TRIZ理论及其在机械产品创新设计中的应用

TRIZTRIZ理论认为 ,产品创新的标志是解决或移走 设计1TRIZ1TRIZ理论No.1No.2•No.38No.39No.记 35,3,24,37No.2$ ……空……No.38………空••No.3935,26,24,37空21世纪产 品竞争日益激烈 ,世界各国普遍重 视提高产品的设计水平,增强产品竞争力。产品设计的根本目的就是要 创新产品,满足市场需求和占领更大市场,因此 ,重视创 新设计是增加机械 产品竞争力的根本途径。传统的创新设计方法是利用头脑风暴法或试错法,但这些方法可视为设计人员的艺术创作,创新的程度与成 败主要取决于设计者的灵感和经验,当问题的解决方案超出了一个人的经验和技术领域时,头脑风 暴法和试错法往往显得无能为力。起源于前 苏联的发明问题解决理论———TRIZ理论是指导创新活动的重要理论之一,它可以帮助设计者在方案设计阶段迅速地产生一个具有 创造性的新概念 ,实现产 品的快速创新。TRIZ是俄文 “发明问题 解决理论”的俄文简称。该理论是前苏联G..S.Altshuler及其领导的一批研究人 员,在分析研究世界各国 250万件专利的基 础上,提炼出的一套解决复 杂技术问题 的系 统方法。主要目的是研究人 类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。TRIZ理论是基于知识、面向人的发明问题解决系统化方法学 ,且适用于各行 业。.1TRIZ理论的主要内容TRIZ理论是由解决技 术问题和实现创新开 发的各种方法、算法组成的综合理论体系 ,其主要内容包括 :技术系统进 化法则、40个发明创造原理、 39项技术特性、冲突矩 阵、物质一场分析、 76个发明问题标 准解决方法、发明问题解决算法(ARIZ以及工程效 应知识库等。在产品设计过程中 ,上述各内容都能从不同方面对设计人员提供创新方案的指导。应用TRIZ理论求解产品设计的创新解是一项系统的工程。由于篇幅关系 ,本文仅以冲突解决原理为例，介绍TRIZ理论在产品设计中的应用。.2冲突解决原理(1冲突的定 义无论是新产品设计还是已有产品的改进,设计人员在设计过程中首先要保 证或提高产品的某些性能 ,但这种提高往往会影响到 产品其它的内部性能。如果 这些影响是负面的,则设计 出现了冲突。中的冲突 ,而产生新的有竞争力的解 ,没有克服冲突的解并不是 创新设计。冲突的种类很多 ,与产品创 新相关的冲突分 为3类,即物理冲突、技 术冲突及管理冲突。本文主要研究前两 类冲突及其解决原理。（2技术冲突及其解决原理技术冲突是指传统设计中的折中,即由于系统本身某一部份的影响,所需的状态不能实现。技术冲突常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾。例如斜拉 桥,希望提高桥的承重重量 ,但重量太大可能超 过桥的强度范围,降低桥的安全性。Altshuller通过对250万件专利的详细研究,提出用 39个技术特性来描述冲突。在解决 实际冲突时,把组成冲突的两个内部性能用 39个标准的技 术特性进行表示,即把实际工程冲突 转化为一般的或标准的技术冲突 （具体技 术特性见参考文献 3。在此基础上,Altshuller又给出了 40个发明创造原理 （具体 发明原理 见参考文献 3,实践证明这些原理对于指导设计人员的发明创造具有重要作用。通过多年的研究、分析和比较,Altshuller将39个标准的技 术特性与 40条发明创造原理建立了 对应关系。提出了合理 选用发明原理的重要工具 ———冲突解决矩 阵。如表1所示。表1冲突解决矩 阵简表冲突解决矩阵为40行40列的一个矩 阵,其中第1行和第1列为顺序排列的39个描述冲突的技 术特性序号;其余 39行和 39列形成一个矩 阵,其元素为数字或为空,这些数字表示 40条发明原理中推荐采用的原理序号。矩 阵中行描述的技 术特性为冲突中 恶化的一方 ,列代表改善的一方。TRIZ理论及其在机械 产品创新设计中的应用刘尚明1,2刘东亮1刘恒义2(1.天津大学机械工程学院,天津300072;2.本溪市化学工 业学校,本溪117022摘要:介绍了TRIZ理论的产生和发展、冲突的定 义和相关的解决原理。并 结合计算机辅助创新软件,通过实例说明了其在机械 产品创新设计中的应用。最后 ,提出了 TRIZ理论在我国制造企 业的推广策略。关键词 :机械产品TRIZ理论创新设计设计与研究43(3物理冲突及其解决原理物理冲突是指系 统同一部分或参数提出完全相反的要求。即 对一个系统同时提出相反的要求就出现了物理矛盾。例如 钢笔的笔尖 应很细以便画出 细线,但细笔尖易划破纸。物理冲突的解决方法一直是 TRIZ的研究重点 ,Altshuller、Glazunov、Savransky曾提出了多种解决方法。现在TRIZ理论在总结上述研究方法的基 础上,提出 4种分离原理来解决物理冲突 ,即:空间分离、时间分离、基于条件的分离、和整体和部分的分离。英国Bath大学的Mannffl过研究提出，解决物理冲突的分离原理和解决技术冲突的发明原理之间存在关系,对于一条分离原理 ,可以有多条 发明原理与之 对应。表2是其研究 结果。表2分离原理和 发明原理的关系只要能确定物理冲突及分离原理的类型,40条发明原理及发明原理的工程 实例可帮助设计人员尽快确定新的设计概念。(4冲突分析和解决的一般 过程Altshuller所提出的TRIZ理论采用科学的思维方式，即采用一系列的工具，先将特定的问题抽象成为标准的或一般的问题 ,然后采用 标准的方法解决 ,最后得到特定的解。具体过程如图1所示:图1TRIZ解决设计问题的一般过程2InventionTool2.0技术创新软件InventionTool2.0是河北工业大学在跟踪并采用TRIZ理论最新研究成果，自主研发的第一套计算机辅助创新(CAI设计软件系统。能帮助不同工程领域的设计人员在产品概念设计阶段解决产品开发中的关键问题和产品发展战略问题 ,高质高效的提出可行的 创新设计方案,产生有竞争力的工作原理 ,大大加速企业产品创新的进程。 该软件包括发明原理、效应、技术进 化3个模 块和3个知 识库,可以将TRIZ理论中的概念、原理、工具与知识库紧密结合。该软件的主要特点是 :帮助用户预测技术进化规律,设计未来的产品;解决设计中存在的冲突 ,避免折中设计;扩展用户的知识领域,提供各种功能解决方案 ;S曲线引导操作,方便快捷;自动生成分析报告等。3机械产品创新设计实例机械产品的某一特性或参数的改 进会不可避免的引起其他特性和参数的恶化,运用技术创新软件可以解决此 类技术冲突。下面以 2个具体 实例来阐述这个问题 :实例1:开口扳手的 创新设计开口扳手在拧紧或松开一个六角螺 钉或螺母时,由于螺钉或螺母的受力集中在两条棱边,容易产生变形,导致其拧紧或松开困难。新的设计必须克服目前设计中的该缺点(如图2。现利用技 术创新软件来解决该问题。首先从 39个标准技术特性中选择并确定技术冲突的一 对技术特性 :(1质量提高的特性 :物体产生的有害因素 (N0.31。(2带来负面影响的特性 :可制造性 (No.32。使用软件进行搜索,InventionTool2.0确定了4种可用的发明原理：No.4不对称;No.17维数变化；No.32抛弃或修复；No.32复制。又tNo.17和No.4两条原理的分析表明，扳手工作面的一些点要与螺母/螺钉的侧面接触,而不仅是与其棱边接触就可以解决 该冲突(该例是美国的一 项发明专利。如图2图2改进前以及改 进后的扳手实例2:波音737发动机引擎罩的创新设计波音公司改进737设计过 程中,出现的技术冲突为:即希望发动机吸入更多的空气,但又不希望 发动机罩与地面的距离减少。将其 转变为物理冲突:发动机罩的直径 应该加大,以吸入更多的空气 ,但机罩直径又不能太大 ,防止路面和机罩的间距减少。现利用空间分离原理来解决该物理冲突。空间分离对应的发明原理中有No.4不对称原理。按 该原理,可以将 对称设计改为不对称设计,如图3所示。分离原理发明原理空间分离1,2,3,4,7,13,17,24,26,30时间分离9,10,11,15,16,18,19,20,21,29,34,37整体与部分分离 12,28,31,32,35,36,38,39,40条件分离17,25,27,5,22,23,33,6,8,14,25,35,13(下转第84页4TRIZ理论的推广 应用策略 TRIZ理论引入我国只不过是近几年的事 ,我国对TRIZ理论的研究和教学工作 还处于起步阶段,对其应用还需进一步推广。在如何将 TRIZ理论引入制造企业的方法上，日本的中川提出了一套慢而稳”的TRIZ企业引进策略。(1培养企业TRIZ带头人。(2充分应用企业外部TRIZ资源。 (3方法学的 选择与学习。(4软件工具的尝试使用。(5TRIZ知识的传播与实践。(6建立更广、更健全的 TRIZ实施环境这套在日本行之有效的方法 ,笔者 认为同样也适合于我国的机械制造 业。5结束语我国机械制造 业普遍存在产品落后、技术创新能力不足、市场低迷等情况 ,关键在于企业缺乏快速响应市场的新产品开发及制造技术创新的机制和能力。特 别是我国广大的中小型企 业新产品更新开发能力差、 资金匮乏,迫切需要 获得新产品具体开发技术的支持。而TRIZ理论和基于TRIZ理论的计算机辅助创新技术的研究和 应用顺应了我国制造 业发展的技 术需求,具有广阔的应用前景。参考文献[1]张卫国,张国全 ,何海等 .运用TRIZ理论解决复杂机电产品的创新设计问题[J].机械设计与研究,2005,21(3:15-18.2]牛占文、徐燕申、林岳等 .基于CAI的产品创新关键技术及应用研究[J].天津大学学报,2003,36(6:663-667.[3]檀润华创新设计一TRIZ:发明问题解决理论[M].北京:机械工业出版社,2002.TRIZandItsApplicationinCreativeDesignofMechanicalProductLIUShangming1,2,LIUDongliang2,LIUHengyi2(1.TianjinUniversitySchoolofMechanicalEngineering,Tianjin300072;2.BenxiChemicalIndustrySchool,Benxi117022Abstract:ThispaperdiscussedthehistoryanddevelopmentofTRIZ,thedefinitionofcontradictionanditssolveprinciples.Basedontheresearchofcomputeraidedinnovation,twoexampleswereintroducedinmechanicalproductcreativedesign.Atlast,theauthorpresentedtheapplicationstrategyofTRIZinmanufacturingcompany.Keywords:Mechanicalproduct,TRIZ,Creativedesign!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(上接第 44页在火力发电过程中 ,粉尘、二氧化硫、二氧化碳等是其 污染物的主要成分。最近几年 ,燃油、燃煤电厂的加速发展,是我国“十五”期间环保指标中二氧化硫“不降反升”的主要原因。作为空气污染的重要源 头,二氧化硫与汽 车尾气污染“精诚合作”,合谋毁坏城市的空气 质量。二氧化硫是酸性的,它过量排放到大气中,会形成“酸沉降”,遇水可形成酸雨和酸 雾;不遇上水也会以“干沉降”的形式聚集在植物和土壤 ,与土壤中的水会合后,能形成浓度更大的硫酸。“酸沉降”导致土壤、河流酸化,腐蚀金属,损害土地健康,破坏动植物的生长,严重伤害生态环境。因此,继除尘之后,烟气脱硫已成 为火电厂所必经的环保“门槛”,而几乎所有的火电企业都认定这道“门槛”成本 过高,难以逾越。其中一个重要的原因,就是环保设备的国产化率偏低。脱硫技术在国外已经有多年的发展历史,技术成熟,脱硫效率高 ,但其设备投资昂贵,运行费用高。近年来 ,我国对烟气脱硫技 术十分重 视,在引进国外脱硫技 术的同时,应该进一步开发高效、低投资、符合我国国情的工 艺技术。参考文献柴诚敬.化工原理[M].北京 :高等教育出版社 ,2005[2]赵鹏高.火电厂烟气脱硫关 键技术与设备国产化规划[J].电力环境保护,2000,16(2:28~32.3]曾庭华,杨华 ,马斌,王力 .湿法烟气脱硫系统的安全性及 优化[M].北京:中国电力出版社,2004.[4]晏玉清 ,范安祥 .烟气脱硫技 术及方案选择原则(四-电子束氨