域創(chuàng)新思維模式與管理方法應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計流程中，借助于已有成熟的相關(guān)科學(xué)方法與法則試圖構(gòu)建設(shè)計的邏輯體系，合理、有序地引導(dǎo)概念方案的生成與選擇。如借助創(chuàng)造性問題解決理論(theory of the solution of inventive problems，TRIZ)指導(dǎo)設(shè)計問題的發(fā)現(xiàn)與解決[3]；借助約束理論(theory of constraints，TOC)引導(dǎo)發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題及分析核心問題[4]；借助整合新產(chǎn)品開發(fā)理論(integrated new product development，iNPD)分析產(chǎn)品價值機(jī)會屬性，引導(dǎo)設(shè)計問題的發(fā)現(xiàn)等[5]。產(chǎn)品設(shè)計流程的科學(xué)性優(yōu)化模式為將計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計流程中，利用新技術(shù)提升解決問題的能力，使設(shè)計方案的形成與輸出建立在科學(xué)的論證基礎(chǔ)上，提升概念方案生成、選擇與輸出的科學(xué)合理性。如利用數(shù)值模擬技術(shù)可實現(xiàn)產(chǎn)品性能預(yù)評估優(yōu)勢，指導(dǎo)設(shè)計概念方案的分析與輸出[2,6-7]；利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性優(yōu)勢，提高概念方案形成的迭代效率[8]；利用三維逆向與 3D打印快速原型制造技術(shù)解決產(chǎn)品在設(shè)計中升級或局部調(diào)整的問題等[9]。概念設(shè)計方法的邏輯性與科學(xué)性的優(yōu)化為解決設(shè)計問題提供了多種有效的手段。盡管如此，許多研究[10-12]顯示，雖然當(dāng)前基于心理學(xué)與管理學(xué)理論的設(shè)計方法非常豐富，但被設(shè)計師廣泛接受并應(yīng)用于設(shè)計實踐的方法卻極其稀少；此外，基于計算機(jī)輔助技術(shù)的設(shè)計方法的普及率也不高[7]。針對現(xiàn)有產(chǎn)品概念設(shè)計方法適用性及實用性較弱的問題，本研究提出一種基于實驗分析與數(shù)值模擬技術(shù)的概念設(shè)計方法。實驗測試具有的直觀明了、結(jié)果可靠的特點，有利于概念設(shè)計早期階段問題的快速發(fā)現(xiàn)，而數(shù)值模擬技術(shù)的計算結(jié)果可視化特點為設(shè)計問題的分析提供了巨大的便利，2種研究方法通過相互整合可達(dá)到優(yōu)勢互補，有效提升技術(shù)性解決設(shè)計問題的能力，并適用于解決大多數(shù)產(chǎn)品設(shè)計問題。此外，本研究集成實驗測試與數(shù)值模擬 2種分析方法用于設(shè)計流程中，構(gòu)建了以科學(xué)技術(shù)論證為基礎(chǔ)的產(chǎn)品設(shè)計流程，使其中問題的呈現(xiàn)與分析、解決方案的提出及設(shè)計表現(xiàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)組成漸進(jìn)式的邏輯關(guān)聯(lián)體系，形成整合科學(xué)性與邏輯性為一體的有效解決設(shè)計創(chuàng)新問題的方法，并以桌面小風(fēng)扇的創(chuàng)新設(shè)計為例對本文方法進(jìn)行探討。

1 實驗分析與數(shù)值模擬技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

產(chǎn)品的概念功能向?qū)嶋H功能的轉(zhuǎn)化是決定概念設(shè)計能否成功轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實產(chǎn)品的核心，也是產(chǎn)品設(shè)計流程中最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)。為確保產(chǎn)品的概念功能從虛擬形象轉(zhuǎn)化為實際效果，實驗測試分析手段是該階段重要的呈現(xiàn)方式，其具有直觀性強(qiáng)、結(jié)果可靠的特點。在該環(huán)節(jié)中，概念方案通過實物測試的方式被逐一驗證，基于測試結(jié)果可全面具體地評估概念方案中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能的成效，明確設(shè)計方案的可行性及為方案的優(yōu)化改進(jìn)提供重要的參考依據(jù)。長期以來，實驗測試方式在產(chǎn)品概念論證中扮演著至為關(guān)鍵的角色。

近年來，計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)作為一種新的產(chǎn)品開發(fā)分析手段引起了越來越多的科研人員關(guān)注。數(shù)值模擬技術(shù)為運用計算機(jī)做實驗，其具有研究周期短、實驗成本低、可實現(xiàn)對不同計算工況快速評估的優(yōu)勢。此外，該方法還具備計算參數(shù)全面，計算結(jié)果可視化的特點，為解釋產(chǎn)品工作機(jī)理提供了巨大便利[13]。目前，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、海洋工程、體育科學(xué)等各個領(lǐng)域，是解決工程與科學(xué)核心問題的有效手段[14-15]。在產(chǎn)品設(shè)計中，其為交通工具[16]、廚衛(wèi)用具[2,6]、家電產(chǎn)品[7]等各類產(chǎn)品的開發(fā)提供技術(shù)支持。

2 基于實驗分析與數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計流程

實驗分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，可形成優(yōu)勢互補，是快速驗證及準(zhǔn)確解釋工程及科學(xué)問題的重要手段[17]。與基于數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計方法[2]相比，本文的設(shè)計方法在方案的醞釀階段增加了現(xiàn)有產(chǎn)品的測試體驗，利用直觀的測試分析手段，快速地縮小設(shè)計研究范圍，為后續(xù)數(shù)值研究指明方向，使設(shè)計流程在規(guī)劃布局和科學(xué)論證方面更趨于完善，進(jìn)一步提升設(shè)計質(zhì)量與效率?；趯嶒灧治雠c數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 基于實驗分析與數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計流程

3 設(shè)計實例

本文以桌面小風(fēng)扇創(chuàng)新設(shè)計為例，對文中提出的方法進(jìn)行探討。

3.1 方案的準(zhǔn)備

桌面小風(fēng)扇是一種利用電機(jī)驅(qū)動扇葉旋轉(zhuǎn)切割氣流引起空氣加速流通的家用電器，因其體型小巧、可充電、攜帶方便、價格適中等特點，成為眾多消費者居家旅行清涼解暑的必選裝備。

小風(fēng)扇的靜音特性是其主要賣點。目前，圍繞小風(fēng)扇的降噪研究主要集中于扇葉特征、電機(jī)減振效果及網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計3方面。①扇葉特征，扇葉數(shù)、材料、形狀及角度對于靜音效果均有重要影響；②電機(jī)減振，材質(zhì)、直流/交流、變頻/定頻對降噪起主要作用；③網(wǎng)罩設(shè)計，符合流體力學(xué)網(wǎng)罩造型可實現(xiàn)一定的降噪效果。除靜音性能外，吹風(fēng)的舒適度也是衡量小風(fēng)扇性能的重要指標(biāo)之一。風(fēng)扇的舒適度評價指標(biāo)包括風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)類等，其受扇葉造型、電機(jī)轉(zhuǎn)速及網(wǎng)罩造型影響。值得注意的是，風(fēng)扇的舒適度是相對的，且與用戶舒適體驗相關(guān)聯(lián)。例如，對于需要快速降溫的使用者，舒適度反映在快速散熱的大風(fēng)量、高風(fēng)壓指標(biāo)；而對于需長期吹風(fēng)納涼的使用者，反映在低風(fēng)壓、接近自然風(fēng)等指標(biāo)。

扇葉與電機(jī)除作為桌面小風(fēng)扇的核心部件外，也廣泛應(yīng)用于各大家電、工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域，針對其降噪、節(jié)能等關(guān)鍵指標(biāo)，相關(guān)研究非常豐富[18-19]，相關(guān)技術(shù)已趨于成熟，可提升的空間較小。而網(wǎng)罩，除了起保護(hù)作用外，還起到風(fēng)的導(dǎo)流作用，可發(fā)揮控制風(fēng)向、風(fēng)類等作用?；谛⌒惋L(fēng)扇的成本定位，針對網(wǎng)罩研究較電機(jī)、扇葉相對欠缺，因此選擇網(wǎng)罩作為本研究的設(shè)計點更為合理。

3.2 方案的醞釀

3.2.1 現(xiàn)有產(chǎn)品歸類

市面上的小型風(fēng)扇網(wǎng)罩造型各式各樣，依據(jù)網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)類型特點，大致可歸類為 8款，包括 6款平面網(wǎng)罩和2款以錐形、弧形為主的立體網(wǎng)罩，見表1。

表1 桌面小風(fēng)扇網(wǎng)罩類型

3.2.2 實驗分析

(1) 測試平臺搭建。小風(fēng)扇直徑一般有4寸、5寸及6寸規(guī)格(對應(yīng)小、中和大號)，為了直觀地了解各類型網(wǎng)罩對風(fēng)扇性能的影響效果，本研究選用一款4寸(直徑約0.13 m)小風(fēng)扇實體機(jī)改造為通用的網(wǎng)罩測試平臺，并利用3D打印技術(shù)將8款代表性網(wǎng)罩制作為統(tǒng)一接口的測試模型(表 1)。本實驗采用噪聲儀及風(fēng)速儀記錄搭配不同類型網(wǎng)罩的風(fēng)扇噪聲及風(fēng)速情況?；谛★L(fēng)扇工作時與使用者的通常擺放距離及大概吹風(fēng)范圍，監(jiān)測點設(shè)置在離風(fēng)扇正前方0.30 m與0.40 m處，及同等正前方距離偏離風(fēng)扇中心軸0.05 m，0.10 m及0.15 m處，如圖 2所示。測試檔位為高低兩速，對應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為2 100 r/min和2 600 r/min。

圖2 數(shù)據(jù)監(jiān)測位置示意圖

(2) 測試結(jié)果與分析。圖3為搭配8款不同網(wǎng)罩的風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速時的噪聲情況。結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速為2 100 r/min(低速檔)時，噪音均處于57分貝左右；轉(zhuǎn)速為2 600 r/min(高速檔)時，噪音均處于65分貝左右。圖4為搭配8款不同網(wǎng)罩的風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速時在監(jiān)測點1~8處風(fēng)速的變化情況。結(jié)果顯示，搭配不同網(wǎng)罩的風(fēng)扇在相同測試條件下測試結(jié)果有較大的差異；固定位置監(jiān)測點所測風(fēng)速隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不同而呈不同分布規(guī)律；搭載1號網(wǎng)罩時，流場中心風(fēng)速較兩旁?。淮钶d 4，5號網(wǎng)罩時，中心風(fēng)速大兩邊風(fēng)速小，其中搭載5號網(wǎng)罩時，在以風(fēng)扇轉(zhuǎn)軸為中心的 0.10 m半徑范圍內(nèi)的同一等距截面處各監(jiān)測點的風(fēng)速較為接近；搭載6號網(wǎng)罩時，監(jiān)測點處的風(fēng)速較大，但數(shù)據(jù)跳動也較大且無規(guī)律；搭載7號錐形立體網(wǎng)罩的風(fēng)扇在監(jiān)測點處記錄的風(fēng)速最低。

圖3 監(jiān)測點1處風(fēng)扇噪聲測試數(shù)據(jù)

圖4 搭載各款網(wǎng)罩風(fēng)扇的風(fēng)場測試數(shù)據(jù)

由以上結(jié)果可知，風(fēng)扇網(wǎng)罩造型的變化對于風(fēng)扇噪聲的影響作用非常有限，但對于流場風(fēng)速的影響非常明顯。因此，通過優(yōu)化網(wǎng)罩造型實現(xiàn)提升風(fēng)扇靜音性能的設(shè)計思路可行性較弱，而通過調(diào)節(jié)網(wǎng)罩形狀影響風(fēng)速和風(fēng)的類，實現(xiàn)提升風(fēng)扇吹風(fēng)舒適性的設(shè)計潛力較大。

3.2.3 數(shù)值分析

為進(jìn)一步探究網(wǎng)罩造型對風(fēng)扇吹風(fēng)特性的關(guān)聯(lián)性，本研究以實物產(chǎn)品為參照，通過 ANSYS Fluent流體計算軟件平臺對風(fēng)扇吹風(fēng)流場進(jìn)行數(shù)值求解與分析。

(1) 控制方程。本問題中，假設(shè)空氣為不可壓縮的粘性流體，無熱量傳遞，只需考慮質(zhì)量與動量守恒，即求解連續(xù)方程與Navier-Stokes方程

其中，ρ為空氣的密度(kg/m3)；i,j為運動維度；u為速度(m/s)；p為壓強(qiáng)(Pa)；μ為空氣的粘度(Pa·s)；S為動量源項(N/m3)。

此外，工程中常用的RNGk-ε湍流模型被用于對控制方程封閉求解[17]。

圖5 計算域及邊界條件設(shè)置

(2) 數(shù)值實現(xiàn)。計算前處理的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置如圖5所示。為處理風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)問題，將旋轉(zhuǎn)核心區(qū)域設(shè)置為滑移網(wǎng)格，選用 Interface邊界條件與周圍流場連接，并通過指定相對移動參考系的運動框架模式(frame motion)控制風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)速度，本模擬風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 100 r/min與2 600 r/min。求解策略采用PISO速度-壓力耦合方法，動量方程采用二價迎風(fēng)離散格式。

(3) 數(shù)值計算結(jié)果與分析。圖6為搭載不同類型網(wǎng)罩風(fēng)扇的流場數(shù)值計算圖，為了更好區(qū)別各類型網(wǎng)罩對風(fēng)場特征影響，本研究也加入無輻條網(wǎng)罩工況進(jìn)行對比。從速度云圖及流線圖可看出，在不同轉(zhuǎn)速情況下，對應(yīng)各款網(wǎng)罩的風(fēng)速及作用范圍有所不同，但整體流場分布特征基本保持一致。此外，風(fēng)扇搭載不同網(wǎng)罩工作時，流場速度分布情況大體上與圖 4實驗測試數(shù)據(jù)相吻合，數(shù)值計算可靠性較好。如數(shù)值計算結(jié)果顯示，風(fēng)扇搭載1號網(wǎng)罩時，處于風(fēng)扇中軸線的風(fēng)速較低(對應(yīng)監(jiān)測點 1，2)，兩邊風(fēng)速較高(對應(yīng)監(jiān)測點7，8)，而風(fēng)扇搭載5號網(wǎng)罩時，結(jié)果剛好相反，均與實驗測試數(shù)據(jù)吻合。圖6顯示，搭載無輻條網(wǎng)罩的風(fēng)扇吹風(fēng)流場呈內(nèi)外兩層立體分布特征，且高風(fēng)速區(qū)域主要集中于風(fēng)扇吹風(fēng)口；搭載3，7，8號網(wǎng)罩的風(fēng)場特征與搭載無輻條網(wǎng)罩工況流場分布特征相似，特別是搭載弧面7號與錐形8號立體網(wǎng)罩相似度極高；搭載1號網(wǎng)罩的風(fēng)扇由于柵欄為單一橫向排列，導(dǎo)致風(fēng)流場呈明顯的八字形分布特征；搭載2，4，6號網(wǎng)罩的風(fēng)場均具有不同程度的不規(guī)律特性，特別是搭載6號的網(wǎng)罩，流場更趨向于自然風(fēng)的不均勻性分布特征；搭載5號網(wǎng)罩的風(fēng)力強(qiáng)勁，流場發(fā)散效果相對較弱。

圖6 搭載不同類型網(wǎng)罩的風(fēng)扇工作時的流場特征

綜上可知，網(wǎng)罩的變化對于風(fēng)扇吹風(fēng)強(qiáng)度及類型有較大的影響，特別是搭載5號網(wǎng)罩的風(fēng)扇表現(xiàn)出風(fēng)速穩(wěn)定、匯聚力強(qiáng)的特征，其有助于實現(xiàn)局部快速降溫的需求；搭載6號網(wǎng)罩具有較好的發(fā)散及不穩(wěn)定特點，較符合自然風(fēng)特性。此外，從計算結(jié)果分析顯示，錐形與弧形立體網(wǎng)罩對風(fēng)的導(dǎo)流效果較弱，對風(fēng)的強(qiáng)度及類型影響能力較有限。因此，本研究設(shè)計突破點可聚焦于如何通過改善平面網(wǎng)罩的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)風(fēng)扇穩(wěn)定匯聚風(fēng)與自然風(fēng)之間的切換功能，提升桌面小風(fēng)扇適用范圍及舒適性。

3.3 方案的形成

3.3.1 機(jī)理分析

為了全方位分析網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響，以平面網(wǎng)罩形態(tài)特征為基礎(chǔ)，提取出網(wǎng)罩輻條的側(cè)面與頂面造型特征、輻條的截面及排列方向特征等進(jìn)行分析。

(1) 網(wǎng)罩輻條的側(cè)面與頂面造型特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響。觀察表1平面網(wǎng)罩的輻條形狀，可發(fā)現(xiàn)5號網(wǎng)罩輻條的側(cè)面高度并非均勻一致，而是單邊呈拋物線狀，靠近內(nèi)環(huán)低，靠近外環(huán)高；另外，6號網(wǎng)罩的輻條頂面寬度也并非均勻一致，靠近內(nèi)環(huán)較窄，而接近外環(huán)處較寬。為了探究以上特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響，本環(huán)節(jié)專門在5和6號網(wǎng)罩的基礎(chǔ)上，分別建立等高和等寬輻條特征的新網(wǎng)罩(9和10號)進(jìn)行對比分析。圖7結(jié)果顯示，輻條側(cè)面高度與頂面寬度的變化對風(fēng)扇吹風(fēng)特征的影響較小，采用均勻等高與等寬輻條的網(wǎng)罩基本能保持原網(wǎng)罩的吹風(fēng)特性。

圖7 網(wǎng)罩輻條的側(cè)面與頂面造型特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響

(2) 網(wǎng)罩輻條截面特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響。由表 1可知，目前市面上平面網(wǎng)罩的輻條截面普遍為矩形，且各款網(wǎng)罩的長寬比有所不同，如1號網(wǎng)罩為5∶2，2號為2∶1，3號為4∶1等。為了探究網(wǎng)罩輻條長寬比對風(fēng)扇導(dǎo)風(fēng)性能的影響，在9號網(wǎng)罩基礎(chǔ)上，建以長寬比分別為1∶1，2∶1，3∶1，4∶1，5∶1及6∶1的新網(wǎng)罩。圖8顯示，網(wǎng)罩輻條截面的長寬比對風(fēng)的導(dǎo)流性能有重要影響，并且網(wǎng)罩的導(dǎo)流性能隨著輻條截面長寬比的增大而增強(qiáng)，為了達(dá)到良好的導(dǎo)流性能，建議輻條截面長寬比大于4∶1。

(3) 網(wǎng)罩輻條排列方向特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響。對表1中6款平面風(fēng)扇網(wǎng)罩造型的共性特征進(jìn)行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)4~6號網(wǎng)罩的輻條均為放射性布置，其中5和6號采用的是相反的排列布置。為探究網(wǎng)罩輻條排列方向?qū)︼L(fēng)扇導(dǎo)風(fēng)性能的影響，特在5和6號網(wǎng)罩的基礎(chǔ)上，分別建立與其排列方向相反的11和12號新網(wǎng)罩進(jìn)行對比分析。圖9中輻條采用逆時針排列方向，搭載6與11號網(wǎng)罩的風(fēng)扇均能模擬出自然風(fēng)效果；而輻條采用順時針排列方向，搭載5與12號網(wǎng)罩的風(fēng)扇均能形成穩(wěn)定的匯聚風(fēng)的效果。同時圖9還顯示，搭載順時針與逆時針網(wǎng)罩的出風(fēng)量基本一致，由于搭載順時針網(wǎng)罩風(fēng)扇的吹風(fēng)散布面積較小，因此在作用面上的風(fēng)功率密度更大。

綜上，網(wǎng)罩的輻條的截面特征與排列方向特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能有重大影響。網(wǎng)罩輻條的長寬比大于 4∶1時，網(wǎng)罩具有較好的導(dǎo)風(fēng)性能；當(dāng)網(wǎng)罩輻條排列方向與風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)方向一致時(順時針)具有整流風(fēng)向與風(fēng)能匯聚效果，相反則起到抵消漩渦營造自然風(fēng)的作用。

圖8 網(wǎng)罩輻條截面特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響

圖9 網(wǎng)罩輻條排列方向特征對風(fēng)扇吹風(fēng)性能的影響

3.3.2 提出解決方案假設(shè)

為解決快速散熱及長期舒緩制冷相互兼容的問題，基于機(jī)理分析結(jié)果，從產(chǎn)品設(shè)計正逆創(chuàng)造性思維角度，提出創(chuàng)新設(shè)計解決方案。

(1) 正向思考，保留能實現(xiàn)風(fēng)速穩(wěn)定、匯聚力強(qiáng)功能的網(wǎng)罩輻條順時針排列設(shè)計，通過可隱藏式干擾裝置，降低風(fēng)速，削弱網(wǎng)罩對風(fēng)的定向能力。方案 1：輻條由基礎(chǔ)件與干擾件(截面形狀可為導(dǎo)流性能弱的非矩形或長寬比小于4∶1矩形) 2個獨立部件組成。干擾件由相對基礎(chǔ)件滑動的同心圓環(huán)固定，當(dāng)需吹高風(fēng)功率密度的匯聚風(fēng)時，干擾件隱藏于基礎(chǔ)件凹槽中，此時 網(wǎng)罩具備良好的導(dǎo)風(fēng)性能；需吹自然風(fēng)時，通過轉(zhuǎn)動同心圓環(huán)，干擾件由基礎(chǔ)件凹槽中偏離出來，打亂風(fēng)向，網(wǎng)罩定向?qū)эL(fēng)性能下降，輸出自然風(fēng)，圖10為網(wǎng)罩機(jī)構(gòu)切換示意圖。

(2) 逆向思考，依據(jù)網(wǎng)罩輻條順逆時針排列導(dǎo)致的截然相反吹風(fēng)效果，設(shè)計可調(diào)節(jié)輻條旋轉(zhuǎn)排列方向的可變形網(wǎng)罩機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)風(fēng)扇吹風(fēng)效果的切換。方案2：網(wǎng)罩的每根輻條由2個管體套疊組成，剛性輻條兩端用鉸鏈分別與網(wǎng)罩的內(nèi)外圈連接，通過網(wǎng)罩內(nèi)外圈的相對運動帶動輻條的伸縮運動，實現(xiàn)網(wǎng)罩輻條順逆時針旋轉(zhuǎn)切換效果，圖 11為機(jī)構(gòu)切換示意圖。

圖10 方案1網(wǎng)罩機(jī)構(gòu)切換示意圖

圖11 方案2機(jī)構(gòu)切換示意圖

3.3.3 方案論證及合理方案

方案 1.搭建干擾件展開后的數(shù)值模型，基于計算結(jié)果，分析方案功能原理的可行性。圖 12為方案1中網(wǎng)罩機(jī)構(gòu)切換前后風(fēng)扇吹風(fēng)效果，當(dāng)干擾件展開后，網(wǎng)罩原本良好的定向?qū)эL(fēng)性能被破壞，流場傾向于自然風(fēng)特征；另外，從送風(fēng)量計算結(jié)果看，干擾件展開后，并沒有形成明顯的堵塞作用，送風(fēng)性能良好，方案1功能原理上基本可行。從生產(chǎn)制造角度，可將基礎(chǔ)件及干擾件看做是獨立的網(wǎng)罩外輻條和內(nèi)輻條，網(wǎng)罩內(nèi)輻條具備一定的獨立旋轉(zhuǎn)功能，網(wǎng)罩可采用傳統(tǒng)塑料材質(zhì)，整體制造可行性較強(qiáng)。

方案 2.網(wǎng)罩輻條的順逆時針排列對于風(fēng)扇吹風(fēng)效果已被驗證，功能原理方面具有較強(qiáng)的可行性。其網(wǎng)罩變形機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)是功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)，選擇合適的輻條是網(wǎng)罩制作的關(guān)鍵。目前，實現(xiàn)網(wǎng)罩伸縮效果的材料及結(jié)構(gòu)多種多樣(如軟膠輻條、液壓桿等)，但從機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的簡單性、穩(wěn)定性及成本角度考慮，采用與雨傘、天線伸縮結(jié)構(gòu)相同的剛性伸縮桿輻條較契合桌面小風(fēng)扇設(shè)計定位，并且具有較強(qiáng)的可行性。

圖12 方案1中網(wǎng)罩機(jī)構(gòu)切換前后風(fēng)扇吹風(fēng)效果

通過以上分析可知，從功能原理可行性層面，2個方案均能解決小風(fēng)扇同時具備短期快速降溫和長期舒緩制冷的功能兼容性問題。其中，方案2的網(wǎng)罩逆時針解決方案可使風(fēng)扇吹出較優(yōu)良的自然風(fēng)效果；從制造可行性層面，2個方案均不存在明顯的生產(chǎn)技術(shù)缺陷，方案1結(jié)構(gòu)簡單，材料可選用普通塑料材質(zhì)，但方案2結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，特別是存在細(xì)小的伸縮、旋轉(zhuǎn)等結(jié)構(gòu)，要求制作工藝精良，同時核心運動機(jī)構(gòu)需選用光滑耐磨材料，制作成本較方案1高。綜上，方案1可定位為面向大眾的普惠型產(chǎn)品，而方案2可定位為兼顧性能與細(xì)節(jié)的中高端產(chǎn)品。

3.4 方案的輸出

3.4.1 形式與功能的探討

為實現(xiàn)風(fēng)扇匯聚風(fēng)與自然風(fēng)模式的切換，方案1采用網(wǎng)罩干擾部件的隱現(xiàn)設(shè)計，方案2采用網(wǎng)罩輻條導(dǎo)風(fēng)角度的可調(diào)節(jié)設(shè)計。這2個方案中的網(wǎng)罩可變形特性是影響造型設(shè)計的關(guān)鍵因素。圍繞此因素，在造型設(shè)計上需解決以下問題：

(1) 網(wǎng)罩可旋轉(zhuǎn)變形的結(jié)構(gòu)特性與風(fēng)扇整體造型的關(guān)聯(lián)性問題；

(2) 可實現(xiàn)網(wǎng)罩旋轉(zhuǎn)變形的控制按鍵的人機(jī)交互設(shè)計問題。

3.4.2 造型與色彩的選擇

目前市面上銷售的風(fēng)扇整體造型普遍以圓形為主，從功能角度，圓形的造型設(shè)計契合扇葉旋轉(zhuǎn)周期性的特點，其旋轉(zhuǎn)路徑具有對稱性，方便方案1中干擾部件隱現(xiàn)機(jī)構(gòu)的實現(xiàn)；另外，圓形設(shè)計可統(tǒng)一網(wǎng)罩剛性輻條的平均長度或伸縮變化力度，也有利于方案2中網(wǎng)罩柵欄順、逆時針旋轉(zhuǎn)角度的切換。從視覺審美角度，圓形的造型設(shè)計曲線柔和，較易塑造一種簡約的設(shè)計風(fēng)格，傳遞自然、簡約的設(shè)計理念。因此，本研究選擇圓形作為2款小風(fēng)扇設(shè)計方案的整體形態(tài)。

針對控制鍵造型設(shè)計層面，2個方案均可通過旋轉(zhuǎn)模式實現(xiàn)網(wǎng)罩變形功能，并采用一致的按鍵設(shè)計方案。本設(shè)計研究基于控制鍵與圓形網(wǎng)罩一體化設(shè)計理念，提出多款按鍵設(shè)計方案(圖13)，從交互方式的便利性角度，提出采用網(wǎng)罩中心圓形旋轉(zhuǎn)控制鍵設(shè)計方案。

圖13 風(fēng)扇控制按鍵設(shè)計方案

產(chǎn)品的色彩和材質(zhì)與產(chǎn)品的消費人群定位有較大關(guān)聯(lián)性。方案1定位為普惠型產(chǎn)品，主要材質(zhì)可選擇傳統(tǒng)的ABS工程塑料，顏色方面以偏中冷色調(diào)為主，營造清涼感；方案2定位為中高端產(chǎn)品，外殼及支架以體現(xiàn)現(xiàn)代風(fēng)格的冷灰色的磨砂金屬材質(zhì)為主，扇葉與風(fēng)扇機(jī)身同色調(diào)，以營造安靜、沉穩(wěn)的氛圍，體現(xiàn)輕奢、典雅、大氣的設(shè)計風(fēng)格。

3.4.3 最終概念產(chǎn)品

對桌面小風(fēng)扇方案進(jìn)行細(xì)節(jié)完善，最終輸出產(chǎn)品設(shè)計效果，如圖14所示。

圖14 方案1和方案2設(shè)計效果圖

4 總 結(jié)

本文集成實驗分析與數(shù)值模擬技術(shù)的產(chǎn)品概念設(shè)計方法，實現(xiàn)實驗與數(shù)值分析與工業(yè)設(shè)計流程的有機(jī)融合，構(gòu)建以論證為基礎(chǔ)的設(shè)計流程，使設(shè)計流程中的問題的呈現(xiàn)、分析、解決方案的提出及設(shè)計表現(xiàn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)組成漸進(jìn)式的邏輯關(guān)聯(lián)體系，形成有效地解決設(shè)計創(chuàng)新問題的方法，并以桌面小風(fēng)扇創(chuàng)新設(shè)計為例驗證了方法的有效性。本文實驗分析方法的直觀、可靠性特點，在方案醞釀階段快速地縮小設(shè)計研究范圍，為準(zhǔn)確指明下一步設(shè)計研究方向發(fā)揮了重要的作用；數(shù)值模擬技術(shù)的可視化特點，在方案醞釀階段的現(xiàn)有產(chǎn)品工作特性分析、方案形成階段的機(jī)理分析與方案論證中顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，在有效驅(qū)動設(shè)計解決方案提出發(fā)揮了關(guān)鍵作用。另外，本文對產(chǎn)品功能與造型的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了探討，充實了輸出完整設(shè)計概念方案的依據(jù)。本研究可為類似的家電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計提供參考。