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TRIZ 理论在机械产品创新设计中的应用

任何一个行业的发展都离不开科技的进步和创新,而对于机械行业来说,任何一项技术改进都必须经过反复的验证。我作为机械制造专业毕业的科技工作者在几年的专业技术工作中,我接触的传统的创新设计方法就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。而起源于前苏联的发明问题解决理论—TRIZ理论是一种全新的创新方法,它能够帮助人们系统的分析问题,快速发现问题、本质和矛盾,准确确定问题,探索方向,打破思维定势,进行逻辑性和非逻辑性的系统思维,根据技术进化规律预测未来发展趋势,帮助企业开发具有竞争力的新产品。TRIZ理论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,适用于各行业。

 

一、TRIZ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、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。仅以冲突解决原理为例,介绍TRIZ理论在产品设计中的应用。

 

二.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。TRIZ理论认为,产品创新的标志是解决或移走设计中的冲突,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。

 

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,在此基础上,Altshuller又给出了40个发明创造原理,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。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。

 

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Mann通过研究提出,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。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。

 

三. 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。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。

 

(2)带来负面影响的特性:可制造性。

 

使用软件进行搜索,InventionTool2.0确定了4种可用的发明原理:不对称、维数变化、抛弃或修复、复制。对维数变化和不对称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)。

 

实例2: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不对称原理。按该原理,可以将对称设计改为不对称设计。

 

四、TRIZ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。

 

(5)TRIZ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,我们认为同样也适合于我国的机械制造业。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。如需咨询详细内容请关注卫星公众号young6668特别是我国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。

 

TRIZ理论的科学实践证明,一旦发现和掌握了发明创造的内在规律和原理,形成一种科学或理论,那么实践创新就可以像解数学题一样,变得有序可循和具有可操作性和可预见性,创新和质量的效率也会大大提高。我省作为国家科技部首批批准的技术创新方法的试点省,学好TRIZ理论,应用推广TRIZ理论是我们科技工作者的责任,让我们积极努力,身先士卒,为加速提升我省的技术创新水平做出我们最大的贡献。

 

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