《创新设计-TRIZ系统化创新教程》课件 第9章 效应知识库-刘芳

第9章效应知识库创新设计研究所主要内容效应效应应用范例效应知识库及应用过程案例分析9-1效应1.效应效应是发明问题解决理论(Theoryofinventiveproblemsolving,TRIZ)中一种基于知识的工具。产品功能是输入到输出能量、物料和信息的转换，本质上是描述这些能量、物料和信息的属性的变化。这些属性的变化可以用科学效应描述。科学效应一般可用科学定律或定理描述，应用效应，可以利用本领域特别是其它领域的有关定律解决设计中的问题。按照效应所包含的信息，效应可分为物理效应、化学效应、生物效应、几何效应。效应输入量输出量摩擦效应T1T2功能：传递扭矩图9.1效应示意图及摩擦效应9-1效应1.效应效应是对系统输入/输出间转换过程的描述，该过程由科学原理和系统属性支配，并伴有现象发生。每一个效应都有输入和输出，因此效应模型有输入和输出两个接口（两极），如图9.2（a）所示。效应还可以通过辅助量来控制或调整其输出，可控制的效应模型扩展为三个接口（三极），如图9.2（b）所示。图9.2效应模型效应效应(a)两极效应模型(b)三极效应模型效应输入流控制流Flow输出流9-1效应1.效应一个效应可以有多个输入流、输出流或控制流，例如库仑效应中带电体所带电量(Q1,Q2)为两个输入流，库仑力(F)为输出流，相对介电常数(εr)和带电体间距离(r)为控制流，如图9.3所示。效应可以用具有多个输入流、输出流或控制流的多极效应模型表示，如图9.4所示。图9.3库伦效应模型图9.4具有多流的多极效应模型9-1效应2.效应模式基于多流多极效应模型构建效应链的基本组成方式称为效应模式，效应模式有以下几种：图9.5串联效应模式图9.6并联效应模式（1）串联效应模式：预期的输入/输出转换由按顺序相继发生的多个效应共同实现，如图9.5所示。（2）并联效应模式：预期的输入/输出转换由同时发生的多个效应共同实现，如图9.6所示。§9-1效应2.效应模式图9.7环形效应模式图9.8控制效应模式（3）环形效应模式：预期的输入/输出转换由多个效应共同实现，后一效应的输出流通过一定的方式返回到前一效应的输入端，如图9.7所示。（4）控制效应模式：预期的输入/输出转换由多个效应共同实现，其中一个或多个效应的输出流由其他效应的输出流控制，如图9.8所示。9-2效应应用范例效应1：麦比乌斯圈图9.9麦比乌斯圈拿一条纸，它有两个面，把它的两头粘上就可以做成一个环，两个面保持下来，一个内表面，一个外表面。如果将纸条的一端扭转180°然后再将两端粘起来，会出现什么情况？如图9.9所示，只有一个持续的面。这种扭转的条粘成的环称为“麦比乌斯圈”，是以首次描述了此圈奇妙特性的德国数学家的名字命名的。§9-2效应应用范例效应1：麦比乌斯圈图9.10麦比乌斯圈研磨带工程应用：工程上应用的研磨带，是在环形带的外表面涂上研磨材料，当研磨层磨完了就要更换研磨带。怎样才能既不增加皮带长度又能使它的工作寿命延长呢?

运用麦比乌斯圈特性可以解决这个问题，如图9.10所示。皮带圈的长短和通常的没有两样，但由于它的工作面增加一倍，所以它的寿命也增加了一倍。

麦比乌斯圈还可用于过滤器、录音机等创新设计中，目前利用麦比乌斯圈申请的专利有100多项。9-2效应应用范例效应2：超塑性（力学、热物理学）图9.11超塑性效应金属合金具有多晶结构。晶粒结构不是理想的，而存在变位。变位处的原子间引力比有序处的力弱。温度升高使组成晶格原子的振动能量增加并导致结构缺陷的增加。当温度为熔点温度一半时，具有细粒结构合金的变位数目增加。如果在晶粒间的边界有足够多的变位，只需要很小的机械力就能引起晶粒间的滑动，如图9.11所示，在宏观上表现为变形，这种效应称为超塑性。§9-2效应应用范例图9.12超塑性效应在中空元件成形中的应用工程应用：利用超塑性制成中空元件。航空航天工业中采用质量轻的管状铝钛合金钢生产出结构复杂的中空部件，这需要管状合金钢同时在不同的方向受到气体压力使其发生形变。然而，普通热模成型达不到这个压力值。可以将管状合金钢放进压力和温度适当的加热器或炉中，利用合金的超塑性制成中空元件，如图9.12所示。效应2：超塑性（力学、热物理学）9-2效应应用范例效应3：离子束溅射（电学、微电子学）图9.13离子束喷射表面原子用离子束轰击表面，入射离子的能量将转移到目标材料的原子上。能量转移通常导致表面原子的喷射，这使得表面被侵蚀或溅蚀，如图9.13所示。为了防止离子与气体原子相撞，需要将系统放在真空中。§9-2效应应用范例图9.14利用离子束溅射制成电子发射器工程应用：电子发射装置。传统的电子发射器利用热阴极，这种方法能量损失大。利用冷阴极制成的电子发射器能够解决能量损失的问题，但是设备的制造过程复杂，成本高，产量很低。为了生产电子发射器，可以利用离子溅射生成洞形发射器的方法，如图9.14所示。底层之上有一绝缘层。利用热酸有选择的蚀刻绝缘层。绝缘层上被嵌入的地方为水滴形状的洞。这些洞足够深，能够接触到传导层。通过离子束溅射，钨（或其它电极材料）被沉积到洞里。门电极和锥形发射器同时形成。水滴形状的洞的底部决定发射器的形状。效应3：离子束溅射（电学、微电子学）9-2效应应用范例效应4：处于液体中的物体重量减少（力学、流体力学、几何学）图9.15将物体置于液体中会使物体的重量减少将物体置于液体中浮力会使物体的重量减少，如图9.15所示。当物体浸入液体且液体密度和物体密度一致时，会发生物体失重效应。这种失重效应作为整体系统而不是作为内部结构显示出来。例如，静止在水中的人的内部器官会有失重的感觉。然而，在物体变形中并没有发生由真正的完全失重所引起的变化。9-2效应应用范例图9.16置物体于液体中减小该物体的加速度工程应用：浮力装置。空中交通工具产生高加速度，使飞行员和宇航员承受很高的机械超载。加速度不是均匀的传送到身体的各个部分，因此扰乱了循环系统的正常机能。为了保护物体免受加速度方向的超载，使用了充气装置。然而，这种装置需要复杂的阀门系统和传感器系统。这是因为装置中的气囊必须被快速控制以补偿加速度。为了补偿在具有很大加速的物体表面增加的压力，建议将物体浸入液体介质中，如图9.16所示。物体浸入恰当密度的液体媒介中会发生失重。如果物体密度均匀，它和液体介质作为整体获得加速度。人体能被认为是近似均匀的。效应4：处于液体中的物体重量减少（力学、流体力学、几何学）9-3效应知识库及应用过程1.效应知识库效应是TRIZ中最容易使用的工具之一，而要实现这一点必须开发出一个大型的效应知识库。按照功能对现有效应和实例进行分类，建立效应知识库，通过关联模式和控制模式对需求功能进行改进，产生新概念，使存在的问题得以解决。按照效应所实现的功能，将效应知识库中的效应和实例，与功能结构树中的基本子功能对应起来，以确定效应在知识库中的位置。因此，依据需求功能，设计者能快速准确地从效应知识库中找出所需要的效应。9-3效应知识库及应用过程1.效应知识库在解决问题过程中，经常会出现下述情况：需求功能已经确定，用以实现功能的效应也已经找到，但仍然不能解决问题，原因在于设计者不知道如何将这些效应应用到实际问题中去。因此，效应知识库中除了效应以外，还应添加大量的工程实例，以提示设计者如何应用效应解决实际问题。另外，每个人的知识是有限的，不可能对各个领域的知识都有深入的了解。为了有效的应用效应知识库和实例来解决问题，每一条效应和实例都应包含必要的说明、应用条件、公式、应用范围等信息。由于不同效应和实例存在于不同的技术领域，使用不同的技术术语，为使其更具有普遍性以解决其它领域的问题，对每一条效应或实例都需要抽象出其本质，忽略与特定领域相关的描述。9-3效应知识库及应用过程2.应用效应知识库求解功能的一般过程在进行设计时，设计人员首先要发现和确定问题，然后进行系统分析，功能分析，进而确定需求功能，建立功能结构，进而按照需求功能从效应知识库中查找恰当的效应和实例，利用关联和控制方式对现有功能进行改进，确定出问题的原理解，并对该原理解进行检验，如果原理解不能满足需求功能则应该重新对问题进行分析或选择其他效应。图9.17应用效应解决问题的一般过程9-4案例分析：快速切断阀的改进设计1.问题背景根据实际生产运行情况，TRT液压系统及快速切断阀存在着如下一些问题：高炉煤气含尘量较高，插板阀在启闭过程中液压系统与煤气直接接触，使整个液压系统的油质清洁度难以满足要求。液压系统的仪表在使用过程中存在一些问题，如压力控制开关和压差发讯器的工作可靠性较差，伺服阀和伺服放大器的质量和性能不稳定。因操作环境较为恶劣，不经常动作的快速切断阀长期工作的可靠性较低。在快速切断阀紧急关闭的最后阶段，由于动力弹簧的弹力随形变的减小而减小，而液压系统不能提供与弹力同向的作用力，因此会出现动力不足，阀门无法完全关闭的情况。TRT系统正常工作时，快速切断阀处于打开状态，液压系统需要长时间持续工作，消耗大量电能。9-4案例分析：快速切断阀的改进设计1.问题背景图4.27已从系统功能的角度描述TRT系统中快速切断阀存在的问题：有害作用：电机和液控箱消耗大量电能，灰尘污染液压油，滤油器和管路阻碍液压油流动；不足作用：动力弹簧驱动活塞的动力不足。图4.27快速切断阀功能模型图根据功能分析决定去掉液压驱动系统，采用新的驱动装置。要求新的驱动装置能实现慢开、慢关、快关和游动动作，并能产生与弹簧弹力同向的作用力保证阀门完全闭合。9-4案例分析：快速切断阀的改进设计2.确定效应链应用InventionTool3.0软件，浏览效应知识库中的“移动固体物质”功能，可以快速确定与问题相关的效应，如表9.1所示，用光、电、磁、液、热、气、声、化等效应都可以实现某些驱动功能。阿基米德原理热膨胀惯性气能积累弹簧形变电流变效应马格努斯效应磁流变效应电致伸缩磁致伸缩溶解磁场电场反压电效应帕斯卡定律牛顿第二定律安培定则受迫振动化学能磁场力效应表9.1效应知识库中的相关效应举例9-4案例分析：快速切断阀的改进设计2.确定效应链磁场力效应：铁磁性材料在磁场中要受到磁场力作用，沿受力方向运动。螺线管磁场效应：线圈由导线缠绕而成。当电流通过螺线管时，在其内部会产生磁场。如果螺线管的长度远大于其直径，则螺线管内的磁场线平行于它的轴线，产生匀强磁场。螺线管的长度决定磁场强度效应：导线中的电子运动产生电流。螺线管内的磁场是这些电子产生的磁场之和。增加螺线管的长度可以增加线圈中运动电子的数目，从而增加螺线管内部磁场的强度。欧姆效应：在导体的两端加一直流电压，在导体的内部会产生直流电流。改变电压或电阻可改变电流强度。9-4案例分析：快速切断阀的改进设计2.确定效应链为使驱动系统结构简单，操作方便，降低成本，可选用磁场力效应，使铁芯在磁场力的作用下产生运动。但只选用磁场力效应无法满足需求功能，还需要螺线管磁场效应、欧姆效应和螺线管长度决定磁场强度效应其结合成为效应链，对磁场力效应的输入量和控制参数进行控制。这些效应按照效应链模式结合成为效应链，如图9.18所示。图9.18驱动系统效应链9-4案例分析：快速切断阀的改进设计3.确定驱动系统原理