（管理科学与工程专业论文）基于triz与其它设计方法集成的产品设计方法及应用.pdf

中国科学技术犬学2 0 0 2 级硕 论文 基于丁r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法及应用 摘要 随着竞争的加剧，新产品丌发越来越成为企业求得生存取得成功的藿要手 段。在产品设计过程中，为了消除一般设计方法的缺陷以满足产品设计目标，本 文结合了t r i z 与其他设计工具的优点，分别研究了t r i z ( t h e o r yo fi n v e n t i v e p r o b l e ms o l v i n g ，创造性解决问题理论) 与q f d ( q u a l i t y f u n c t i o nd e p l o y m e n t ， 质量功能配置) 以及a d ( a x i o m a t i cd e s i g n ，公理设计) 的集成在产品设计过程 中的应用。 在第一部分，本文提出了一种基于q f d 与t r i z 三种技术工具综合的产品概 念设计方法。通过q f d 的质量屋分析确定需要改善的零部件；在对零部件进行 负相关分析的基础上，应用t r i z 技术工具提出解决一对质量特性负相关的方案； 然后通过多次循环的q f d 分析与t r j z 技术工具应用以预测可能产生的二层问 题并降低其负面影响，进而形成有效的产品概念设计方案。某全自动洗衣机的研 究实例验证了方法的有效性和实用性。 在第二部分，文章研究了基于t z 技术工具解耦的产品设计方法。该方法 以a d 的产品设计过程中某个设计层次为分析基础，通过t r i z 技术预测确定产 品的技术演化模式和演化路线，应用物质一场分析和功能分析确定产品设计参 数，通过矛盾分析解决产品设计中的耦合设计问题，并通过独立性公理评价设计 的可行性；并通过研究实例验证了方法的有效性。 在第三部分，研究了基于f a ( f u n c t i o na n a l y s i s ，功能分析) 与t r l z 软件 工具的产品改善方法。通过功能分析形成产品的功能树和零部件树，在质量屋分 析的基础上确定待改善的零部件集并通过判定规则选择需要改善的零部件，然后 应用t r i z 软件工具从减轻质量特性负相关、物质一场、效应知识库三方面对零部 件进行分析，辅助设计者产生零部件技术创新概念，通过多次循环以有效的形成 产品改善方案。 最后对全文进行了总结，并指出了一些有待于进一步研究的问题和方向。 关键词：创造性解决问题理论；质量功能配置：公理设计：产品设计 l u 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文 基于t r i z 与它设计方法集成的产品设计方法及应用 a b s t r a e t w i t ht h eb u s i n e s s c o m p e t i t i o nf i e r c e n e s s ，n e wp r o d u c td e v e l o p m e n t ( n p d ) g r a d u a l l yb e c o m e si m p o r t a n tr o l ef o rs u c c e s s i no r d e rt ot u r n i n ga w a y l i m i t a t i o n so f g e n e r a ld e s i g n m e t h o da n da c h i e v e m e n td e s i g n g o a ld u r i n gt h ep r o d u c td e s i g n p r o c e s s ，t h i sp a p e ra n a l y z e da v a i l a b i l i t y a b o u tt r i za n do t h e rd e s i g nt o o l sa n d s t u d i e dp r o d u c td e s i g np r o c e s sw h i c hi n t e g r a t e st r i za n do t h e rd e s i g nt o o l s ，s u c ha s q f d ，a d i nt h ef i r s tp a r t ，an e wm e t h o do f c o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sb a s e do nq f d a n d t h r e et e c h n i c a lt o o l so ft r i zi s p u tf o r w a r d t h em e c h a n i s mt h a t m o s tr e q u i r e s t e c h n i c a li n n o v a t i o ni ss p e c i f i e df r o ma na n a l y s i so fh o q f i r s t l y ，t h e nt h em e c h a n i s m i s a n a l y z e db yt r i zt e c h n i c a l t o o l sa n ds o m ep o s s i b l es u b p r o b l e m sw o u l db e f o r e c a s t e da f t e ra na n a l y s i so ft h en e g a t i v ec o r r e l a t i o nr e l a t i o n s h i p t h ep r o j e c to f c o n c e p t u a ld e s i g n i sf o r m e da f t e rf u r t h e r a n a l y s i s o ft h e n e g a t i v e c o r r e l a t i o n r e l a t i o n s h i pa n ds o m el o o pw h i c h s o l v e st h en e g a t i v ee f f e c t sc a u s i n gb ys u b - p r o b l e m f i n a l l y , t h ep r a c t i c a l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h em o d e la r ed e m o n s t r a t e db yac a s eo f f u l l ya u t o m a t i cw a s h i n g m a c h i n e i nt h es e c o n dp a r t ，am e t h o do fp r o d u c tc o n c e p t u a ld e s i g np r o c e s sb a s e do n d e c o u p l i n g o f c o u p l e dd e s i g nb yt r i z t e c h n i c a lt o o l si sp r e s e n t e d i nt h eb a s i so ft h e c e r t a i nl e v e lo fd e s i g nh i e r a r c h yi na d ，t h et e c h n o l o g ye v o l u t i o np a u e r na n dl i n eo f p r o d u c ti sp r e s e n t e db yt r i zt e c h n o l o g yf o r e c a s t i n gf i r s t l y , t h e nd e s i g np a r a m e t e r i s e s t a b l i s h e db ys u b s t a n c e - f i e l d a n a l y s i s a n df u n c t i o n a n a l y s i s a n dd e c o x 】p l i n go f c o u p l e dd e s i g ni ss o l v e db yc o n t r a d i c t i o na n a l y s i s ，t h ed e s i g nf e a s i b i l i t yi se v a l u a t e d b yt h ei n d e p e n d e n c ea x i o mb e f o r ef o r m i n gt h ep r o d u c td e s i g np r o j e c t f i n a l l y ，t h e p r a c t i c a l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h e m e t h o da r ed e m o n s t r a t e db yac a s eo f p a p e ri s o l a t i o n m e c h a n i s mi nt h ea u t o m a t i ct e l l e rm a c h i n e i nt h et h i r d p a r t ，am e t h o do fp r o d u c ti n n o v a t i o n b a s e do nf aa n dt r i z s o f t w a r et o o li s b r o u g h tf o r w a r d f u n c t i o n a n dm e c h a n i s mt r e e so fp r o d u c ta r e p r o d u c e db y f u n c t i o n a n a l y s i sf i r s t l y , t h e n m e c h a n i s ms e tw h i c hi n c l u d e ss o m e m e c h a n i s m sn e e dt e c h n i c a li n n o v a t i o ni sf o r m e db yh o qm a t r i xa n dt h em e c h a n i s m ! 里型兰垫查查兰! 塑! 堡望羔笙奎 墨主! 垦! ! 兰基! 釜! 生查i 墅! 壁塑兰墨兰望查茎生! ! ! 旦 w h i c hm o s tr e q u i r e si n n o v a t i o n i s s p e c i f i e db yd e t e r m i n a n t r u l e t h em e c h a n i s m i n n o v a t i o n c o n c e p t i sb r o u g h tb ya n a l y s i so ft r i z s o f t w a r et o o lw h i c hi n c l u d e st h r e e m a j o r f u n c t i o n s ：t r i zi n v e n t i v ep r i n c i p l ei n t e r p r e t a t i o n ，s u b f i e l dm o d e le x p l o r a t i o n b ym a n ya p p l i c a t i o n c a s e sa n de f f e c t k n o w l e d g eb a s e t h ep r o j e c t o fp r o d u c t i n n o v a t i o ni sf o r m e da f t e rs o m el o o pw h i c ha c h i e v e sp r o d u c tt a r g e tf u n c t i o n f i n a l l y ，t h ef u l l t e x ti s g e n e r a l i z e d a n ds o m ef u r t h e rr e s e a r c hp r o b l e m sa r e p o i n t e d o u t k e y w o r d s ：t r i z ( t h e o r y d e p l o y m e n t ) ； o fi n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ) ；q f d ( q u a l i t yf u n c t i o n a d ( a x i o m a t i cd e s i g n ) ；p r o d u c td e s i g n 、， 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法及应用 序言 进入2 0 世纪9 0 年代以来，由于科学技术不断进步和经济的不断发展、全球 化信息网络和全球化市场形成及技术变革的加速，围绕新产品的市场竞争也日趋 激烈。技术进步和需求多样化使得产品寿命周期不断缩短，企业面i | 缶着提高产品 质量，降低成本和改进服务的压力。所有这些都要求企业能对不断变化的市场做 出快速反应，源源不断的开发出满足用户需求的产品去占领市场以赢得竞争，市 场竞争也围绕新产品的竞争而展开，到了2 1 世纪，企业面临的环境更为严峻。 产品设计是新产品开发过程中最富有创造性的工作，并且新产品的设计决定 了产品的工作原理、零部件设计、结构形状、材料选用、加工方法等属性，对新 产品开发的周期和成本都具有重大的意义。但长期以来，基于设计者的经验设计 无论在保证设计质量还是在设计周期方面都不能满足市场竞争的需要，因此围绕 着设计中的技术创新、缩短设计周期开展了现代设计方法的研究【2 】。这些研究主 要着重以下两方面：一方面是对设计方法和过程的研究，其目的在于揭示设计过 程的内在规律，寻求完成设计过程所需要的一般方法和途径；另一方面是对具体 技术的研究，其目的是为了解决产品设计中的技术问题提供具体的实现方案。 在设计方法的研究方面，p a u l 和b e i t z 最早对产品设计过程进行了系统化的 研究，把新产品开发的产品设计过程分为问题分析、概念设计、技术设计和详细 设计等四个阶段”。文献【5 】将产品设计过程划分为产品规划、方案设计、详细 设计和改进设计等四个阶段；指出产品的开发设计由规划开始，即确定顾客需求， 经过明确任务、确定功能结果、寻找原理解、建立模块结构、进行总体设计、详 细设计及编制使用说明等步骤，完成了产品的整个开发设计1 作，为下游的零部 件配置、加工制造过程提供详细的产品设计文档。 随着研究的深入，产品设计过程中技术问题的解决已成为新产品开发的关 键。t p d z 作为系统创新的科学，它通过定义机械设计中的矛盾，并通过矛盾矩 阵和创新原理对矛盾进行创造性的解决，而不是传统意义上的技术折衷 ( t r a d e o f f ) 来实现技术创新6 l 【7 】。 在上述特点和背景之下，本文对t r i z 与其它设计方法的集成l 做了深入研 究，提出了新的产品概念设计及产品设计的方法。 v l 中国科学技术人学2 0 0 2 级硕十论文基于t r l z 与其它设计方法集成的产品设计方法及应用 1 1 产品设计简述 1 1 ，1产品设计的概念 第一章绪论 设计是人类的一个有目的的行为，涉及的基本目标是产生有使用价值的人造 物。产品设计是一种建立在知识和经验基础上的创造性活动，产品设计的目标是 寻求一神满足顾客需求的最佳方案，这是一个复杂的思维过程。现在，产品设计 已经可以看作是企业的市场行为。产品设计可以看作为企业为赢得市场竞争谋求 生存发展、获取高额利润目标而有组织地进行定义产品的过程【虬。其表达式如下： g = c ( p )( 1 1 ) 其中：g 产品设计的目标( g o a l ) p _ 一表示产品设计过程( p r o d u c t d e s i g n p r o c e s s ) c 对p 过程的控制、约束( c o n t r o l ，c o n s t r a i n ) 产品设计过程的一般描述如图1 1 所示。 图1 1 产品设计的一般形式 产品设计的基本表达式就包括了对产品设计中的各种构成要素( g 、c 、p 、 r 、m ) 与各构成基本要素互相关系的定义与分析，如静态结构分析与动态结构 分析的行为分析。产品设计理论将着重研究设计过程运行收敛与目标g 满意解 的规则与方法。 中国科学技术人学2 0 0 2 级硕士论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法及应用 产品设计是一项复杂的工作，从人们对设计本身的理解和定义来看，有如下 的论述和定义： ( 1 ) 设计是一个过程，在此过程中把可确定的设计任务书转化为技术系统 的具体表述。 ( 2 ) 设计是一个寻找使所有相互矛盾的因素和关系在一个多维状态下协调 起来的过程。 ( 3 ) 所谓设计就是一连串的决策，给定某个目标，明确实现这个目标的手 段，一般就是设计。 ( 4 ) 设计是在有限的时空范围内，在特定的物质条件下，人们为了满足 定的需求而进行的种创造性思维活动的实践过程。 从上述有关设计的各种论述，可以看出产品的设计具有创造性、复杂性、不 确定性等特性，这些特性在设计的初期阶段表现得最为明显。 1 1 2产品设计过程 产品设计过程即是将产品市场需求影射成产品功能要求，并将功能转化成能 实现该功能的产品工程结构的过程，是从需求出发，寻求产品解的过程。 在2 0 世纪6 0 年代初，对设计活动的研究将设计过程划分为方案设计、技术 设计、工艺设计三个阶段。产品设计不再是依靠经验和灵感的刨造艺术，而逐渐 演变成一门科学，以知识为依托，以科学方法为手段的工程创新活动。2 0 世纪 7 0 年代，德国学者p a u l 和b e i t z 提出了具有代表性、权威性和系统性的产品设 计方法学，并将产品工程设计分为4 个阶段：问题分析过程、概念设计过程、技 术设计过程和详细设计过程四个阶段。 m i t 的s u b ( 1 9 9 0 ) 提出了公理设计理论，认为设计过程是个在客观约束 条件下，实现设计目标的开发和选择过程，并将设计过程的设计问题分为4 个域。 通常概括为：用户域、功能域、物理域和工艺域【9 1 。产品开发的设计过程就是在 满足一定的约束条件下，实现设计目标的开发和选择过程。 近些年来，产品设计又引入了系统科学、信息科学理论和方法，更广泛地借 助现代数学方法和计算技术。文献 8 将产品设计过程分为三个阶段：需求分析 阶段或需求设计，概念设计过程，总体装配过程或详细设计过程，并相应产生三 2 中国科学技术大学2 0 0 2 级碗十论文 基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设汁方法及应用 个阶段性成果：需求规格晚明，概念产品方案和工程图及技术文档，如图l 一2 所 示。 q 1q 2q 需求分析过程n ： _l l ：概念设计阶段岛： ： i 1 j l ：详细设计阶段玛： i l - - 一 需求规格说明概念产品方案工程图与技术文档 图1 ，2 产品设计过程模型 图中的三个过程p ，p 2 ，p j 既有顺序上的逻辑性，又有相互之间的重叠性， 从宏观上看，可以表现为一种并行设计的模式。其中需求分析提供了产品概念设 计的技术部分，也可以把需求分析看作是概念设计的一个组成部分。 1 1 3产品设计的基本目标 产品设计是为人类的使用而进行的设计，设计的产品是为了满足顾客的需求 而存在的，是为人所服务的。产品设计必须满足以下的基本目标： ( 1 ) 功能性目标即设计的产品应该能满足顾客需求，适宜于顾客的使用。 这也是新产品存在的最基本依据。新产品的功能应该比现有产品有更丰富的内 涵，这些新的内涵不仅体现在新产品的物理功能上，而且更要体现在生理功能、 心理功能和社会功能等方面。 ( 2 ) 刨新性目标即产品设计应体现出新产品的独创性。无论是全新产品 设计，还是改进的新产品设计，都要求对现有产品中存在的问题进行技术创新， 从而形成创造性解决方案，而不是折衷方案。因此，产品设计必须是创造出更独 特的功能以满足顾客需求。 ( 3 ) 经济性目标产品设计应该在满足顾客需求的基础上，研究产品构造 的简单化，减少不必要的劳动，以及增长产品使用寿命，尽量降低企业的生产成 本和用户的使用费用，做到价廉物美。这样既能满足顾客需求，又能创造企业效 益。 ( 4 ) 适应性目标新产品总是特定的使用者在特定的环境中使用的，因此 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文基于t r i z 与其它吐汁方法集成的产品没计方法及应用 产品设计应考虑新产品与使用者、时间及地点之间的关系。新产品必须适应这些 由使用者、时间、地点和社会等因素构成的使用环境的要求。 ( 5 ) 其他目标产品设计还应满足顾客审美的要求、环保目标以及社会伦 理、专利保护、安全性和标准化等方面的目标。 总之，产品设计是一个满足顾客需求的求解过程，也是一个寻求一种满足顾 客需求的最佳方案的思维过程。为了满足产品设计的目标，产品设计的各种方法 也相应的应运而生。 1 2 产品设计的一般设计方法 1 2 1产品设计的一般方法概述 产品设计的一般方法是人们在产品设计活动中总结出来的具有一般指导意 义的理论。随着人们对产品质量以及产品性能要求的提高，q f d 被广泛的应用 到产品设计中来，并已成为般的设计方法。通过q f d 的质量屋分析将顾客需 求有效的反应到产品的质量特性中，并通过质量屋之间的转换，最终反映到零部 件配置以及生产制造过程。实质上q f d 是听取顾客呼声的系统化的方法，使产 品设计的功能性目标和经济性目标得到了有效的体现。 为了增加产品设计过程中的理性，a d 理论为产品开发中的设计问题提供了 完整的理论框架，使得产品设计这在特定的设计层次上能快速的理解设计目标并 选择实现目标的设计方法。同时，两条设计公理为评价设计方案的可行性提供了 决策标准，使得产品设计方案满足了独立性和经济性要求，并使产品开发过程的 设计活动建立在一个理性的基础上。 随着质量管理观的研究深入，田口方法采用了三次设计的思想来加强产品设 计过程中设计质量，使得新产品的性能、质量都有很大的改善。在系统设计，参 数设计和容差设计的三次设计中，田口方法更注重于参数设计，即通过选择系统 中所有参数的最佳水平组合，从而尽量减少各种干扰的影响，使设计的产品质量 达到目标值，并使得产品性能稳健可靠，抗干扰能力强。 随着并行设计的研究深入，面向装配的设计d f a ( d e s i g nf o r a s s e m b l y ) 以 及面向制造的设计d f m ( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r i n g ) 等设计方法相继产生，其实 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法及应用 质就是在产品设计的最初阶段对产品的装配过程和制造过程进行量化分析，改善 装配以及制造过程的性能，提高装配和制造效率并使其向自动化装配过渡。从本 质上，d f a 以及d f m 是在设计阶段就解决装配和制造过程所存在问题的一种设 计方法。 伴随着信息技术和系统科学的引入，基于信息技术的计算机辅助设计以及计 算机辅助工艺设计相应而生。这些设计方法从设计流程方面有效的指导了设计者 从事设计活动，使得产品设计活动能在设计规律指导下顺利进行。 1 2 2产品设计过程一般设计方法的缺陷 产品设计过程中的设计方法从设计流程方面有效的指导了设计者从事设计 活动，使得产品设计活动能在设计规律指导下顺利进行。但是作为产品设计的 般方法，都存在着共同的缺陷，表现如下： ( 1 ) 一般设计方法并不针对于技术创新，也就不能对产品设计过程中出现 的技术问题进行分析，并提供有效的解决方案。如q f d ，它从顾客满意的角度 识别出产品需要改进的质量特性以及质量特性间矛盾，但是q f d 并不能清楚地 描述为了解决这些技术矛盾而采取哪些技术措施进行技术创新。同样，a d 虽然 为产品设计提供了一个理性的流程，但是a d 仍不能为耦合设计的解耦问题提供 有效的方法。 ( 2 ) 一般设计方法难以摆脱设计者设计经验和创造力的限制。设计方法只 是对设计实践的总结而形成一般的理论和规律并指导具体的设计活动，但在具体 的设计活动中，这些设计方法并不能有效地解决设计过程中的具体问题，仍然要 依靠设计者的经验和创造力去解决这些技术问题，从而使得设计质量和设计效率 受到设计者的经验的限制。 ( 3 ) 各种设计方法只是针对单个方面考虑新产品的设计，难以保证产品设 计的目标得到有效的实现。一般的设计方法一般只是从某个角度考虑产品设计过 程的优化，如d f a 以及d f m ，均是为了基于产品装配以及产品制造等方面考虑 产品的初步设计，虽然降低了产品制造成本，却忽略了产品满足顾客需求的功能 性目标；对于田口设计等设计方法都存在同样的问题。 为了保证产品设计目标的实现，需要将一般的设计方法与其他的技术工具进 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法技应用 行集成，使得产品设计活动在设计规律的指导下，运用相关的技术工具对技术问 题进行创造性的解决以满足顾客需求，丽并非是折衷设计。 1 - 3 产品设计过程t r i z 与其他设计方法集成的研究思路 1 3 1t r l z 与其它设计方法集成的必要性 t r i z 是关于系统创新的科学，它通过定义机械设计中的两类矛盾，并通过 矛盾矩阵和创新原理对这两种矛盾进行刨造性的解决，而不是传统意义上的技术 折衷( t r a d e o f f ) 来实现技术创新。同时t r i z 的效应分析、物质一场分析为产 品设计过程中设计参数的制定都提供了理论依据，使得产品设计活动摆脱了设计 者的经验限制。因此，从技术刨新的角度，t r i z 技术工具能有效的将产品设计 过程中的技术问题抽象为矛盾，并通过创新原理对这些矛盾进行创造性的解决， 从而实现技术创新使得产品设计过程得以完成。 t r i z 虽然能有效地解决矛盾，但t r i z 并不能对产品设计过程中的技术问题 进行定义，更不能有效地辨别矛盾。在新产品开发过程中，t r i z 并不是具体的 设计方法和理论，只是解决设计过程中技术问题的工具，以辅助产品设计者完成 产品设计。然而相关的设计方法并不针对技术创新，而t r i z 却能有效地对一般 设计方法所辨别的技术问题抽象为矛盾并创造性地解决来实现技术创新而实现 产品概念设计。因此如何有效地辨别矛盾并创造性的解决矛盾也是新产品开发过 程中的关键所在。 1 3 2产品设计过程中t r i z 与其他设计方法集成的研究方法 任何理论的刨新，首先是需要方法的创新。在产品设计过程中，考虑t r i z 技术工具与其它设计方法集成的方法上，主要从两个方面进行深入研究。 一方面，利用一般的设计方法的优点来辨别产品设计过程中的技术问题，并 有效地定义为矛盾。在求解满足顾客需求的产品设计方案过程中，一般设计方法 的分析工具总能有效的辨别出设计过程中的技术性问题，如q f d 的分析工具质 量屋，能将顾客需求转换为产品设计的质量特性，当质量特性存在负相关时，如 何减少负相关的质量特性之间的影响即位产品设计过程中的技术问题。同样，在 6 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕一【：论文基于t k i z 与其它设计方法集成的产品设计方法及斑用 a d 中，耦合设计的出现也表明了产品设计参数之间存在技术性问题。因此，通 过一般的设计方法总能有效的定义产品设计过程中待创新的技术闯题。 另一方面，通过t r i z 技术工具创造性地解决产品设计过程中的技术问题， 实现系统刨新。t i l i z 的矛盾分析法能将产品设计过程中的技术问题有效的定义 为矛盾( 技术矛盾或物理矛盾) ，并通过创新原理和分离原理对这些矛盾进行创 造性地解决而并非折衷设计来实现创新，完成产品发计。 1 3 3本文的研究内容 按照上述的研究方法，本文的第四章、第五章和第六章分别研究了t r i z 与 q f d 以及t r i z 与a d 的集成，分别通过q f d 及a d 的相关分析工具辨别产品 设计过程中的技术问题，并通过t r i z 技术工具将技术问题抽象为矛盾并进行创 造性地解决来实现系统创新，形成产品设计方案。 本文第四章研究了同时考虑t r i z 三种技术工具作用于零部件可能产生的各 种负面影响，并提出了基于q f d 与t r i z 三种技术工具集成的产品概念设计模 型。通过q f d 的质量屋分析确定需要改善的零部件；在对零部件进彳亍负相关分 析的基础上，应用t 心z 技术工具提出解决一对质量特性负相关的方案；然后通 过多次循环的q f d 分析与t r i z 技术工具应用以预测可能产生的二层问题并降 低其负面影响，进而形成有效的产品概念设计方案。这种方法的主要优点表现在： ( 1 ) 改善了传统方法的二层效应的负面影响，改善了设计拖成，提高了设计质 量；( 2 ) 方法流程具有一般性，减少了设计周期；( 3 ) t r l z 技术工具的集成和 相关软件的应用使概念设计过程更系统化，实现了设计创新。 文章第五章提出了基于t r i z 技术工具解耦的产品概念设计方法，该方法以 a d 的产品设计过程中某个设计层次为分析基础，通过t r i z 技术预测确定产品 的技术演化模式和演化路线，应用物质一场分析和功能分析确定产品设计参数， 通过矛盾分析解决产品设计中的耦合设计问题，并通过独立性公理评价设计的可 行性。该方法比传统解耦方法的优越性体现在如下：( 1 ) 避免了传统解耦方法的 反复设计和重复试验，缩短了产品设计周期；( 2 ) 打破了传统的解耦方法非耦合 设计的折衷方案，实现了设计创新：( 3 ) 信息公理的最小信息要求减少产品设计 过程中的信息量，降低了产品开发成本。 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设汁方法零应用 第六章是在第三章的研究基础上，引入了功能分析，研究了基于f a 与t r i z 软件工具的产品改善方法。通过功能分析形成产品的功能树和零部件树，在质量 屋分析的基础上确定待改善的零部件集并通过判定规则选择需要改善的零部件， 然后应用t r i z 软件工具从减轻质量特性负相关、物质一场、效应知识库三方词 对零部件进行分析，辅助设计者产生零部件技术创新概念，通过多次循环以有效 的形成产品改善方案。 最后一部分，第七章是全文的总结与研究展望。在此章，对整篇论文所采用 的方法内容和主要结论进行了归纳，全面总结阐述了文章的创新之处，并在此基 础上指出了今后可以继续深入研究的方向与要点。 中国科学技术人学2 0 0 2 级硕士论文 基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设汁方法及应用 第二章与本文研究相关的理论简介 文章研究了t r i z 与其它设计方法的集成，以及在产品设计过程中的应用， 在此涉及到创造性解决问题的理论、质量功能配置和公理设计理论的知识，下面 针对文章中涉及到的设计方法和理论进行简要阐述。 2 1 创造性解决问题的理论( t r i z ) 简介 2 1 1创造性解决问题理论概述 t r i z 是俄语创造性解决问题的理论的缩写，该理论是前苏联gsa l t s h u l e r ( 阿尔舒勒) 及其领导的一批研究人员，为了研究人类进行发明创造，解决技术 问题过程中所遵循的科学原理和法则，从1 9 4 6 年开始，花费1 5 0 0 个人年的时间， 在分析研究世界各国2 5 0 万件专利的基础上，所提出的创造性解决问题的理论 u 0 o 在东西方冷战时代，t r i z 的研究一直被作为原苏联的国家机密，西方国家 知之甚少。苏联解体后，大批t r i z 研究这移居美国等西方国家，t r l z 的研究 与实践得以迅速普及和发展。之后，很多企业都开发了相应的软件使得更容易理 解和应用。如i n v e n t i o nm a c h i n e 公司的t e c h o p t i m i z e r t m ：i d e a t i o ni n t e r n a t i o n a l 公司的i n n o v a t i o nw o r k b e n c h 7 ”；i n s y t e c 公司的t r i z e x p l o r e r 7 m 都是t r i z 理论 在实际应用中的软件。 据b o r i sz l o t i n 统计l l i i , t r i z 理论已经在2 5 个国家的3 5 所大学传授，并有 几百个网站在传播t r i z 理论。据k o w a l i c k 统计【1 2 】，美国已经有1 0 0 多家公司 已经应用t r i z 解决问题。t r i z 的应用在韩国的s a m s t m g 公司和美国的u n i t e d t e c h n o l o g y 公司都取得了很好的效果。 gsa l t s h u l e r 认为发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理不仅能被确 认，也能被整理而形成一种理论，掌握该理论的人不仅提高发明的成功率、缩短 发明的周期，也使发明问题具有可预见性。t r i z 的基本原理是技术系统的进化 遵循客观的法则群，其基本原理的形成基于以下观点【1 4 】： ( 1 ) 任何领域、范围的产品都遵循普遍的法则丽进步，由此可以预测已有 产品和制造过程未来的发展方向。 中国科学技术火学2 0 0 2 绒碗上论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品殴计方法及应用 ( 2 ) 产品所面临的中心课题是不断解决已经过时的产品和市场要求之间的 矛盾。发明并刨造性地解决问题，意味着彻底消除产品内包含的矛盾，而不是用 妥协的方式( t r a d e o f f ) 解决问题。 ( 3 ) 用创造性方法解决产品内在矛盾所使用原理的数量是有限的，但这些 原理具有普遍性。 ( 4 ) 在探索技术问题解决对策时，经常用到只有特定领域的技术人员才掌握 的科学原理和法则。这些科学原理和法则的有效运用需要建立其与具体技术所能 实现机能之间的对应关系。例如，对于“处理固体表面”这样一个技术要求，“电 晕放电”就是与之相对应的科学原理和法则。 在解决技术问题时，如果不明确应该使用哪些科学原理法则，则很难找到问 题的解决对策。t r i z 就是提供解决问题的科学原理，并指明解决问题对策的探 索方向的有效工具。 2 1 2t r i z 分析问题的一般流程 有多种方法可用于t r i z 技术工具及方法的描述，流程图是可用方法之一， 如图2 一l 所示。该图不仅描述了各种工具之间的关系，也描述了产品创新中的问 题。应用t r i z 的第一步是对给定的问题进行分析；如果发现存在矛盾，则应用 原理去解决；如果问题明确，但不知道如何解决，则应用效应去解决；第三种选 择是对待创新的技术系统进行进化过程的预测。之后是评价。最后是实现。该过 程可采用传统手工方法实现，也可采用计算机软件辅助实现。 1 ) 分析分析包括产品的功能分析、理想解( i f r ，i d e a lf i n a lr e s u l t ) 的确定、 可用资源分析和冲突区域的确定。分析是解决问题的一个重要阶段。 功能分析的目的是从完成功能的角度，而不是从技术的角度分析系统、子系 统、部件。该过程包括裁剪( t r i m m i n g ) ，即研究每一个功能是否必需，如果必需， 系统中的其它元件是否可完成其功能。设计中的重要突破、成本或复杂程度的显 著降低，往往是功能分析及裁剪的结果。理想解是采用与技术及实现无关的语言 对需要创新的原因进行描述，创新的重要进展往往在该阶段对问题深入的理解所 取得。确认哪些使系统不能处于理想化的元件是使创新成功的关键。设计过程中 从一起点向理想解过渡的过程称为理想化过程。 1 0 ! 望型兰丝查茎兰! ! 塑堡堕：兰堡墨兰! ! 圣兰壅兰丝生查些塞生塑兰曼堡! 塑生丝竺旦 可用资源分析是要确定可用物品、能源、信息及功能等。这些可用资源与系 统中的某些元件组合将改善系统的性能。冲突区域的确定是要理解出现冲突的区 域。区域既可指时间，又可指空问。假如在分析阶段问题的解已经找到，可以移 到实现阶段。假如问题的解没有找到，而该问题的解需要最大限度的创新，基于 知识的三种工具：原理、预测和效应等都可采用。在很多的t r i z 应用实例中， 三种工具要同时采用。图2 i 表明了采用三种工具的条件。 图2 1t r i z 流程图 2 ) 原理原理是获得矛盾解所应遵循的一般规律。对于技术矛盾和物理矛 盾，t r i z 引导设计者挑选能解决特定矛盾的原理，其前提是要接技术特性确定 矛盾。有3 9 个技术特性和4 0 条原理可供应用。 3 ) 预测t r i z 确定了8 种技术系统进化的模式。当模式确定后系统、子 系统及部件的设计应向高一级的方向发展；选择正确的技术演化路线来促进产品 设计。 4 ) 效应效应指应用本领域，特别是其它领域的有关定律解决设计中的问 题。如采用数学、化学、生物及电子等领域中的原理，解决机械设计中创新问题。 5 ) 评价该阶段将所求出的解与理想解进行比较，确信所作的改进不仅满足 了用户需求，而且推进了产品创新。t r i z 中的特性传递( f e a t u r et r a n s f e r ) 法可 用于将多个解进行组合，以改进系统的品质。 中国科学技术犬学2 0 0 2 级硕士论文摹于t r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法搜应用 2 2t r i z 主要技术工具及知识库 为了解决产品设计中的技术问题，实现系统创新，t r i z 研究人员通过长期 的分析研究，形成了解决技术问题的工具，主要有以下： 2 2 。1技术预测与技术系统演化模式 在理论上，技术预测有很多方法：d e l p h i 法；历史数据递推法；趋势线外推 法；形态学模型；假定构造法等。每种预测方法都有其优点和缺点；但是各种方 法都有共同的目标：即，预测科技突破的可能性，技术参数的变化趋势，技术替 代率，技术影响，以及市场增长率趋势；同时这些方法都没有给出实现这些技术 的途径。 技术系统的演化是t r i z 理论的三大原理之一，阿尔舒勒将时间为横轴，以 专利的生成率为纵轴，这样就形成了一条钟型曲线作为技术预测的分析工具 【7 i 【1 5 】。阿尔舒勒在分析了世晃上十几万个专利知识库后，总结出了8 种技术系统 的演化模式并将其作为t r i z 技术预测的理论基础。在此之后，不同的学者都以 不同的名称描述技术预测。如，f e y a n dr i v i n 称为“t r i z 有导向的技术演化”【1 6 】； z l o t i ne ta l 称为定向的演化”；s a v r a n s k ysd 称为“演化的技术”【1 8 。这些描述 都是技术预测在实际中的应用，其实质都大同小异。 技术系统的8 种演化模式主要描述如下： 1 ) 演化阶段 如图2 2 所示的s 型曲线，它表示了与技术性能演化和顾客需求有关的产品 塑 彝 螺 垛 图2 2s 曲线 1 2 时间 中国科学技术人学2 0 0 2 级硕斗。论文基于t r i z 与其它设计方法集成的产品设计方法及应用 随着时间的演化阶段。曲线上的6 个阶段分别如下： s 曲线表示了技术性能演化和顾客需求有关的产品随着时间的演化阶段。如 图2 2 所示，技术系统的生命周期一般都经过6 个阶段。即：孕育期，引入期， 幼年期，成长期，成熟期，衰退期。 第阶段：一个完备的技术系统还不存在，但具备了其形成的许多重要条件； 第二阶段：由于高水平的发明，新的系统产生了，但是发展还很缓慢； 第三阶段：社会开始认识到新的技术系统的价值； 第四阶段：有关原系统的资源开始结束： 第五阶段：下一代技术系统出现以代替原系统： 第六阶段：有关原系统的某些应用导致原系统与系统共存。 针对不同的阶段，有不同的技术管理策略。如保持当前的技术，对当前技术 的深入研究，或者是对新技术的研发以代替现有技术。 2 ) 子系统的不均匀发展 在一个复杂的技术系统，每个子系统都有各自的s 曲线。这种类型系统的发 展会出现技术矛盾和物理矛盾，它伴随着这些矛盾的解决而演化。最先达到极限 的子系统将要阻止整个系统的发展。如设计者关注于引擎的功率而不是关注改善 旧车的安全性。 3 ) 提高理想解 当实现了所有有用的功能的同时排除了所有的有害功能，即达到了理想解 i f r ( i d e a lf i n a lr e s u h ) 。但事实上在取得期望功能同时并不能排除所有有害功能： 这种理想的系统是不存在的。其表述如下： y b 1 = i r 孝再 ( 21 ) c + 一7 其中：，：产品的理想化水平 b ：产品的有效功能或带来的利益 c ：新产品的成本或费用 h ：产品的有害功能 中国科学技术大学2 0 0 2 级硕士论文基于t k l z 与其它殴计方法集成的产品设计方法及应用 4 ) 增加的动力系统和控制性 动力是一种机械类型，当机械力从僵硬系统传递到有弹性的胶合系统时就产 生了。经典的描述如早期的汽车由引擎的速度控制着；然后靠手动变速箱、自动 传输系统；最后又连续可变的传输系统。 5 ) 通过简化增加复杂性 系统增加了有用的功能时，就增加了系统的组成部件。从集成的角度，这些 功能必须保证具有最小的组成成分。现代的计算机组件由字处理器，电子制表软 件，数据库和其他一些程序构成。 6 ) 匹配的部分和不匹配的部分 组合装置最开始是按照综合设计由一些不协调的零件构成；这些零件可以按 照需求改变其特性。 7 ) 向微观层次转化并所使用场分析 不断的分离事物的状态，直到使用场分析而不是当作物质来分析。例如，切 削工具最初是一个钢锯，然后是流体切除，最后是激光