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    淺談TRIZ沖突解決原理在概念設計中的應用

    04-27 09:47:50

    摘要 闡述了產品概念設計的策略。介紹了基于TRIZ理論的產品概念設計中沖突確定的物質——場分析符號系統以及對技術沖突和物理沖突求解的發明原理和分離原理。

        引言

        英國OPEN大學的Cross將設計過程模型歸結的描述型和規定型。對這兩種模型分析可知,概念設計包括查明功能及結構、尋求解決原理及其結構兩個階段,其核心是確定待設計產品的新的、有市場競爭力的工作原理。為此,可將概念設計的策略歸結為兩類,(1)設計過程要產生多個可能的解,經過分析、比較與評價確定一個較好的解,基于該解完成后續設計。這一策略是以問題為中心的設計思想。通過對問題的抽象,產生多個可能的概念,經評價確定一個解。(2)設計過程中只產生一個解,經修改、完善與評價,如果該解是一個較好的解,則進行后續設計,反之,產生一個新解,一直找到一個較好的解。這一策略是以產品為中心的設計思想,即待設計產品的一個概念是在對已有產品的工作原理進行分析、總結的基礎上提出來的。

        TRIZG.S.AltShuller提出的發明問題解決理論,該理論的核心是技術系統進化原理:技術系統根據客觀發展規律進行自我發展,這些客觀規律是可以被認識的,并可利用這一客觀規律有意識的解決發明問題。按這一原理,技術系統一直處于進化之中,解決沖突是進化的推動力。

        TRIZ解決問題的過程可以看出,TRIZ的求解過程是基于標準問題的標準解,然后在標準解的基礎上,將其具體化得到實際問題的新原理解(新概念)。因此,適合于第二類概念設計策略。

       1TRIZ中沖突的分類及確定方法

        在對設計過程中產生的解進行修改、完善時,為了提高系統某一部分功能,很可能給系統其他部分帶來負面影響,這就產生了沖突。針對不同類型的沖突,采用有效地解決辦法,系統的解才會得以完善。

        1.1 沖突的分類

        TRIZ理論中,將沖突分為三類:管理沖突、技術沖突和物理沖突。

        管理沖突是指為了避免某些現象獲希望得到某些結果,需要做一些事,但又不知道如何去做。例如:希望提高產品質量,又不知如何去提高。

        物理沖突是指為了實現某種功能,一個子系統或元件應具有一種特性,但同時出現了與該特性相反的特性。例如:飛機的機翼應有大的面以便起飛和降落,但大的面積又影響了飛機的飛行速度。

        技術沖突是指一個作用同時導致有用和有害兩種結果,也可以只有用作用的引入或者有害作用的消除導致一個或幾個子系統或整個系統功能變壞。例如,要加強桌子的強度就要用厚的板材,但厚板材又增加了桌子的重量。

        1.2 沖突的確定

        在解決沖突問題時,要將管理沖突轉化成為物理沖突或者技術沖突。

        相對于技術沖突,物理沖突是更加尖銳的沖突,對物理沖突的可以在對問題進行深入分析的基礎上確定,也可以對已有的技術沖突進行進一步分析來確定。

        對技術沖突的確定可以采用經驗法,即針對具體問題,由設計人員根據經驗對沖突提出的文字描述。物質——場分析可以作為技術沖突確定的另一種方法,它是TRIZ理論進行技術沖突確定的工具。這一工具是基于AltShuller 對功能進行研究所提出的物質——場符號系統。

        概念設計階段要進行產品的功能分析并提出原理解,因此對功能的描述是關鍵問題之一。AltShuller通過對功能的分析,發現了如下三條定律:

       1)所有功能都可分解為三個基本元件。

       21個存在的功能必定由3個基本元件構成。

       3)將3各相互作用的基本元件有機的組合將產生一個功能。

        組成功能的3個基本元件分別為兩種物質及一種場。這3個基本元件可用符號系統來描述,構成功能的基本圖形描述。

        ZinovyTerninko等人有對這一符號系統進行了發展,這里對發展了的符號系統的一部分進行介紹。

      Ftype 場的類型。常用的類型為:

       Me——機械

        Th——

        Ch——化學

        E——

        M——

        G——重力

        依據這套符號系統,我們可以建立系統功能模型,區分有用功能和有害功能,并進一步找到導致有用和有害功能的參數,確定技術沖突。

        2、沖突地解決原理

        針對設計過程中不同的沖突類型,采用不同的解決原理。對于技術沖突,采用發明原理;對于物理沖突,采用分離原理。

        2.1 發明原理

        AltShuller在總結2500000條專利的基礎上,總結了40條發明原理[2],這些原理對指導工程設計人員的發明創造具有重要的作用。

        設計過程中,可以通過檢索沖突矩陣,找到問題相應的求解原理。沖突矩陣[3]是一個40*40的矩陣,其中第一行或者第一列是按順序排列的39個描述工程參數的序號,除第一行和第一列外,其它3939列形成一個矩陣,行與列的交叉點的數字為原理的序號。沖突矩陣中行參數代表沖突中惡化的一方,列參數代表要改善的一方。

         操作過程中,可把上述沖突解決原理具體化為12個步驟:

        1)定義待設計系統的名稱

        2)確定待設計系統的主要功能

        3)列出待設計系統的關鍵子系統合各種輔助功能

        4)對待設計系統的操作進行描述

        5)確定待設計系統應改善的特性、應該消除的特性

        6)將涉及到的參數按標準工程參數(39參數)重新描述

        7)對技術沖突進行描述:如果某一工程參數要得到改善,將導致哪些參數惡化

        8)對技術沖突進行另一種描述:如果降低參數惡化的程度,要改善參數將被削弱,或另一惡化參數將被加強

        9)在沖突矩陣中有沖突雙方確定相應的矩陣元素

        10)由上述元素確定可用發明原理

        11)將所確定的原理應用于設計者的問題

        12)找到、評價并完善概念設計及后續設計

        2.2 分離原理

        物理沖突是TRIZ要研究解決的關鍵問題之一。TRIZ理論中,解決物理沖突使用分離原理。分離原理可分為:

        1)空間分離 將沖突雙方在不同的空間分離,以降低解決問題的難度。

        2)時間分離 將沖突雙方在不同的時間段分離,以降低解決問題的難度。

        3)基于條件的分離 將沖突雙方在不同的條件下分離,以降低解決問題的難度。

        4)整體與部分的分離 將沖突雙方在不同的層次分離,以降低解決問題的難度。

        3、設計實例

        汽車安全氣囊是為了最大限度的保護駕駛員和前排乘客。但是,調查發現安全氣囊每保護20個人,就有1個人不能受保護而死亡。

        因此,我們的設計任務是提高安全氣囊的安全效率。這是一個管理矛盾,即當前氣囊的安全效率不高,想要提高安全效率但不知怎樣做。

        對管理問題進行分析后,可將其轉為技術沖突。造成這一結果的原因是:目前的氣囊只保護了身高的司機和乘客,對身材矮小的司機和乘客可能起傷害作用。進一步分析可知,氣囊在完全膨脹后由于表層的彈性可以對前排司機和客戶起到保護作用,但氣囊在膨脹過程中,像一個剛體,很容易碰到身材矮小(離方向盤近)的司機和乘客,而使他們受傷。

        這樣,我們可以對系統的沖突重新定義:

        系統名稱:安全氣囊

        系統主要功能:保護前排的司機和乘客。

        對系統描述:對身材矮小的司機和乘客,氣囊膨脹時會撞上他們,如果降低膨脹速度,則可降低膨脹時的功率,減小傷害。但如果降低速度,還有可能在其還沒有膨脹起來的時候,所有司機與乘客身體前傾,撞到方向盤(擋風玻璃上)造成傷害。

        設計中應改善的特性:減小膨脹時的功率,消除乘客撞到方向盤(擋風玻璃上)的風險。

        因此,在39個工程參數中選擇No.15運動物體的時間,和No.31物體產生有害因素作為設計參數。查沖突矩陣得 21,39,16,22幾條原理。

        根據上述原理,得到解決方案如下:

        No.21 緊急行動 加快而不是減小氣囊膨脹速度,當氣囊完全膨脹后,才會出現乘客與之碰撞的可能

        No.39  惰性環境采用某種物質軟化氣囊表面,就可以保護乘客

        No.16  未達到或超過的作用 氣囊體積減小,功率增加,使其快速膨脹,保護司機與乘客。

        No.22  變害為利增加氣體膨脹速度,當完全膨脹時車可才與之碰撞。

        至此,提出了系統概念設計的基本原理,找到了原理解。設計人員可在此基礎上,進一步進行后續設計。

       4結論

        產品概念設計的核心是確定待設計產品的新的、有市場競爭力的工作原理。在確定這一工作原理的過程中,必然存在著技術沖突或物理沖突。TRIZ發明問題解決原理為解決技術沖突和物理沖突提供了相應的解決原理和解決工具。利用物質——場分析、發明原理、分離原理等可有效地解決概念設計中的問題。

    5、 參考文獻

       [1] 檀潤華,馬建紅等。產品設計中的物質——場分析[J]。工程設計,2001No.4207-210免責聲明:本號發布圖文一切為分享交流,傳播正能量!源自網絡的部分,其版權歸原作者及網站所有,有疑問敬請告訴我們,定將妥善處理。

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