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第9章物理矛盾的解决

9.1物理矛盾的定义9.4物理矛盾的解决办法9.2物理矛盾的表现形式9.3技术矛盾和物理矛盾的区别9.5技术矛盾向物理矛盾转化9.1物理矛盾的定义物理矛盾是当一个技术系统的工程参数具有相反的需求,就出现了物理矛盾。比如说,要求系统的某个参数既要出现又不存在,或既要高又要低,或既要大又要小等等。发动机就应该尽量大,而要减少燃油的消耗,发动机就应该尽量小电子设备里的散热片体积应该尽量大一些,这样散热效果好,但是从节省空间的角度来看,散热器的体积又应该尽量小。9.2物理矛盾的表现形式物理矛盾可以描述为:一个系统中的某一个对象具有特性P,以便满足性能F1;同时,该对象又要具有非P(P的相反特性),以便满足F2。针对电脑散热器的例子,可以将物理矛盾描述为:电脑散热片面积要大,因为可以更好的散热;但是电脑散热片面积要小,因为可以节省空间。常见的物理矛盾的分类如表类别物理矛盾几何类长与短对称与非对称平行与交叉厚与薄圆与非圆锋利与钝宽与窄水平与垂直材料及能量类时间长与短粘度高与低功率大与小摩擦系数大与小多与少密度大与小导热率高与低温度高与低功能类喷射与堵塞推与拉冷与热快与慢运动与静止强与弱软与硬成本高与低9.3技术矛盾和物理矛盾的区别(1)技术矛盾是指一个作用同时产生有用及有害两种效应,也可指有用

效应的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统变坏。(2)技术矛盾常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾,而且总是涉

及到两个基本参数:当其中一个得到改进时,另一个变得更差。(3)物理矛盾是当一个技术系统的工程参数具有相反的需求,就出现了物理

矛盾。比如说,要求系统的某个参数既要出现又不存在,或既要高又要低,

或既要大又要小等。(4)技术矛盾和物理矛盾是可以相互转换的,许多技术矛盾在经过分解

细化后最终都可以转换为物理矛盾。技术矛盾和物理矛盾的区别示意9.4物理矛盾的解决办法现代TRIZ理论中,解决物理矛盾的主要方法是分离原理。分离原理分类:(1)空间分离;(2)时间分离;(3)条件分离;(4)系统级别分离。分离原理是指针对系统中的同一参数,在不同情况下有不同的需求,可以按照相应的情况进行分别满足,以实现物理矛盾的解决。用分离原理解决物理矛盾的步骤:(1)找到关键问题。(2)提取物理矛盾。(3)选择相应的分离原理。(4)查找对应的发明原理。(5)形成具体的解决方案。(6)如果步骤5不行,则重复步骤1到步骤4,指导形成最终的解决方案。9.4.1基于时间分离分离原理是指针对系统中的同一参数,在不同情况下有不同的需求,可以按照相应的情况进行分别满足,以实现物理矛盾的解决。时间分离原理指系统中的某个参数在不同的时间段内出现相反的或者矛盾的需求,也就是在不同的时间段中满足不同或相反需求,以解决物理矛盾。

当系统对某一个参数的需求是互斥的,如果其中的一种需求只存在某一个时间段内,在其他时间段内就没有该种需求,则可以用时间分离的方法。案例分析:自行车在骑乘时,需要体积大,这样可以载人或者搭乘货物。但是,当自行车在不适用时,又需要体积小,这样就可以节省空间。既需要自行车体积大又需要自行车体积小,而且这两个相反需求都是合情合理的,所以这是一对物理矛盾。解决方案:载人时的自行车解决方案:不使用时的自行车9.4.2基于空间分离空间分离原理指系统中的某个参数在不同的空间内出现相反的或者矛盾的需求,也就是在不同的空间中满足不同或相反需求,以解决物理矛盾。当系统对某一个参数的需求是互斥的,如果其中的一种需求只存在某个空间内,在其他空间内就没有该种需求,则可以用空间分离的方法。案例分析:在十字路口,去往不同方向的汽车都要经过该十字路口。但是,这些汽车又不能同时驶过十字路口,否则东西方向和南北方向的汽车就会相撞,可是,如果不能同时驶过十字路口,要轮流等待红绿灯信号才能通行,汽车的通行效率就会下降,不但会造成交通拥堵也浪费车主的时间。解决方案:9.4.3基于条件分离条件分离原理指系统中的某个参数在不同的条件下出现相反的或者矛盾的需求,也就是在不同的条件下满足不同或相反需求,以解决物理矛盾。

当系统对某一个参数的需求是互斥的,如果其中的一种需求只存在某个条件下,在其他条件下就没有该种需求,则可以用条件分离的方法。案例分析:在跳水运动中,水池与运动员可以看成是一个系统,运动员从高处往下跳,这就要求水池中的水既是硬的又是软的,因为只有硬度足够的水才能支撑运动员的身体,不至于使运动员的身体迅速碰到池底,而硬水虽然支撑了运动员的身体,但由于运动员在入水时与水的相对速度很大,所以,硬水又有可能对运动员的身体造成伤害。解决方案:9.4.4基于系统级别分离系统级别分离原理指系统中的某个参数出现相反的或者矛盾的需求,但是在空间、时间和条件都有交叉而不能用这三种分离原理时,应考虑整体与部分,也就是采用系统级别上的分离手段。系统级别分离是考虑系统中的某一参数需求只存在该系统上的一个子系统或一个级别上,而其他子系统或级别需要该参数的相反需求的情况下,所应用的分离原理。案例分析:战斗机的特点是机动灵活,飞行速度快,可快速爬升到高空,要携带导弹和武器。战斗机也要有油箱,如果其油箱体积大,战斗机的灵活性就会减弱,但如果其油箱体积小,战斗机的战斗范围必定要减小。解决方案:根据“组合”发明原理,当发动机在高空中(空间上)飞行并且油箱快没有油时(时间上),可以考虑让另一个大油箱(同类、相关的对象)给战机上的油箱输油,那这个大油箱怎么来的呢?得出的解决方案就是专用的加油机了。9.5技术矛盾向物理矛盾转化在一个系统或者工程中,会同时存在多个矛盾,就某一矛盾,既可以把它定义为技术矛盾也可以定义成物理矛盾,又因为物理矛盾和技术矛盾都是triz理论中的问题描述工具,所以可以将二者进行转化,而物理矛盾的提取往往是更深刻的、冲突程度更尖锐的矛盾,因此,常常把技术矛盾向物理矛盾进行转化。以笔记本电脑的屏幕为例,如果用技术矛盾描述就是:如果笔记本电脑屏幕大;那么使用更方便;但是携带不方便。在此,使用方便和携带不方便可以理解为构成一对技术矛盾。相应物理矛盾描述就是:笔记本电脑屏幕要大些,那么可以更方便使用;但是笔记本电脑屏幕要小些,因为可以方便携带。在此,笔记本电脑屏幕即要大又要小就构成了一对物理矛盾。可以看出,我们只要针对笔记本电脑屏幕的特性做出创新把其物理矛盾解决了就可以解决浅层次的技术矛盾。9.6分离原理与发明原理的对应关系分离方法创新原理时间分离9预先反作用、10预先作用、11事先防范、15动态特性、16不足或过度的作用、18机械振动、19周期性动作、20有效作用的连续性、21减少有害作用时间、29气压与液压结构、34抛弃与再生、37热膨胀空间分离1分割、2抽取、3局部质量、4增加不对称性、7嵌套、13逆向思维、17多维化、24借助中介物、26复制、30柔性外壳或薄膜条件分离1分割、5组合、6多用性、7嵌套、3重量补偿、13反向思维、14曲面化、22变害为利、24反馈、25自服务、27廉价替代品、33同质性、35物理或化学参数改变系统级别分离12等势、28机械系统替代、31多孔材料、32改变颜色、35物理或化学参数改变、36相变、38强氧化剂、39惰性或真空环境、40复合材料分离原理与发明的原理的之间存在相应的关系第10章物-场模型与标准解系统物-场模型分析法简介●

Altshuller于1979年发表了名为《创造是一门精密的科学》的专著,书中论述了物-场模型的概念和物-场分析法的基本原理。这是Altshuller晚期的主要工作之一!阿奇舒勒通过对功能的研究发现了下述3条定律(1)所有的功能都可分解为3个基本元素:两个物质和一个场(2)一个存在的功能必定由3个基本元素构成(3)缺一不可的三个基本元素以合适的方式有机结合,才能有效实现一种功能技术系统存在的目的是实现功能。功能可以分解为2种物质(Substance--S)和1种场(Field--F)。(作用对象S1、工具S2、场F)技术系统的功能模型可以用一个完整的物质--场

(Substance--Field)三角形来表示。什么是物-场模型目录10.1物-场模型的一些基本概念10.4物-场模型的标准解10.2基本的物-场模型分类10.3物-场模型的一般解法10.5物-场模型标准解分析案例10.1物-场模型的一些基本概念物-场分析法的三元素

用S1表示原料或工件,充当被作用、被操作、被改变的角色;用S2表示工具,它作用、操作或改变被动元件S1。

物质(S1、S2):是一种与任何结构、功能、形状、材质等复杂性无关的实物,可以是材料、工具、零件、人、环境等。TRIZ中的场:将存在于物质之间的各种各样的作用都用场来表示。

力场:(持续力、冲击、脉冲)

声场:(超声波、次生波)

热场:(加热,降温)电场、磁场、电磁场光学场:(紫外线、可见光、红外线)辐射场:(放射性辐射、电离辐射)化学场:(氧化、腐蚀)

……物质的类型人员类:产品的使用者(用户)材料类:热性质材料、电、磁性质材料、光学性质材料环境类:地面,空气,矿山典型物理状态:气态、液态、固态、等离子体(电浆)中间态和化合状态:气溶胶、液溶胶、固溶胶、泡沫、粉末、凝胶、多孔物

……符号过度的定向作用正常、有效的相互作用效用不足的相互作用有害的相互作用意义有效的作用不足的作用有害的作用物—场分析法符号+++++++++++++10.2基本的物-场模型分类FS2S14有害的完整模型物-场分析法的4种功能模型FS2S11有效完整模型FS22不完整模型FS2S1

3作用不足的完整模型第一种模型是我们追求的目标;对后3种模型,TRIZ理论提出了物-场模型的6个一般解法。1、有效完整的物-场模型:实现功能的3个元素齐全,且有效实现功能。最小的具有工作能力的可控技术模型案例:把生米用水煮熟。首先把锅中洗好的米加上适量的水,再把锅放到火上烧。所以煮饭就是一个3元素完整且有效的物-场模型。在煮饭阶段,米接触水,锅在模型中不出现,热量(F)通过水(S2)作用于米(S1)。442、不完整的物-场模型:实现功能的3个元素不全,缺场或物质(工具)对不完整模型,应针对所缺少的元素给予引入物质或引入场,使形成有效完整的物场模型,从而得以实现功能。S2S1FS1S2S1FS2FS2S1案例:如何将火柴理顺后装入火柴盒?引入磁粉S2和磁场F,F作用于S2,S2同时作用于火柴S1,表述如下:S1火柴火柴磁粉磁场FS1S23、作用不足的物-场模型(有用但不充分的相互作用):3个元素齐全,但功能未有效实现或部分实现。案例:冰雪路面对车轮的摩擦力。冰雪路面(S2)对车轮(S1)有摩擦力(F),但力度不够,车轮会打滑。冰雪路面对车轮的摩擦力(摩擦力属于机械场)不足以支撑车正常行驶。4、有害的物-场模型3个元素齐全,但产生了有害的效应,需要消除这些有害效应。案例:车辆噪声扰民

车辆产生的噪音(F)即振动场的能量作用在空气(S2)上形成驻波,产生噪声,噪声作用于居民(S1)身上,对其正常生活形成了干扰。10.3物-场模型的一般解法物场模型类型及一般解法TRIZ重点关注不完整的物-场模型、有害的物-场模型、作用不足的物-场模型。提出了六种一般解法。•1.引入新的物质•2.引入新的场•3.引入新的物质和场•4.替代原有的场•5.替代原有的物质和场•6.补足缺失元素有问题的物-场模型序号物-场模型分类对应的一般解法1不完整的物-场模型解法1:针对所缺少的元素给予补足(物质或场),使其成为完整模型2有害的物-场模型解法2:增加另一物质S3来阻止有害效应的产生,S3可以是现成物质,或是S1、S2的变异、或是通过分解环境而获得的物质;解法3:增加另一个场F2来平衡产生有害效应的场。3作用不足的物-场模型解法4:用另一个场F2代替原来的场F1;解法5:增加另外一个场F2来强化原有的有用效应;解法6:增加物质S3并加上另一个场F2来强化有用效应。非正常物-场模型一般解法应用一般解法解题流程方案问题物场模型六个一般解有问题的物-场模型转化模型类型应用物-场模型的一般解法应用—钢丸发送机弯管部分磨损问题

工程上使用管道运送金属颗粒,将金属颗粒从管道的一端用高速空气送入管道,金属颗粒在管道中被空气从另一端送出。但是,在管道的转弯处,金属可以频繁撞击管道壁,管道容易损坏,使用物场模型来求解。高速空气金属颗粒管道第一步:确定问题:输送金属颗粒第三步:分析物场模型,查找一般解法第二步:确定物-场模型(有害效应的完整模型)

使用的元件:S2金属颗粒,S1管道,场F(机械场)一般解法一般解法FS2S1S3FS2S1FS2S1F2高速空气管道S2金属颗粒S1磁铁F2解决方案:在弯管外放置磁铁,将飞行中的金属颗粒吸附在弯管内壁,形成保护层。10.4物-场模型的标准解标准解系统依据Altshuller发现的规律:如果问题的物-场模型是一样的,那么解决方案的物-场模型也是一样的,和这个问题来自于哪个领域无关。他一共发现总结了76个解模型,所以也叫76个标准解。按照问题的类型分为五级,建立起了标准解法系统。级别标准解系统名称子系统数量第一级基本物场模型的标准解1.1构建完整的物场模型(8)1.2消除或中和有害作用,构建完善的物场模型(5)

13第二级增强物场模型的标准解2.1向复合物场模型转换(2)2.2

增强物场模型(6)2.3

利用频率协调增强物场模型(3)2.4

引入磁性附加物增强物场模型(12)23第三级向双、多级系统或微观级系统进化的标准解3.1向双系统或多系统转换(5)3.2向微观级系统转换(1)6第四级测量与检测的标准解4.1利用间接的方法(3)4.2构建基本完整的和复合的测量物场模型(4)4.3增强测量物场模型(3)4.4向铁磁场测量模型转换(5)4.5

测量系统的进化方向(2)17第五级简化与改善策略标准解5.1引入物质的方法(4)5.2引入场(3)5.3利用相变(5)5.4利用物理效应或自然现象(2)5.5产生物质粒子的更高或更低形式(3)17合计76第1级:物-场的构建和拆解其解法聚焦于建立和拆解物-场模型,包括创建需要的效应或消除不希望出现的效应的系列法则,每条法则的选择和应用将取决于具体的约束条件。

第2级:改进系统由直接进行效应不足的物-场模型的改善,以及利用各种效应来提升系统性能的方法所组成。第3级:系统转换

包括向双、多级系统和微观级系统转化的法则。这些法则继续沿着系统改善的方向前进。 第4级:检测与测量涉及测量和检测方法的物场模型的建立与增强问题。第5级:简化与改进策略

一般情况下,应用第1-4级中的标准解法会导致系统复杂性的增加,第5级中的标准解法将引导大家如何给系统引人新的物质又不会增加任何新的东西。换句话说,这些解法专注于对系统的简化。它是应用前4级标准解法时的一些指导原则,是更灵活更有效的应用标准解法,所以也称为标准解法的应用标准。当前问题问题类型需要改进系统测量和检测问题建立物场模型模型不完整产生有害效应效应作用不足第四级标准解§1.1标准解

§1.2标准解第二&第三级标准解建立物场模型第五级标准解模型类型标准解法系统的应用流程10.5物-场模型标准解分析案例工程案例:淬火油槽问题探讨淬火是将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。问题描述与分析淬火存在的问题(1)淬火油槽内上下油液温度相差较大,给产品热处理质量带来隐患。(2)工件在静油中淬火,表面极易形成蒸汽膜,影响淬火质量。(3)工人劳动强度大,生产效率低(特别是大件)。FS1S2冷却淬火油工件识别模型中的三个要素,构建物-场模型构建系统模型对此物场模型进行分析,由于在问题描述中静止的淬火油存在的问题,造成静止的淬火油对工件的冷却作用不足,即作用力有用但不充分。根据物场模型中类型分析,作用不足主要采用class2&3;从标准解中第二级增强物场模型的标准解中选取:2.1.2双并联物质—场模型。F1S1S2冷却淬火油工件机械场F2寻找标准解外加机械场主要通过搅拌完成,搅拌能

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