基于质量功能展开、发明问题解决理论和仿生学的产品创新设计

随着经济全球化和科学技术的迅速发展，技术创新能力已成为企业生死存亡的关键。现在，国家已经将创新设计提高到了战略高度，提升创新能力已经成为一个亟待解决的问题。然而，创新设计需要科学和先进的理论方法指导。

仿生学(bionics)是研究生物系统的结构、性状、原理和行为的科学 [1]。目前，仿生设计已经成为产品设计领域的研究热点，国内外学者对仿生设计在理论和方法上进行了一系列的研究。CHEONG等[2]开发了一种检索算法，这种算法运用特殊的语义关系来识别生物意义关键词，将这种语义关系作为识别最相关的生物意义关键词的标准。SARTORI等[3] 指出仿生是一个或几个生物模型向技术系统的转化，并运用SAPPhIRE模型研究了这种转化机制。NAGEL等[4]以功能为基础构建了一个工程-生物词库，使生物与技术在功能层次上进行转化。任露泉等[5-7]提出生物耦元、耦合和耦联方式等概念，针对特定生物原型的观察，分析生物原理产生的机理，并将其原理应用于产品设计中。刘伟等[8]建立了多生物效应描述模型，提出生物-技术系统的特征聚类方法，研究生物功能技术实现的类比方法，提出了基于属性的生物-技术功能映射模型及多生物效应驱动的产品原理解构建过程。

发明问题解决理论(theory of inventive problem solving，TRIZ)是由AL’TSHULLER等[9]在分析研究了世界各国250万件专利的基础上提出的，它应用于分析问题和解决问题的工具主要包括物质-场分析、发明问题解决算法(the algorithm of invention problem solving，ARIZ)、冲突矩阵、效应知识库、理想解确定方法等模块[10]。马赛等[11]利用鱼骨图对打结器进行因果分析，通过功能分析法找到了初步解决问题的思路，然后应用矛盾分析法得到问题的解决方案。刘征等[12]针对产品生态设计过程中的创新问题，提出了一种集成TRIZ的产品生态设计方法。

质量功能展开(quality function deployment，QFD)理论是由日本赤尾洋二教授(YojiAkao)于20世纪70年代提出的，该理论是一种以顾客需求为驱动，将客户需求转化为产品各项技术要素并进行系统创新的方法[13-14]。袁振龙等[15]提出基于虚拟正交试验的敏感度分析方法，并结合改进的QFD进行产品平台规划，构建敏感度矩阵代替QFD质量屋中的关联关系矩阵，从而降低QFD方法的主观性。曾庆臻等[16]提出联合分析和QFD相结合的方法来系统化构建高速列车的需求模型。

近年来，国内外学者对QFD、TRIZ和仿生理论相结合的产品创新设计理论也进行了研究。华中生等[17]为消除概念设计中的二层问题负面影响，提出一种基于QFD和TRIZ的产品概念设计方法，通过全自动洗衣机的研发过程验证了所提方法的可行性。ECKHARD等[18]把TRIZ技术进化理论应用到顾客需求中，用QFD获取顾客需求(voices of customs，VOC)并转化为技术特性，然后运用TRIZ技术进化理论预测出这些技术特性的发展趋势以实现技术创新，最后把这种方法应用到了汽车的概念设计中。VINODH等[19]提出ECQFD(environmentally conscious quality function deployment)/TRIZ/层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)集成的可持续产品设计方法，用QFD来获取顾客需求并转换成技术特性，然后构建自相关矩阵，找出冲突对，在冲突矩阵中选择合适的发明原理来进行解决，AHP方法用于对各解决方案进行评价。檀润华等[20]将TRIZ中的技术进化理论、冲突解决理论与QFD、公理设计(axiomatic design，AD)进行集成，形成技术进化过程驱动的产品概念设计宏观过程模型。李林强[21]比较了TRIZ理论和仿生学特点以及它们解决问题的一般步骤，找出了它们的相同点和不同点，实现了仿生学和TRIZ的结合，通过一套流体传输节能装置说明了该理论可以为产品设计提供明确的思路，提高产品开发的成功率。VINCENT等[22]把TRIZ与仿生学结合起来，发挥TRIZ能够充分利用发明专利和经典案例的长处，提出了与仿生学密切相关的BioTRIZ理论，进一步丰富了TRIZ理论知识。吉祥等[23]提出基于BioTRIZ的创新设计过程模型，利用BioTRIZ将设计问题转化为发明原理，再搜寻支持特定发明原理的生物实例库，获取生物原型。LIU等[24]提出了一种基于TRIZ和仿生技术的产品创新集成过程模型，并以风扇叶片创新设计为例，说明了所建立过程模型的可行性和有效性。CHEN等[25]介绍了一种新的生态仿生创新设计工具，通过结合ARIZ与生物资源重要词汇，搜寻关键词来发现系统矛盾并发现相关的仿生方案。

综上所述，QFD虽然设计问题明确，但解决问题能力不足，TRIZ为设计人员提供了解决问题的40条发明原理，QFD和TRIZ集成的创新设计方法主要是利用QFD理论分析客户需求，并将其转化为TRIZ解进而产生创新方案，但发明原理的高度抽象性导致了QFD和TRIZ的集成模型应用较难。仿生学为产品创新设计提供了一条新的途径，TRIZ和仿生学集成的创新设计模型通过建立TRIZ-生物信息桥梁将TRIZ解转化为特定的仿生原型，再通过生物-技术类比产生仿生创新方案，但由于设计问题不明确且已有生物原型-产品技术系统的转化更多地是单层次类比映射，缺乏从多层次协同映射来获取仿生方案，使得TRIZ和仿生学集成模型的应用范围容易受限。目前来说，关于QFD、TRIZ和仿生学三个设计理论集成的创新设计方法有待深入研究。本文着力于研究基于QFD、TRIZ和仿生学的集成创新设计模式，从QFD确定设计问题、构建产品质量屋出发，以TRIZ冲突理论转化发明原理解过渡，然后用仿生学寻找对应于发明原理的生物原型，结合协同中间件进行生物原型-技术系统多层次协同映射来产生多种创新设计方案，形成一种“QFD发现问题”“TRIZ提供问题抽象解”“仿生解决问题”的系统化产品创新过程模型，并成功地应用于风扇叶片的创新设计中。

1 生物原型的有效获取

1.1 设计问题到发明原理的映射

结合QFD、TRIZ理论可以将设计问题转化为TRIZ中的发明原理，产品市场分析到发明原理的映射主要步骤如下。

(1)针对某个技术产品进行市场调查，获取客户对该产品的需求权重，通过技术产品专业人员获得其技术特性，标明客户需求和技术特性之间的相关性(强相关、一般相关、弱相关)，以及技术特性之间的相关性(正相关、负相关)，构建产品QFD质量屋。

(2)提取质量屋中呈负相关的技术特性，利用TRIZ进行冲突分析和判定。对于物理冲突，利用分离原理直接获得发明原理；对于技术冲突，将技术特性用新矛盾矩阵中的48个工程参数进行标准化描述，结合冲突问题矩阵获得发明原理。

产品设计问题质量屋构建到发明原理的映射如图1所示。

1.2 发明原理筛选及生物实例库构建

技术冲突或物理冲突存在多个对应的发明原理，每个发明原理都有可能产生设计灵感。经统计，40条发明原理被使用的频率不尽相同，有的经常应用，而有的却极少用到。德国TRIZ专家提出关于40条发明原理的三种优先选用准则，分别是有利于立即求解、有利于设计场合和有利于降低成本准则[26]。在发明原理筛选时，尽可能使发明原理能够符合上述三大选用准则，以便快速找到适用度较高的发明原理。三种准则选用发明原理排序如表1所示。

目前仿生实例层出不穷，为工程创新设计提供了新的思路，其中一些生物功能可以解决产品冲突问题，分析这些仿生实例，可以发现各类生物实例与TRIZ的40条发明原理存在对应关系。本文查阅相关文献及各类生物网站[27-29]，通过分析生物的功能、策略、动作及结构，整合出40条发明原理对应的若干生物实例，构建基于40个发明原理的生物原型库，部分发明原理对应的生物实例如表2所示。

1.3 多生物原型相似度计算

生物原型获取结果往往存在多个，获得相似度最高的仿生原型十分必要，本文以产品设计目标和生物原型之间的功能流相似度来评价两者之间的相似性。

功能是系统对物料、能量、信号等所进行的一系列转化，如图2所示。

功能可以通过以下数学表达式来定义：

式中，F为系统的功能；P为流转化函数；IMES为系统输入流向量，包括物质输入流IM、能量输入流IE和信号输入流IS；OMES为系统输出流向量，包括物质输出流OM、能量输出流OE和信号输出流OS。

建立生物原型与产品设计目标功能流模型，分别得出对应输入流、输出流的相似标量值，相似度标度及其含义如表3所示。

对每对流进行加权求和获得生物系统与产品目标之间的流相似度，计算公式如下：

式中，Si(bs,ts)为生物系统bs与技术系统ts在第i(i=0，1，2，3，4，5)层的相似度标度值，分别表示输入流与输出流的各分量；ωi为各输入/输出流的相似度权重因子，满足

2 生物系统-技术系统的仿生创新方案生成

2.1 生物系统-协同中间件-产品技术系统数据库构建

由于网络环境中存在海量的生物数据信息与工程案例信息，其中生物信息更新迭代时效性弱,因此结合成本考虑，只需建立一个本地数据库，该数据库仅需保证外网连接时获取足够量的数据即可长期保持离线状态，减少维护成本。如图3所示，围绕数据库的运作模式可以将数据库分为三个组成部分：普通用户层面，通过QFD分析，结合TRIZ得到的关键词对生物数据库进行检索，生成生物方案，再利用协同中间件生成工程方案；数据库结构层面，将生成的数据分别存入生物系统、产品技术系统以及协同中间件三个数据库；数据库更新层面，实现对三个数据库的维护和更新操作。

生物体通过各组成部分间的耦合和协同实现其功能，针对生物系统，采用功能-策略-动作-结构(F-T-A-S)的系统模型以描述其工作机制、行为效应等信息。查阅相关生物学网站，如Asknature、Biology-Online，通过脚本将生物相关的文本、图片等信息提取并进行规范化处理后存入本地生物数据库。根据生物文本，提取其中的多层次文本信息，并用语句、词汇的方式表达。语句信息可以让设计人员更为清晰地了解生物现象;词汇信息是语句信息的核心语义词，包括生物功能层、策略层和行为层的[动词V]+[名词N]表达词，以及生物结构层的[名词词组]表达词。本文使用Alchemy API软件并借助Java开发环境抽取生物文本中的V+N结构。抽取完V+N结构后，根据已构建的生物系统数据库对抽取后的V+N结构进行进一步的数据清洗，删除不相关的 V+N结构，获得生物文本的具体V+N数据集存储到生物系统数据库。

针对产品技术系统，采用功能-原理-行为-结构(F-P-B-S)的系统模型来阐述产品系统内在联系。功能基是功能和流的集合，为功能分析提供了一种语言。以功能基为基础进行数据库中产品功能部分的建立，技术原理库由TRIZ中的40个发明原理组成，技术原理由行为动作来响应，而技术行为依赖于结构实现。同理，分析工程案例中F-P-B-S语句信息，提取技术系统语句信息中的词汇信息，包括技术功能层、原理层和行为层的V+N表达词和技术结构的[名词词组]表达词。在技术系统中，一种技术功能可以由多种技术原理来实现，一种技术原理可以由多种行为来响应，一种行为可以有多种技术结构来实现和展示，这就使得技术系统各个层次间可能存在着一对一、一对多、多对一和多对多的关系。为了便于技术系统各层次间的映射，构建功能-原理表、原理-行为表和行为-结构表。用户每次进行产品设计后可通过上述步骤对数据库的产品技术系统部分进行更新。后续产品技术方案生成可参考数据库中已有的方案，从而提高设计效率。

协同中间件是连接生物系统与技术系统的桥梁，它主要描述生物术语与工程术语间的多层次对应关系，实现形式上体现为各层次间对应数据表，具体划分为生物功能-技术功能对应表、生物策略-技术原理表和生物动作-技术行为对应表。对应表分别由桥动词表和桥名词表构成，而生物结构-技术结构名词短语表依据两者之间的几何特征相似性来进行构建，将上述四个层次对应表存于协同中间件数据库中。在模型建立好之后，随着生物系统及产品技术系统的数据更新，协同中间件数据库也随之自动更新，以满足客户解决新的复杂问题的需要。

生物系统-协同中间件-产品技术系统数据库的建立能够指导后续产品仿生设计的有效进行，奠定良好的数据基础，在成本、可维护性、稳定性和可扩展性方面均良好，同时，产品技术方案数据经由用户不断录入，其表述对于不同的用户、企业等群体有着高度的自定义性质，从而能够适应不同的用户需求。

2.2 基于协同中间件的多层次映射机制

从生物原型系统生成产品技术系统方案，需要生物系统-产品技术系统间的协同创新。由于生物系统与产品技术系统分属于自然界和工程技术两个不同的领域，生物原型无法直接转化为工程技术系统的解决方案，因此需利用协同中间件来联系这两个不同领域，通过协同中间件采用多层次映射机制来实现生物系统与产品技术系统之间的转化。

复杂产品存在多个客户需求，集成多个生物原型可以为设计提供良好的思路，多个生物原型向技术系统的转化可以视为单个生物系统-单个技术系统多层次映射的集合，最后根据结构之间的连接关系生成多生物混合类比结构，以满足复杂产品需求。生物系统-技术系统的多层次协同映射如图4所示。

已知某个产品技术系统功能与发明原理，根据技术系统各层次关联对应表进行功能-原理-行为-结构(F-P-B-S)映射。由于一种技术原理可以由多种行为来响应，一种行为可以由多种技术结构来实现和展示，因此，若无法直接获得确切的技术行为与结构，就需从仿生角度对产品进行多层次映射来获取产品结构方案。具体多层次映射机制步骤如下：

(1)如果通过F-P-B-S映射未得到确切的技术行为，则参考技术系统功能层和原理层，基于技术功能-生物功能对应表和技术原理-生物策略对应表，依据动词为优先级匹配、名词为次优先级匹配的策略，映射得到对应生物功能与生物策略，接着根据生物功能-生物策略和生物策略-生物动作表进行功能-策略-动作(F-T-A)映射，得到生物系统的动作并映射到技术系统行为层。再次通过F-P-B-S映射得到具体的结构。若未得到确切的技术结构则参考步骤 (2)。

(2) 如果通过F-P-B-S映射未得到确切的技术结构，则参考步骤(1)已获得的仿生原型功能、策略和动作，基于生物功能-生物策略、生物策略-生物动作和生物动作-生物结构对应表进行F-T-A-S映射得到对应的生物结构，然后根据生物结构-技术结构对应表，依据动词为优先级匹配、名词为次优先级匹配的策略，得到技术系统的结构。若通过步骤(1)、步骤(2)仍未得到满意的技术结构方案则参考步骤(3)。

(3)若对得到的技术结构方案不满意，则返回发明原理筛选步骤，重新筛选合适的发明原理，再次进行多层次的映射，获得新的技术结构方案。

以上步骤获得的技术结构方案若满足要求则输出产品改进方案。多层次协同映射机制主要目的是从生物系统的四个层次信息对技术系统进行分层次启发，并结合技术系统各层次间的内在映射关系来产生一种或多种产品技术方案。为了获取更多可行的技术方案，可进行生物系统-产品技术系统多层次的协同映射来产生不同类型的仿生设计方案，具体可以分为原理仿生、行为仿生和结构仿生，适用于不同产品需求。

3 风扇实例分析

3.1 市场需求分析

风扇在生活中应用广泛，例如汽车发动机冷却风扇、轴流风机、家用电扇等。在风扇工作过程中，转速越高，风量越大，但转速高往往会引起较大的噪声，在风扇具有较大风量的同时怎样较低噪声是人们所关注的。因此，提高风扇送风效率的同时降低气动噪声已经成为一个研究热点。图5所示为简易四叶风扇三维模型。

3.2 生物原型的获取

3.2.1 产品质量屋构建

由市场需求分析可以得到QFD中相关顾客需求如下：①解决风扇噪声问题；②解决风扇送风效率问题；③提高风扇的可靠性。运用专业知识描述这三个方面，得到顾客三大需求：噪声、效率和可靠性。通过产品信息相关调查得到风扇叶片功能要素：产生足够风量、减少振动和噪声、更改叶片数与使用方便。分析功能要素与顾客需求之间的强弱相关性，构建风扇叶片质量屋，如图6所示。由图中顶部的敏感矩阵可知，“产生足够风量”与“减少振动和噪声”，“减少振动和噪声”与“更改叶片数”之间形成负相关，表明存在技术冲突。

3.2.2 技术冲突1仿生原型获取

就技术冲突1来讲，即“产生足够风量”与“减少振动和噪声”，分别用48个工程参数中的“速度”与“噪声”来抽象表述，希望改进的参数是速度(风量)，导致恶化的参数是噪声(噪声与振动)。进入VB软件开发的仿生样本检索界面，在改善参数栏的下拉控件中选择：14.速度；在恶化参数栏的下拉控件中选择：29.噪声。点击右侧的查询按钮，获得该技术冲突的发明原理解有：1、3、4、14、24、31、39，考虑到原理解中的分割原理在发明原理三大选用准则中都排列首位，由此选用分割原理来获取生物原型。

然后，以分割原理为搜索关键词，点击查询按钮，获得生物原型有：信鸽翅膀、蚂蚁和蜈蚣的身体分节、人体腹肌、鲨鱼皮，获取过程如图7所示。对以上四个生物原型进行筛选分析，发现人体腹肌与蚂蚁、蜈蚣的身体分节不符合客户对效率需求，故将它们剔除，鲨鱼皮间隙沟槽和信鸽沟槽结构都有减小阻力、增大速度的特性，为了进一步筛选出合适的生物原型，建立两者和风扇叶片功能流模型，如图8所示。

(1)鲨鱼皮与风扇叶片的总相似度值计算。根据经验，流相似度权重因子ωi={0.2,0.1,0.2,0.2,0.2，0.1}，参考表3确定鲨鱼皮和风扇叶片的流相似度标度值：

鲨鱼皮与风扇叶片的流相似度：

(2)信鸽与风扇叶片的流相似度值计算。同理，流相似度权重因子ωi={0.2,0.1,0.2,0.2,0.2，0.1}，参考表3确定信鸽和风扇叶片的流相似度标度值：

信鸽与风扇叶片的流相似度：

综上，选取信鸽翅膀作为解决第一对技术冲突的仿生原型。

3.2.3 技术冲突2仿生原型获取

就技术冲突2来讲，即“减小振动和噪声”与“更改叶片数”，分别用48个工程参数中的“噪声”与“数量”来抽象描述，希望改进的参数是“噪声”，导致恶化的是“数量”。同理选择改善参数：29.噪声，恶化参数：14.数量。点击查询按钮获得发明原理解有：2、3、10、23、31、34，综合考虑发明原理三大选用准则，优先选分离原理，次选局部质量原理。

然后，以分离原理为搜索关键词，点击查询按钮，获得生物原型有：XY染色体的分离、细胞分裂，发现都不符合客户需求，故返回发明原理的筛选步骤，以局部质量原理为搜索关键词，点击右侧按钮，获得生物原型有：猫头鹰翅膀、多面向结构植物薄壁组织细胞、犰狳壳，获取过程见图9。对以上三个生物原型进行筛选分析，发现植物薄壁组织细胞结构具有潜在的细胞分裂能力与客户需求(噪声)相关性不强，犰狳壳是为了提高强度，故将它们剔除，而猫头鹰翅膀具有降噪作用，选取猫头鹰翅膀作为解决第二对技术冲突的仿生原型。

3.3 基于信鸽翅膀和猫头鹰翅膀的风扇多生物集成创新

风扇叶片待改进功能为“增大风量”，但会产生技术冲突，经上述功能-原理(F-P)映射获得多个对应的发明原理，经筛选选取分割原理并参考技术原理-技术行为表和技术行为-技术结构表来进行原理-行为-结构(P-B-S)映射，无法获得满意的技术结构，故而需要通过生物启发来产生方案。利用信鸽翅膀进行多层次协同映射来产生设计方案:在产品方案生成窗口中键入信鸽翅膀查询生物系统数据库，获得信鸽翅膀生物图片和层次信息，接着利用协同中间件进行多层次协同映射，映射结果如图10所示。

根据技术系统各层次关联对应表进行功能-原理-行为-结构(F-P-B-S)映射后，发现无法得到确切的技术行为，则参考风扇叶片“增大风量”和“分割原理”，基于技术功能-生物功能对应表和技术原理-生物策略对应表，依据动词为优先级匹配、名词为次优先级匹配的策略，映射得到信鸽翅膀“降低飞行阻力”和“分解涡流”，接着根据生物功能-生物策略和生物策略-生物动作表进行F-T-A映射，得到信鸽翅膀的动作“扇动翅膀”并映射到风扇叶片行为“转动叶片”。再次通过F-P-B-S映射得到“外沿凹入”结构。由于通过映射也未得到确切的技术结构，且为了获取更多可行的技术方案，继续通过F-T-A-S映射获得信鸽翅膀“条纹羽毛”结构，根据生物结构-技术结构对应表，映射到风扇叶片的“沟槽间隙”结构，具体包括矩形沟槽间隙、三角形沟槽间隙和梯形沟槽间隙。映射过程如图11所示。经验证明空心间隙结构不利于产生气压差，对风量的产生起到负作用，不满足产品F-P-B-S映射关系，应舍去。最后可获得“沟槽间隙”和“外沿凹入”这两种结构方案，作为解决第一对技术冲突的生物启发设计备选方案。

风扇叶片待改进功能有“减小噪声”，但也会产生技术冲突。经上述功能-原理(F-P)映射获得多个技术发明原理，由于通过优先级原理(分离原理)未能获得客户满意的生物原型，而选取次优级原理(局部质量原理)进行原理-行为-结构(P-B-S)映射无法获得满意的技术结构，故而需要通过生物启发来产生方案。利用猫头鹰翅膀进行多层次协同映射来启发设计。在产品方案生成窗口中键入猫头鹰翅膀查询生物系统数据库，获得猫头鹰翅膀生物图片和F-T-A-S层次信息，接着利用协同中间件进行多层次协同映射，映射结果如图12所示。

根据技术系统各层次关联对应表进行功能-原理-行为-结构(F-P-B-S)映射后，发现无法得到确切的技术行为，则参考风扇叶片“减小噪声”和“局部质量原理”，基于技术功能-生物功能对应表和技术原理-生物策略对应表，依据动词为优先级匹配、名词为次优先级匹配的策略，映射得到猫头鹰翅膀“降低飞行噪声”和“吸收涡流”，接着根据生物功能-生物策略和生物策略-生物动作表进行F-T-A映射，得到猫头鹰翅膀的动作“扇动翅膀”并映射到风扇叶片行为“转动叶片”。再次通过F-P-B-S映射得到“曲面不均匀”结构。由于通过映射也未得到确切的技术结构，且为了获取更多可行的技术方案，继续通过F-T-A-S映射获得猫头鹰翅膀“须边凸出”结构，根据生物结构-技术结构对应表，映射到技术系统的 “锯齿凸出”结构，具体包括矩形锯齿凸出、三角形锯齿凸出和圆弧形锯齿凸出。映射过程如图13所示。最后可获得“曲面不均匀”和“锯齿凸出”这两种结构方案，作为解决第二对技术冲突的生物启发设计备选方案。

将信鸽翅膀和猫头鹰翅膀相关层次特性共同赋予风扇叶片，进行多生物原型-技术系统的协同集成创新。最后得到四种可行的仿生风扇模型，分别是：①叶片正表面呈现沟槽间隙且侧面锯齿凸出(图14a)；②叶片曲面质量不均匀同时外沿凹入(图14b)；③叶片正表面呈现沟槽间隙同时叶片曲面质量不均匀(图14c)；④叶片外沿凹入且侧面锯齿凸出(图14d)。

3.4 风扇数值仿真模拟

考虑到产品的创新性，以及F-T-A-S到F-P-B-S映射的多层次性，以方案1仿生风扇模型(图14a)为例与原始风扇模型进行FLUENT仿真对比分析，主要对两种风扇叶片流场和声场进行模拟，原始风扇模型如图5所示。

将两种风扇几何模型导入Gambit中，分别采用圆柱型流道建立风扇叶片的旋转流域区、管道区、进风口区、出风口区，组成风扇仿真模型。

针对风扇仿真模型内部不同区域流场的变化情况不同，采用分区划分网格的方法。旋转流体区网格尺寸较小，取1 mm，管道网格区域尺寸较大，取2 mm，进风口区和出风口区网格尺寸最大，取3 mm。各区域网格划分具体情况如表4所示。

进一步对仿真模型的边界条件进行设定，进风口区设定为压力入口边界条件(pressure-inlet)，出风口区设定为压力出口边界条件(pressure-outlet)，风扇叶片设定为壁面边界条件(wall)，旋转流体区区域类型定义为流体(fluid)，将两种风扇msh模型导入软件FLUENT中。流场模拟采用稳态的RNG k-ε模型，进口流动总压设定为大气压力，流动方向为沿z轴负向进气，出口处为压力出口边界，定义出口压力相对大气压力为0，即没有附加的压力作用，定义转速为3 000 r/min，采用SIMPLE算法求解压力-速度耦合方程，迭代次数设为2 000步，为了监测流量变化，在z=-10处设置一个监测面，如图15所示。

噪声模拟采用非稳态的LES大涡模型，旋转流域区边界采用Mesh Motion。求解算法中，将压力、速度耦合方式设定为PISO，压力插值方式设定为PRESTO。仿真步长设定为1.0×10-5 s，步数为3 000，每步长最大迭代次数设定为40。求得动态稳定压力场后，定义FWH噪声模组，收集监测点的噪声数据，然后通过快速傅里叶变换(FFT)求得监测点噪声值。为监测噪声，在坐标为x=0，y=0，z=-300处设定噪声监测点，如图15所示。

3.5 仿真结果及分析

经过迭代求解，得到两种风扇叶片流量监测面的质量流率值和噪声监测点的A声压级噪声，如表5所示。两种风扇叶片监测面的流量曲线见图16、图17。其中，1 cfm≈1.7 m3/h。

由表5可知，原始风扇和新型仿生风扇在监测点的A声级噪声值分别为55.209 20 dB、54.209 98 dB，新型仿生风扇较原始风扇A声压级噪声降低了1.8%。在监测面的质量流率分别为41.289 6 m3/h、42.280 7 m3/h，质量流率提高了约2.4%。从图16、图17中可以看到新型仿生风扇较原型风扇随着风扇转速的增大，产风量更加平稳持续地增长，并且在收敛处质量流率更大。

4 结论

综合QFD、TRIZ和仿生学理论提出了一种创新设计过程模型。通过QFD构建了待改进产品质量屋，并结合TRIZ冲突理论分析负相关技术特性得到了发明原理解；然后利用仿生学获得了合适的生物原型，并依据协同中间件和多层次映射机制实现了生物原型技术方案的转化。运用该设计模型对风扇叶片运行时存在的低送风效率及气动噪声问题进行了结构改进，FLUENT数值模拟结果比较了原始风扇模型和新型仿生风扇模型的质量流率以及A声压级噪声值，可以发现，将信鸽翅膀和猫头鹰翅膀相关仿生特性赋予风扇叶片后，获得的新型仿生风扇叶片具备了更好的送风效果以及降噪效果，说明了本文所建模型的合理性与可行性。在后续工作中，需要在实际工况下对风扇的产风量与噪声进行测量，结合实验数据，做进一步的结构改进、仿真和优化。

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