由功能特点驱动的创意产品设计外文翻译资料

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由功能特点驱动的创意产品设计

1. 介绍

设计的本质是创新。设计的中心目标是实现创新产品，以满足用户需求，占据更大的市场[1]。特色的产品造型是赢得客户的重要因素之一，甚至影响整体性能和产品质量（例如，飞机或潜艇的形状设计）。吸引了不少学者和专家对产品创新设计进行了深入研究，提出了各种方法，取得了显着成果。

由于不同的重点，这些方法有其自身的优点或特点，它们可以分为三类：一是二十世纪七十年代末期由Stiny提出的形状语法，这是一种典型的定性操作方法形状，由形状规则组成，是由一组空间关系和初始形状定义，形成一组形状。形状语法采用纯粹的图形描述方法，可以避免文本描述中的一些困难。与艺术和建筑领域的其他方法相比，形状语法更为精确和直观，主要用于建筑设计。近年来，该方法已被应用于设计过程，并获得了卡内基梅隆大学Pugliese和Cagan ，浙江大学Tan和Dong 等更好的应用效果。第二种是由规则约束的几何特征的组合创新，从形状基本元素的几何特征及其组成变换的角度研究。例如，应用组合和转换方法设计不同形状的椅子。有人基于结构要素的组合原理提出了产品布局的概念设计方法。但上述方法不容易修改设计模型。第三种是基于参数或变量的形状设计，可以被视为尺寸驱动。设计师可以通过修改尺寸来实现形状修改。因此，这种方法可以大大提高设计和修改的效率。例如，Wang提出了一种基于美学特征的参数产品形状设计方法，可以通过修改一些参数自动生成不同的缝纫机。

总的来说，这些方法的共同特点可以列举如下。凭借确定的设计约束，根据一定的规则条件，通过产品组合形式单位的自动生成组合，找到更多的产品形状设计理念，从而支持产品形状的优化和创新。这些方法总体上忽略了两个问题：（1）在实际设计过程中，设计中遇到的问题不是静态的，而是设计者对设计对象的认知水平的变化，设计应该被认为是设计过程中遇到的问题与解决方案之间的迭代过程。

（2）这些方法往往缺乏关于产品功能的信息。大多数产品通过结构元件操作产生多种产品形状和结构。

在本文中，为了解决上述问题，提出了一种由功能特征推动的创意产品设计方法。根据产品功能特征决定结构和形状的思想，本文在概念设计阶段提出了创新结构和形状的共同进化设计模型。

2.产品结构与功能特征之间密切关系的模型

功能是指产品的用途和性能，反映了产品的实用性，是设计的目的，也是最重要的产品属性。在某种意义上，产品设计是满足或实现产品的功能。功能是产品设计整个过程的设计重点，是一些设计过程的重要组成部分。因此，研究如何使用功能来指导，约束设计活动具有重要意义。因此，关于功能模型和功能设计方法的研究已经成为设计中的热门话题。

2.1功能特征的定义

1978年，特征的概念首先出现在麻省理工学院BS论文“计算机辅助设计部件的基于特征的表示”中。目前，最受欢迎的功能应用领域是产品的参数化实体建模，如Pro / E和UG。本文提出了产品的广义特征概念，即功能特征。功能特征可以捕获功能特征，功能属性和功能设计信息。功能设计信息是指有助于开发功能设计解决方案的设计的相关信息。

定义1（功能特征）。功能特征是产品的信息载体，是能够满足产品功能的一系列属性和关系，也是具有特定结构，具有多样性和层次性的产品功能的细化表示。

根据他们的不同性质，功能特征的关系可以分为：相似性，兼容性和不相似性。

2.2 功能特征模型

功能特征模型（FFM）：

FFM = (No, Name, Attribute) (1)

其中No是功能特征号，Name是功能特征的名称，Attribute是功能特征属性的集合。

2.3 结构与功能之间的关系

在产品设计过程中，设计人员必须首先考虑满足产品功能特征的要求，然后进行产品结构和形状的设计。由于产品的功能特征和结构存在对应的映射关系，如一对一，一对多，一对多到多，因此不同的功能特征将导致产品的结构和形状不同。

椅子具有支撑功能，可以支撑人的头部，膝盖，臀部，肘部，腰部和脚部等部位。图 1显示三把椅子。图中的椅子1（a）只支撑臀部，而图中的椅子 1（b）可以支撑腰部和臀部而椅子在图 1（c）支撑膝盖和臀部。同时，椅子也可以具有平移，旋转和升降功能。这些不同的特征或特征组合导致椅子的不同结构和形状。例如按摩和移动椅；英国物理学家斯蒂芬霍金的椅子，也可以具有飞行功能；美国宇航员的椅子用于在太空中行走，椅子具有保护功能；飞机弹射座椅等。

图1 三种不同的椅子设计

飞机的功能与配置有更密切的关系。例如，飞机的功能要求包括飞机的尺寸，容量，有效载荷范围，巡航速度，重量，稳定性，起飞和着陆距离，安全，维护，动力等。飞机的配置满足功能要求。因此，飞机的最佳配置可能需要适应功能设计规范。图。图2显示了具有不同功能要求的飞机的一些配置方面：（i）涡轮螺旋桨或涡轮风扇或喷气发动机; （ii）发动机数量; （iii）大或小直径; （iv）发动机的位置; （v）翅膀的形状和大小; （vi）尾巴的类型。

图2 飞机的不同配置设计

通过以上分析，我们可以总结产品的功能特征，结构和形状之间的关系如下：功能特征对产品结构和形状的影响可以从类型，形状，位置，大小和数量上分为如图3所示。

图3 结构与功能特征的关系

产品形状由关键结构元件控制。通过结构元素的放大，缩小，变化和组合，可以获得不同的产品外观。结构元素与产品的功能特征相关。功能特征操作将影响产品结构和形状的变化。

2.4 抽象探索功能特征

鉴于功能特征对产品结构的影响，为了帮助产品结构的创新设计，需要提取和描述产品的功能特征，并对产品功能进行参数化，从而操作功能特征并将功能特征映射到产品结构和形状。

每个产品至少有一个或多个功能，在产品开发过程中应列出所有可能的功能，所有这些功能组成产品功能特征集P

P = f₁ cup; f₂ cup; . . . cup; f_n (2)

其中fi是产品函数，i = 1,2，，，，n，n是产品可能功能的数量。

定义2（功能特征提取）。当从集合p的函数获得适当的和正确的属性值时，设计过程被认为是功能特征提取。

每个产品都有自己的特色。根据客户的实际要求，从集合P中选择正确的功能，以满足产品的期望性能，并探索功能特征。

2.5 参数功能特征

根据功能特征和功能特征的既定模型，包括名称，价值和关系三个部分。功能特点应易于计算机存储，计算，操作和显示。因此，功能特征的参数化表示是由计算机操纵的必不可少的。

定义3（参数功能特征）。所谓的对数功能特征是功能特征可以由计算机以代码形式记录和存储。

功能特征参数化不仅允许模型充分体现设计者的意图，而且可以快速，轻松地修改模型。在概念设计过程中，功能特征之间的约束条件，关联和映射关系由参数表示。

功能特征可以用以下使用参数表示的正式方法描述：

产品的所有功能特征组成集X

X = {X1, X2, . . . , Xn}

(3)

其中X1，X2，... 。 。 ，Xn是产品的结构属性，n是属性的数量。

产品结构的属性值（或参数）集合描述为

Xi = {xi1, xi2, . . . , xizi }

(4)

其中xi1，xi2等是功能属性的参数，zi是参数的和数。

通过整合公式（3）和（4），我们可以使用以下矩阵来描述产品的特征值

其中m = max（zi），i = 1,2，...。 。 。 ，n，如果xij不存在，则使用0。

产品属性R的关系集被描述为
R = {R1，R2，... 。 。 ，Rk} (6)

其中R1，R2，... 。 。 Rk是约束条件，k是数量约束。

约束参数集描述为

Rj = {rj1, rj2, . . . , rjlj} (7)

其中ri1，ri2等是约束Ri的参数，lj是总和第j个参数的编号。

通过整合公式（6）和（7），我们使用以下矩阵描述功能之间的约束关系集属性

其中t = max（lj），j = 1,2，...k，如果一些rij不存在，那么 使用0。

2.6功能特征操作

定义4（功能特征操作）。在产品中形状设计过程中，产品功能特点可以改变或操作。功能特征操作包括三种：加法，减法和变异操作。

2.7 功能特征添加操作

如果两个功能特征x1和x2满足相加条件，总功能特征的组合是两个功能特征的总和，可以定义为

forall;xi isin; X, exist;x′, x′ = x1 or; x2 or; ・ ・ ・ xn, (i = 1, 2, . . . , n) (9)

2.8功能特征减法

如果两个功能特征x1和x2满足减法条件，以及总功能特性的组合是两个产品功能之间的减法，可以被示意为

forall;xi isin; X, exist;x′, x′ = x1 and; x2 and; ・ ・ ・ xn, (i = 1, 2, . . . , n)(10)

2.9功能特征变异操作

对于xi的功能特征，如果存在相应的突变的功能特征，可以转移到突变功能特征中，因此被称为功能特征突变操作，可以表示为

forall;xi isin; X, exist;x′, x′ = ￢xi, (i = 1, 2, . . . , n). (11)

3.由功能特征驱动的创意产品配置设计的原理和方法

在本节中，我们将详细讨论由功能特征驱动的创意产品配置设计的原理和方法，并在下一部分中说明了由功能特性驱动的共同演进设计过程。

3.1产品设计原理由功能特点驱动

如前所述，功能特征可用于指导，约束和形成产品的配置设计。在一定程度上，产品结构phi;是乘积x的功能特征的函数，因此

ϕ = f (x). (12)

如何确定和提取产品的功能特性而功能特点与结构之间如何映射就是这样关键问题，这里，f（）表示为功能特征，结构映射。

3.2 功能特征空间和解决方案空间的共同进化设计

传统上，设计过程被视为一个顺序过程从问题的形成到合成的模型解决方案。也就是说，我们可以将设计视为一个状态搜索问题导致解决方案。要更多实际，问题空间之间有很多迭代和解决方案空间，因此，Maher和Poon提出了共同演化设计模式，其本质就是综合的解决方案应被视为一个随着时间推移的进化体系。

根据提供的共同进化设计过程模型由Maher和Poon，我们扩展了这个模型如图4所示。作为问题空间的相互作用和解空间。功能特征要求被表示为问题空间和解决方案空间被认为包含结构元素的设计过程是搜索正确的结构元素组合以满足功能特征要求，然后为图突出了功能特征空间{X}的共同演化随着时间的推移，结构空间{empty;}。

展示在图4中的模型具有以下特点：

（i）有两个不同的搜索空间：功能特征空间{X}和结构空间{empty;}。

（ii）水平箭头：结构空间{X}是进化的时间。

（iii）向下箭头：功能空间{X}导致结构空间{empty;}或合成。

（iv）向上箭头：结构空间{empty;}重新形成或功能特征空间{X}重新定义。

3.2.1 操作功能特点及综合

功能特征表征以它们抽象产品所需功能的方式构建。为了使用计算机上的功能功能实现产品的创意设计，我们至少需要解决以下两个问题：

3.2.1.1 功能特征操作。从系统工程师的角度来看，功能特征操作应该能够进行以下操作：创建功能，删除功能特征，修改功能特征，分解功能特征，组合功能特征，重新配置功能特征，传递功能特征等。可以帮助我们制定设计规范的功能特征操作，并使用参数功能特征。

3.2.1.2 功能特征到结构映射。产品形式的合成解决方案的创建应通过功能域功能特征要求与物理域结构参数之间的映射来满足用户的需求，通常由功能特征到结构映射定义。将功能特征映射到结构的过程称为合成过程。

它可以通过功能特征合成过程中的功能特征操作来实现组合解的合成。

3.2.2 验证和评估

在针对必要的功能特征要求验证组合解决方案之后，设计人员需要从那些经过验证的组合解决方案中选择一些有希望和最佳的组合解决方案，以进一步开发产品。

3.2.3 共同进化设计程序概述

根据图4，上述协同进化设计过程可以简单描述如下：

（i）根据功能要求

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