TRIZ理论四-物场分析与76个标准解.ppt

物场分析与76个标准解 技术系统与功能 技术系统存在的目的 功能功能实现的基础 物理 化学和几何现象如何实现技术系统的功能 合理设计或安排相应的物理 化学和几何现象 功能 的三要素 两种物质和一种场物质1 功能作用对象 客体 物质2 工具 主体 场 物质间的相互作用 什么是物场模型 物场模型 是由两个物质和一个场这样三个元素所构成的完全的 最小的技术系统 是一种用图形表达问题的符号语言来揭示系统的功能 描述任何技术系统中不同元素之间发生的不足的 有害的 过度的和不需要的各种相互作用 设计人员通过使用这些特定的符号来有序地进行解决发明问题的方法 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 物场建模的目的 物场建模是研究物场转化和发展的TRIZ工具 应用物场建模可以由模糊的发明情景进入到一系列的发明问题 发明问题是以技术系统元件成对之间的标准矛盾形式确定的 最基本的物场模型 最基本物场模型是将一个技术系统分成两个物质与一个场或一个物质与两个场 用一个三角形来表示每个系统所实现的功能 一个基本完整的测量物场模型必须是在它的输出端载有被测对象信息参数的输出场 最基本的物场模型 最基本的测量物场模型 S S1 S2 表示物质 通常物质S1是一种需要改变 加工 位移 发现 控制 实现等的 目标 对象 物质S2是实现必要作用的 工具 F F1 F2 表示场代表 能量 力 是实现两个物质间的相互作用 联系和影响的能量 在测量物场模型中 通常F1表示输入场 F2表示输出场 有关联的作用 有效不充分作用 定向有效作用 有害作用 S1 S2 SF SF SF cp Fmagnetic Fthemal Fmax S2modified Fcontrolled F magnetic S2 S2 S3 S2S3 Fnew Fnew modified S2 常用的物场模型及其含义 有效完整模型 实现功能的3个元素齐全 且有效实现功能不完整模型 实现功能的3个元素不全 可能缺场 也可能是缺少 工具 物质 标准解法 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 效应不足的完整模型 3个元素齐全 但功能未有效实现或实现得不足 标准解法 增加物质S3或增加另一个场F2来强化有用效应 S3可以是现成物质 或是S1 S2的变异 或是环境或是通过分解环境而获得的物质 效应有害的完整模型 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 标准解法 1 增加另一物质S3来阻止有害效应的产生2 增加另一个场F2来平衡产生有害效应的场 发明问题76个标准解的分类 第1类 建立或拆解物场模型 S1 1建立物场模型S1 2拆物场模型 S1 1 1完善物场模型S1 1 2内部合成物场模型S1 1 3外部合成物场模型S1 1 4利用环境中的资源S1 1 5改变系统的环境S1 1 6施加过渡物质S1 1 7传递最大化作用S1 1 8选择性最大化作用 S1 1建立物场模型 通过引入缺失的场或物质来建立完整的物场模型 S1 1 1完善物场模型 不完整 有效完整的物场模型 缺少工具和力 人们用锤子打钉 只有钉子 目标物质S1 不行 只有锤子 工具物质S2 也不行 有了钉子和锤子 没有人的手臂用力 机械场F 同样不行 只有当三个因素同时具备时才能完成打下钉子的任务 钉子 锤子 机械力 系统不能改变 但允许加入一种永久或临时的添加物帮助系统实现功能 可以在S1或者S2中引入一种内部添加物S3 作用不充分 没有作用力 S1 1 2内部合成物场模型 实例 穿着普通鞋子在冰面上行走 穿着普通鞋子在冰上行走的人 因得不到冰面足够的摩擦力 所以容易滑倒 解决办法 换上钉鞋 带钉的鞋子 实例 利用抗凝血剂防止血液凝固 实例 带双帽的钉子 在有些生产产品的加工过程中对产品钉下的钉子 待加工完成后必须取出 为此在加工过程中 钉帽必须与产品表面贴紧 以达到紧固产品的目的 但是当完工后 钉子帽又必须远离产品表面 以使起钉容易 并在起钉时不会对表面产生伤害 使用带两个钉帽的钉子 可以同时满足不同加工过程的要求 由于在两钉帽间有足够的空隙用于拔出钉子 下面的钉帽则可保持紧贴产品 加工产品 单帽钉 双帽钉 机械场 如果系统不能改变 但允许加入一种永久或临时的添加物帮助系统实现功能 可在S1或S2的外部引入一种永久或者临时的外部添加物S3 S3 S3 S1引入附加物 S2引入附加物 S1 1 3外部合成物场模型 实例 路标的涂层 提高路标对司机的可视性路标的明亮度对于汽车司机的安全行驶至关重要 在路标表面涂上高分子涂层 在汽车大灯光的照耀下 增加了路标的反射光 从而提高了路标对司机的可视性 反射光 路标 灯光 实例 查找出压缩机氟利昂渗漏处 建立外部合成物场模型 将外部添加物S3荧光粉掺入压缩机内的润滑油中 然后再用紫外光照射压缩机 通过渗漏出的润滑油中荧光粉发出的光 可以准确地确定氟利昂的渗漏部位 氟利昂 压缩机 荧光粉 S3 系统不能改变 但允许加入一种永久或临时的添加物帮助系统实现功能 可通过引入环境中的资源SE作为内部或外部添加物 SES1 S2SE S1 1 4利用环境中的资源 实例 潜水艇下水深度的调整 当潜水艇浮在水面上时 同时承受着来自地球自上而下的重力和与之相反方向的水的浮力 倘若将环境中的水大量地注入潜水艇中 一旦地球对潜水艇的重力克服了水的浮力时 潜水艇就会开始下沉 实例 利用船体内置的水箱来增强船体的稳定性 船体装备的 龙骨压载水箱 当船翻覆时 龙骨会暴露到空气中 水就显示了重量 由于水不可能即刻流出 龙骨将使船自动恢复到原位 在海上航道浮标内冲入海水 以加强浮标的稳定性 S2 F S1 船体 压载水箱水 海水 SE 系统不能改变 但是可以修改或改变系统所处的环境 S2Sed SedS1 S1 1 5改变系统的环境 实例 轴承润滑剂 相对于轴承来说 润滑油是轴承的环境 在润滑油中引入电解液 可促使润滑剂汽化 以改善普通径向轴承的阻尼特性 润滑剂 轴承 实例 拍摄太空物体图像 利用望远镜在正常的环境下拍摄太空物体的图像很不清晰 倘若在太空中设置望远镜 由于完全改变了的环境 致使望远镜的功能和清晰度达到大大提高 太空物体 望远镜改在太空环境中 望远镜在正常环境中 SedS1 如果微小量的精确控制很难实现 可以通过应用和消除盈余来实现微小量的控制 过量的场用物质来消除 过量的物质用场 用能生成场的物质 来消除 F S2 F S1 1 6施加过渡物质 实例 磁发电机的陶瓷板上塗强磁导电材料 首先全面覆盖 然后再去除过量部分 首先向整个陶瓷板满喷上一层强磁涂料 随后将喷洒在凸面上的过量部分通过机械作用将它去除掉 最后只让在板槽中留下薄薄的一层强磁性导电材料 涂料 F 陶瓷板 机械场 实例 洗完衣服后的甩干 要想依靠重力或手臂的能力拧干衣服上的水是不太容易的事 借助于洗衣机 让衣服和洗衣机滚筒转起来 利用洗衣机的离心力把衣服上多余的水份去除 洗衣机 S2 S1 如果需要对一个物质S1施以最大模式的作用 但是由于种种原因不可行 则可以将这种最大模式的作用施加到另一个物质S2上 再由S2传递给S1 S1 S1 1 7传递最大化作用 实例 焊接工人的面罩 焊接时产生的弧光辐射对焊接工人的眼睛有极大的伤害 然而为了保证焊接质量 焊接的弧光强度是不可能减弱的 焊接的工作又必须连续进行的 为此 焊接工人使用保护面罩 中性滤光镜 过度的弧光 多余的场 被保护面罩 引入的添加物 消除掉了 焊工眼睛 弧光辐射 面罩 S2 S1 Fmax 有时候既需要很强的场的作用 同时又需要很弱的场的作用 这时可以给系统施以很强的作用场 然后在需要较弱场作用的地方引入物质S3 起到一定的保护作用 S1 1 8选择性最大化作用 实例 安瓿瓶的封口工艺 选定区最大模式 其他区最小模式 当为注射液玻璃瓶进行封口时 必须将火焰调整到最大功率 以使火焰在瓶口处达到最大效应 快速地熔化玻璃并完成封口 但是 灼热的火焰对瓶内的药液质量会产生伤害 为使瓶内的药剂免遭受热 影响药液的质量 在完成封口操作时 必须将瓶身浸在水中 以使瓶身受火焰的影响达到最小 S1 S1 2拆解物场模型 S1 2 1引入S2消除有害作用S1 2 2引入改进的S1或 和 S2来消除有害作用S1 2 3引入物质消除有害作用S1 2 4用场F2来抵消有害作用S1 2 5消除磁场的影响 在当前设计中既存在有用作用又存在有害作用 如果没有让S1和S2必须直接接触的限制条件 可以通过在S1和S2之间引入S3来消除有害作用 S2 F S1 S3 S3 S1 2 1引入S3消除有害作用 医生给病人做外科手术 容易造成医生和病人之间的交叉感染 穿戴一双无菌手套可以消除细菌带来的有害作用 实例 医用无菌手套 实例 举重场上的杠铃 地面对杠铃的有用作用是让杠铃就位 制止杠铃的运动 但杠铃盘对地面会产生有害作用 当放下杠铃时 由于杠铃的重力碰撞会造成对地面的损伤 并引起噪声 給杠铃盘套上橡皮圈或在地面上铺上一层厚厚的橡皮 问题就会迎刃而解 橡皮圈 实例 保护铆钉 引入现成物质S3 锤子 铆钉 冲击力 垫木 实例 茶壶托盘 茶壶 托盘 手 在当前设计中既存在有用作用又存在有害作用 如果没有让S1和S2必须直接接触的限值条件 但是不允许引入新的物质 可以通过改变S1和S2来消除有害作用 这种解决方案包括加入一些 不存在的物质 如利用空间 空穴 真空 空气 气泡 泡沫等 或者加入一种场 这个场可以实现需添加物质的作用 S1 2 2引入改进的S1或 和 S2来消除有害作用 实例 炼铜厂的冶炼浴槽 矿石的熔点是1200oC 因此 密封浴槽内的温度必须维持在1300oC 浴槽壁是用铜制成的 铜的熔点是1083oC 为了防护浴槽免遭高温破坏和大块矿石的严重磨损 在浴槽壁四周设有冷却水套 在冷却水的作用下 使在浴槽的四周形成来自矿石熔融物的结渣层 铜矿石的变异物 结渣层起着保护浴槽壁免遭高温破坏和大块矿石的严重磨损 因为结渣层一经磨损 冷却水的作用会使结渣层进行 自我更新 浴槽1083oC 熱场 铜矿石1200oC 实例 高温焦炭的输送 高温焦炭 传送带 机械场 碎焦炭 高温焦炭变异物 炙热的焦炭在运输过程中 为了避免高温对传送带的伤害 在传送带上铺设一层碎的焦炭 可以起到隔绝热的作用 实例 法兰西 体育场 法兰西 体育场上设置的遮阳篷对场地观众有益遮阳作用 但是场地观众渲染的噪声聚集到遮阳篷上 对附近街区的环境产生有害影响 在遮阳篷內添加矿物棉用以消除噪声 折射到遮阳篷上的场地观众的嘈杂声被遮阳篷内的吸声板吸收 不再对附近街区产生影响 矿物棉 如果有害作用是由某个场引起的 可以通过引入物质S2来吸收有害作用 S2 F S1 S1 2 3引入物质消除有害作用 实例 为了沿街住户的安宁 为了挡住来往频繁车辆的嘈杂声 在繁华地区的马路两旁 建立了消音墙 起到隔声的效果 S2 F S1 消音墙 实例 电器接地保护 为了防止电器设备漏电造成对人的伤害 采取接地保护措施 电场 人员 接地装置 若在系统中同时存在有用和有害的作用 且两个物质之间之间要求必须直接紧密相邻 则可引入场第2个场F2来抵消F1的有害作用 或将有害作用转换为有用作用 S1 F2 S1 2 4用场F2来抵消有害作用 实例 骨折病人后的理疗 医生对腿骨折的病人进行外科手术后 用支撑架通过机械场作用在腿上将其固定 通过施加脉冲电场对肌肉进行理疗 以刺激肌肉并阻止肌肉萎缩 脉冲电场 某一种有害作用可能是因为系统内部的某个部分的磁性物质导致的 可以通过加热 使磁性物质处于居里点以上 从而消除磁性 或引入一个相反的磁场来消除有害作用 S1 2 5消除磁场的影响 实例 焊接与粉末焊剂 焊接电流产生的磁场会将粉末焊剂从工作区吹散开 造成铁磁粉末的焊接困难 影响到焊接的质量 预先将粉末加热到居里点以上 焊接粉末被退磁 上述情况就不会再发生了 焊接件 粉末焊剂 加热到居里点600C 第2类 增强物场模型 S2 1转化成复杂的物场模型S2 2加强物场模型S2 3频率的协调S2 4利用磁场和铁磁材料 S2 1 1链式物场模型S2 1 2双物场模型 S2 1转化成复杂的物场模型 将单一的物场模型转化成链式模型 转化的方法是引入一个S3 让S2产生的场F1作用于S3 同时S3产生的场F2作用于S1 两个模型独立可控 S2 F1 S3 S2 1 1链式物场模型 实例 用锤子砸石头来分解巨石 为增强现有功能 可以通过在石头和锤子之间加入凿子 锤子的机械场传递给凿子 然后凿子的机械场传递给石头 机械场 机械场 锤子 石头 凿子 S2 F1 S3 实例 提高降温防护服的防护效果 为保护炼钢工免受高温的伤害 穿着用低导热材料制成的防护服 这在短时间内效果还是很好的 但经过一段时间后 衣服内外的温度达到平衡 其隔热效果就会明显下降 在防护服的表面附设一个袋子 使普通的防护服转换为降温防护服 在袋子中插入充有可融化材料14烷和16烷的混合物 融点在10 16摄氏度之间 使用前 将其冷却到摄氏零度以下 以便混合物变成固相 待穿上身时 室外的高温透过相变材料后再作用到人体上 利用相变材料产生的吸热效应 使防护服具有良好的降温效果 会融化的14烷和16烷混合物 相变材料 人体 防护服 热场 F2 S1 S2 F1 S3 冷场 美国专利 提高降温防护服的防护效果 工程背景 为保护焊工 炼钢工 用低导热材料制成防护服在短时间内效果很好 但经过一段时间后 衣服内外的温度达到平衡 其隔热效果就会明显下降 低导热材料 最终解决方案 相变原理 利用物体相变时产生的某种效应 吸热 防护服的外表面插入充有可融化材料14烷和16烷的混合物 融点在10 16摄氏度之间 使用前 降温衫需冷却到摄氏度以下 以便混合物变成固相 美国专利 6 185 742 S3 可融化材料 降温防护服 可融化材料 隔热袋子 袋内侧 现有系统的有用作用F1不足 需要进行改进 但是又不允许引入新的元件或物质 可以通过引入第二个场F2来增强F1的作用 S2 S1 F2 F1 S2 1 2双物场模型 实例 太空中的孵卵器 在太空中有着孵化小鸡的正常大气环境和温度 可以使孵卵器保持正常地工作 但唯一不足的是缺乏重力 致使小鸡无法发力 让孵卵器绕着轴心旋转 利用形成的重力附加场 小鸡就可以顺利地出生在太空上了 轴心旋转人造重力场 F2 实例 快速用铲刀去除墙上的壁纸 引入第2个温度场 仅仅利用铲刀来刮除墙面上的壁纸 效率很低 引入了高温蒸汽热场F2 用高温蒸汽喷射墙面 墙上的壁纸因失去强度 就能很容易地被去除掉 铲刀机械力 壁纸 铲刀 高温蒸汽 S2 S1 F2 F1 S2 2 1使用更可控的场S2 2 2增加物质的分割程度S2 2 3使用毛细管和多孔的物质S2 2 4使系统更加动态化S2 2 5使用异构场S2 2 6使用异构物质 S2 2加强物场模型 用更加容易控制的场来代替原来不容易控制的场 或者叠加到不容易控制的场上 来获得增强功能效应 选择易控制场的进化路径 机械场 重力场 电场或磁场 辐射场 S2 2 1使用更可控的场 实例 内燃机进出气伐的控制 为提高可控性 将内燃机进出气阀的运转 由通常的转动轴控制改为用电磁铁来控制 电磁场 电磁铁 实例 金属切割方法的演变 用金属刀片切割金属会不均匀 发热 变形等 用高压水切割代替金属刀片切割 用激光切割可代替高压水切割 辐射场 金属 金属刀片 机械场 金属 激光 增加物场模型中作为工具的物质S2的分割程度可以加强物场模型 这个标准解实际上是从宏观到微观层面 然后到场的进化模型 该工具的演化路径为 S2 2 2增加物质的分割程度 分割的物体 非分割物体 粉末 液体 气体 新的场 物质结构加大分割的进化路径 固体 厚板 薄板 薄膜 薄片 纳米薄片 大直径棒小直径棒纤维丝状物 颗粒 球状物 丸状物 粉末 纳米粒子 凝块 液体 活性液体 原子级和亚原子级粒子 固体 可移动固体 气体 液体 可弯曲固体 场 实例 汽车的坐垫 为了使汽车的座位更舒适 坐垫设计成气囊形式 通过气囊对身体的接触点进行自我调整 以使气囊均匀地支撑人的重量 人坐在上面就会很舒服 海绵坐垫 人体 硬坐垫 压力 实例 用一个不规则的表面支撑物体 用一个不规则的表面支撑物体时 要使支撑力均匀地分布在这不规则的表面上是非常困难的 如果用充满液体的袋子覆盖在不规则的表面上 然后再将物体作用在袋子上就能将荷载均匀地分布于不规则的表面上 物体 不规则固体表面 充满液体袋子表面 压力 实例 增强钢筋混凝土结构能力 用一系列钢丝代替标准的钢筋混凝土中常用的较粗钢筋 可以制造出 针式 混凝土 使其结构能力获得了增强 混凝土 粗钢筋 一束钢丝 抗压力 将物质中增加空穴或毛细结构 一种特别物质分裂形式是从固体物质转化到毛细管和多孔材料 将根据以下所列的路径进行转化 实例 胶水瓶头一旦改用多孔的海绵状瓶头后 可以明显地提高胶水塗布的质量和效率 固体 一个洞固体 多个洞固体 毛细管和多孔物质 胶水 胶水瓶口 带多孔海绵的胶水瓶口 S2 2 3使用毛细管和多孔的物质 使系统具有更好的柔韧性 适应性 动态性 可以开始将物质分解成两个耦合部分实现动态化 然后继续沿以下路径进化 可以增加场的动态性 S2 2 4使系统更加动态化 实例 汽车的变速从有级变速向无级变速演变 使汽车的变速更为平稳和连续 动态性能更好 实例 风力发电站的风轮安装了铰链 有助于风轮机在风的影响下 转为顺风实例 在垂直起降的飞机机翼上安装了铰链结构后 整个机翼 和发动机可以旋转 能使它们依据飞行的不同状况而改变方向 用动态场代替静态场 使一个不可控或者可控性较弱的场变成一个按规则运行的可控场 这种控制可以通过均匀的场向非均匀的场转换 或者非结构化 无序的 紊乱的向具有特定时空结构的场 恒定的 变化的 转换 来加强物场模型 S2 2 5使用异构场 实例 超声波焊接 超声波焊接时 为了确定焊接的位置 在焊接区域内安装一个调谐装置 利用调节元件将振动定向有序地集中到一个很小的面积上 产生区域振动 根据振动频率的不同来确定焊接的位置 超声波 无组织场 集中区域超声波 可调节立体结构场 实例 有噪声的网 防止海豚误入捕鱼网 海豚看不到渔网 是利用声波定位 在渔网上添加呈塑料球面或抛物面状的活性声波辐射器 用结构化的场替代非结构化的场 提高海豚定位信号的反射 带活性声波辐射器的渔网 异质场 将均匀的物质空间结构变成不均匀的物质 使用可控物质或可调节空间结构的物质代替无规则不可控的物质 同质 异质 S2 2 6使用异构物质 实例 橡胶球的制造 异质物质 生橡胶 白垩粉型芯 化学场 同质物质生橡胶 制造橡胶球时采用多质材料 即事先要做好一个球芯 该球芯是由粉状的白垩粉和水的混合物干燥后制成 然后在其外部敷以橡胶 经硫化后 用一根针头刺入球体并注射进去一种液体促使球芯溶解后 随之 液体通过针头被抽走 硫化剂 控制频率使其与一种或两种元素的固有频率相匹配或不相匹配 以提高系统的性能S2 3 1协调F与S1或S2的频率S2 3 2协调F1和F2的频率S2 3 3在一个动作的间隙进行另一个动作 S2 3频率的协调 将场F的频率与物质S1或者S2的固有频率相协调 S2 3 1协调F与S1或S2的频率 实例 用超声波破碎人体结石 将超声波的频率调整到结石的固有频率 使得结石在超声波作用下产生共振 结石就能被震碎 共振场 人体结石 超声波碎石机 振动场 能调整振动频率的超声波碎石机 实例 应用固有频率不同的密封圈 为确保在大幅度振动下具有可靠的密封性 可以在一个平面上用多个具有不同固有频率的密封圈 在使用了2个场的复合物场模型中 利用协调场与场的固有频率来完成所需的功能或要求的特性来达到增强系统的功能效率或可控性 F1 fo F2 fo S2 3 2协调F1和F2的频率 F2 实例 分选磁矿石 在分选由强磁成分和废岩构成的混合物中 为了有效提高颗粒分离效果 必须让坚硬的磁矿石同时置于连续磁场和振动两个场的作用下 且磁场的强度与振动频率必须在匹配的情况下进行分离 分选机 强磁混合物 磁场 频率fo的振动场 与振动频率匹配的磁场 如果需要2个互不相容或2个彼此独立的动作在一个系统中执行 那么其中一个动作应在另一个动作暂停期间来执行 通过在一个动作的操作间隙执行另一个有用的动作这种方法来提高系统的效率 S2 3 3在一个动作的间隙进行另一个动作 实例 接触式点焊机 为提高接触式焊接的精度 测量反馈是在焊接电流的2个脉冲之间完成的 脉冲时进行焊接 脉冲间歇时进行测量 整合铁磁材料和磁场是提高系统性能的一种有效方法S2 4 1加入铁磁物质S2 4 2铁磁场模型S2 4 3运用磁流体S2 4 4应用毛细管结构S2 4 5转变为复杂的铁磁场模型S2 4 6在环境中引入铁磁物质S2 4 7应用自然现象和效应S2 4 8应用动态性S2 4 9利用结构化的磁场S2 4 10频率协调S2 4 11应用电流产生电磁场S2 4 12应用电场控制流变液体的黏度 S2 4利用磁场和磁性材料 向系统中加入铁磁物质或磁场 以改善系统的性能物质包含铁磁材料的进化路径是 固体物质 颗粒 粉末 液体系统的控制效率将随着铁磁铁磁材料的进化路径而增加 S2 4 1加入铁磁物质 实例 磁悬浮列车 在铁轨上加入磁场以悬浮列车 从而减小摩擦力 提高列车速度 磁性铁轨 机械场 磁场 实例 用磁铁代替图钉张贴海报 将需要张贴海报的墙面成为铁磁表面 利用一块小磁铁形成的磁场来代替通常用图钉张贴海报 这样 墙面和海报都不会受到损伤 压力 海报 小磁铁 S2 F 图钉 S1 将标准解S2 2 1 使用更可控制的场 与S2 4 1 加入铁磁物质 结合在一起 可用 铁磁场 模型来替换物场模型或还原 铁磁场 模型 将原来系统中的物质替换为铁磁微粒或在原物场系统中加入铁磁微粒 同时使用磁场或电磁场 S2 4 2铁磁场模型 实例 吸油用的晶体 将疏松的晶体抛洒在受污染的油面上可以形成有效的吸除油污 但这些晶体颗粒彼此不能相互吸引 很容易被风或波浪吹散 极大地影响晶体的吸引效果 在晶体中添加磁化颗粒 使晶体之间由无效作用转换为有效作用相互吸引 来抑制油污面积的扩散 添加了铁磁颗粒的吸油晶体 利用磁流体可以加强铁磁场模型 磁流体是铁磁粒子在煤油 硅树脂或水中形成的胶状悬浮液 该标准解是S2 4 2的一个特例 S2 4 3运用磁流体 实例 废金属的分类 废金属的分类是个非常复杂的工作 因为金属的种类繁多 尤其是废金属的形状 尺寸各异 但要做到对废金属分类既要准确又要提高效率 使用带有磁流变或电流变液体的电镀槽 在大功率的电磁作用下 磁流体的密度会出现可控制的变化 通过变化的磁流体的密度 从而使废金属可以严格安装自己的比重逐个 浮出液面 人们就可以在磁流变液体的液面上很容易地把它们收集起来 废金属 分选设备 可控密度的电磁流体 应用包含铁磁材料或铁磁液体的毛细管结构 S2 4 4应用毛细管结构 实例 毛细管多孔一体过滤器 用包含磁性粒子的毛细管 散纤维 和多孔一体制作的可逆过滤器替代用磁性粒子制作 多孔结构过滤器 具有超过基于散纤维的过滤器渗透能力 以及具有超过散纤维系统的可控性 毛细管多孔一体过滤器 如果原有的物场模型中禁止用铁磁物质代替原有的物质 可以通过添加附加物 如涂层 使非磁性物质永久的或临时的具有磁性 S2 4 5转变为复杂的铁磁场模型 人体病灶部位 药物 药物 磁性分子 实例 点穴式 施药 为了使药物分子准确地到达需要它的身体部位 通常在药物分子中附加磁性材料分子 并在外界磁场的作用下 引导药物分子到达特定的位置 实例 电磁铁移动带空腔的非磁性部件 为了用电磁铁来移动带空腔的非磁性的部件 事先将磁性松软材料注入空腔中 非磁性部件就会被磁化 然后在磁场作用下 就能够很容易地控制被磁化的部件的移动 磁性松软物质 非磁性部件空腔 实例 钢珠的运输 抛丸机 利用抛丸机在运输钢珠的过程中 由于钢珠对管道的冲击力大 特别是在管道的拐弯处造成钢珠对管道的磨损很严重 在管道的外部引入一块磁铁 在磁场的作用下 使一部分钢球被吸附在钢管的内壁 避免了钢珠与钢管的直接碰撞 抛丸机的使用寿命得以延长 管壁 铁丸 管壁 磁铁 实例 防止钢丸发送机弯管破损 压缩空气和钢珠 电磁铁F2 钢珠S1 管壁S2 给钢丸发送机弯管强烈磨损区添加保护层电磁铁F2 在标准解S2 4 5的基础上 如果不能赋予物质磁性 可以考虑把铁磁材料引入到环境中 S2 4 6在环境中引入铁磁物质 可以将铁磁微粒加入到液体中 从而形成磁性流体 磁性流体的黏度会随着所施加的电磁场强度的增加而发生适当的变化 磁性液体 下降的物体 S2 S1 SF Fmagnetic Fnew 机械场 实例 控制物体在液体中的下降速度 液体 利用某些自然现象或效应来加强铁磁场模型的可控性 如可以通过场来排列物体 或者磁性物质在居里点以上时丧失磁性实例 在高压输电线外包裹一层居里点在0度左右的磁性物质可有效消除低温时电线结冰现象 S2 4 7应用自然现象和效应 实例 磁共振成相 运用可调谐的振动磁场 以探测特定核子的共振频率 然后将那些核子的中心区域着色成相 例如 某一肿瘤与正常组织的密度不同 在磁共振成相时 就能探测到这部分组织 于是就能探测出肿瘤的具体位置 实例 利用电晕电极自动采摘棉花和葡萄 葡萄自动采摘是配备有一台能产生4 6千伏电压的小型发动机的拖拉机 用一个片状电极接触葡萄 另一个电极搭在葡萄藤上 当通电时 由于成熟果柄的电阻比果枝的电阻要小得多 所以果柄易瞬间烧断 就像短路一样 让自动采摘机在成行葡萄架间行驶 成熟 完整的符合商品外观的葡萄串自动落在传送带上 并送到筐或包装箱中 应用动态的 可变的或者自动调节的磁场 即通过转向柔性的 可更改的系统结构 S2 4 8应用动态性 实例 测量无磁性非规则空腔产品的壁厚 不规则物体的壁厚可以用外部的感应换能器与内部的铁磁物质来测量 使用表面塗上铁磁粒子的一气球 放入非规则的空腔 柔性的气球能充分体现产品空腔的内部形状 放入物体内部后 能和被测物体的内部紧密配合 然后 利用感应式传感器就能精确地测量出该产品的壁厚 空腔内放入磁性颗粒 物体空腔内放入表面覆盖有铁磁粒子的一气球 利用结构化的磁场来更好地控制或移动铁磁物质颗粒 结构化铁磁场 异质结构化铁磁场 S2 4 9利用结构化的磁场 实例 磁丸造型 用聚苯乙烯做铸件模具 放入砂箱 填入铁丸 通电形成磁场 使铁丸成型 浇铸后 聚苯乙烯模气化 即可获得铸件 聚苯乙烯模具 铁丸 结构化铁磁场 电磁场 铁磁场 实例 在塑料表面绘制突起的图案 为了让塑料垫子的表面形成复杂的图案 在未凝固的塑料垫子中混合一些铁磁微粒 而后用结构性的磁场 借助于激光光束产生有规律的磁场 拖动铁磁微粒成所需要的形状 当塑料凝固后 就能在塑料表层获得凸起的复杂图案 结构化铁磁场 电磁场 在宏观系统中 应用机械振动可以加速铁磁颗粒的运动 在分子和原子级别 可以通过改变磁场的频率 测量对磁场发生响应的电子的共振频率的频谱来测定物质的组分 S2 4 10频率协调 实例 提高磁性混合物分离效率 磁场中的振动被用来分离混合物 为了降低物体之间的黏合力 提高分离效果 磁场的使用是与振动反向的 频率为fo的分离物 与分离物振动频率反向匹配的磁场 实例 微波炉 微波炉的应用原理是 利用微波管与食品中的水分子产生共振 运用振动产生的热量来迅速加热食品 电磁炉 含水的食品 水分子振动频率fo 共振磁场 如果系统很难引入铁磁颗粒或磁化物 则可以利用电流产生磁场来代替磁性物质 S2 电流 S2 4 11应用电流产生电磁场 利用电磁场还有更重要的优势是 在没有电场作用时 不会产生磁场 而且磁场的大小可以通过电流的大小来控制 这样就可以通过改变电流来精确地调整磁场 增强电磁场的进化路径与铁磁场相同 遵循由基本电磁场 复杂电磁场 环境电磁场 动态化电磁场 结构化电磁场 节律匹配 失配电磁场的进化路径 如果系统很难引入铁磁微粒或磁化物 则可以利用电流产生磁场来代替磁性物质实例 电流变流体 万能夹具 实例 电流变流体被用作阻尼器 电流体 S2 4 12应用电场控制流变液体的黏度 第3类 向超系统或微观级转化 当第1 2 4类标准解不是非常充分的时候 可以采用第3类标准解 把问题向超系统转换 或者寻找微观水平的改变S3 1转换成双系统或多系统S3 2向微观级转化 S3 1 1系统转化1a 创建双系统或多系统S3 1 2加强双系统或多系统之间的连接S3 1 3系统转化1b 加大元素间的差异S3 1 4双系统和多系统的简化S3 1 5系统转化1c 系统部分或者整体表现相反的特性和功能 S3 1转换成双系统或多系统 实例 双系统 多系统 瑞士军刀 照相手机 可录象的电视机 两用锤子 立式加工中心 由单系统向多系统的进化趋势 实例 电源插座的进化 系统可以在进化过程中的任意阶段 通过系统转换建立双系统或多系统来得到加强方法 组合两个或多个组件 组合的组件可能是物质 场 物场对和整个物场系统 S2n F S1n 人员 一张椅子 n张椅子组合 n个人员 S3 1 1系统转化1a 创建双系统或多系统 实例 房屋中多光源的配置 光场 房间 一盏灯 多盏灯 在进行室内装修时 配置单光源 只能解决室内一般的适当亮度问题 如果用多光源来替代 就可以达到多种装饰和照明效果 并能满足个别的特殊功能需要 实例 薄片玻璃的加工 当单独給一片很薄的玻璃进行打磨时很容易使玻璃破裂 如果将薄片玻璃堆叠起来再加工 玻璃的破损率可以明显降低 一片薄玻璃 加工设备 一扎薄玻璃 机械场 加强双系统或多系统之间的连接可以使它们各自更加刚性或更加动态化刚性链接实例 由多台起重机起重非常沉重的部件的过程中 通常使用刚性机构来同步起重机的运动部件柔性链接实例 双船体具有2个刚性连接的船体 若改用柔性连接 就能允许调整2个船体间的距离 提高了系统的灵活性 S3 1 2加强双系统或多系统之间的连接 双系统和多系统可以沿着以下路径增大元素之间的差异来加强系统 相同元素 具有不同特性的元素 几个不同的元素的组合 相反特性的合并或具有相反特性的元素的组合实例 复印机 彩色复印机 多功能复印机 扫描 复印 传真 打印等 S3 1 3系统转化1b 加大元素间的差异 系统元素 一支单色铅笔 相同元素组合 一组单色铅笔 不同元素组合 一组双色铅笔 向反元素组合 橡皮与铅笔的组合 加大铅笔功能特性差异的进化路径 实例 扩大热处理炉的使用功能 车间内设置了数台形式完全相同的热处理炉 給各台炉子以相同方法预设加热 可获得经热处理后的同一种产品 如果給每台炉子预设不同的加热方法 组合后可以获得热处理后的多种不同产品 如果将其中的炉子由热处理改变为冷却炉 则组合后可以获得完全不同的新产品 实例 常开和常闭触点并存的继电器 由相同的常开触点S01元件 相同的元素 组合的多系统向具有常开触点S01元件和常闭触点S02元件 元素和反元素 组合的多系统转换 用以提高系统的可操作性和灵活性 双 多系统可以通过简化系统得到加强 双 多系统进行简化的路径 首先是减少辅助的子系统和系统元件 进而寻求最终完全地简化 形成在新的水平上的一个单一系统 通过对双 多系统的简化 将许多系统的功能集为一体 既简化了系统又使系统功能获得加强 实例 只有一杆枪柄的双管猎枪实例 消防员穿的保护服集降温系统和提供呼吸系统与一体 单冷物质 氧 完成2种功能 液态氧先作为降温系统 待蒸发成气态后 可作为呼吸系统 沉重的呼吸设备则可以不再需要 大大减轻了消防员的携带重量实例 瑞士多功能刀在一个共用的外壳内装上数种工具 组成多用刀具 功能增加了 体积缩小了 S3 1 4双系统和多系统的简化 实例 瑞士多功能刀 在一个共用的外壳内装上数种工具 组成多用刀具 功能增加了 体积缩小了 实现了多功能 一种刀具 多种刀具 刀具外壳 通过将相反的特性分别赋予系统和子系统 来加强双系统和多系统的转换 使系统在2个水平上获得应用 整体系统具有特性 A 而其子系统则具有相反的特性 A 实例 自行车链条具有柔性 但组成链条的零件则是刚性的 实例 能伸缩的鱼竿为了方便携带 鱼竿在不用时 必须很短 但在使用时必须很长 即单根要短 整体要长 采用一组可伸缩的 套叠式的管状元件制作 就可以满足不同时期的要求 S3 1 5系统转化1c 系统部分或者整体表现相反的特性和功能 S3 2 1系统转化2 向微观级转化系统可以在进化过程中的任意阶段 通过从宏观级别到微观级别的转换得到加强 无论是一个系统还是其子系统 都可以被在某种场的作用下实现所需功能的物质代替 技术系统在其进化的任何阶段 向微观级的跃迁均可以提高其效率 实例 在玻璃生产线中 传递玻璃板的滚轮 改用被熔化的锡液所替代 确保传递中的玻璃板的平整度 S3 2向微观级转化 实例 计算机 打印机和声乐工业的发展 计算机的发展 从真空管到单个晶体管 到原始合成电路 再到大规模集成电路 如今已发展到第9代芯片 整个系统已经发生了彻底的变化 打印机的发展 从9点矩阵到24点矩阵的针式打印 到100点 英寸 dpi 的喷墨打印 再到1200点 英寸 dpi 的激光打印 以致高精度的商用打印机 声乐工业的发展 开槽的蜡留声机被有更细开槽的密纹唱机 LP 替代 后来又被光学记号的光盘 CD 替代 如今又被有数字传输的MP3替代 声音的清晰度与开槽尺寸已经毫无关系了 实例 微型电磁阀 当电流通过微型电磁阀的绕组时 在电磁场的作用下 阀片被提升打开 当切断电流时 在弹簧力的作用下 使阀片下落关闭 这种类型的微电磁阀价格昂贵 特别是极小型绕组 制造困难 导致使用时易出故障 不太可靠 用形状记忆合金制作的板代替电磁铁绕组 并将记忆合金板固定在阀片上 当电流通过时 在温度场的作用下 合金板被伸长 阀片被打开 当切断电流时 温度降低导致合金板被收缩 带动阀片被关闭返回原处 分为5个子类 包含17个标准解 监测和测量是典型的控制环节 检测是指检查某种状态发生或不发生 测量则具有定量化及一定精度的特点S4 1间接方法S4 2建立测量的物场模型S4 3加强测量物场模型S4 4测量铁磁场S4 5测量系统的进化方向 第4类 检测和测量的标准解 完整的测量包括内容 测量的对象 被测值表现出物质的特性或状态 测量单位 选用单位校准的测量工具 测量方法 接收测量结果的观察器或记录器 最后测量结果 S4 1 1以系统的变化代替探测或测量S4 1 2利用复制品S4 1 3两次间断测量代替连续测量 S4 1间接方法 改进系统 从而使原来需要测量的系统现在不再需要测量实例 用电磁感应对金属零件进行热处理 在感应器和零件间的空间注满化学盐时 由于盐的熔化温度就等于进行热处理所需要的温度 因此 在热处理过程中 对温度的测量已不再需要 实例 加热系统的自动控制加热系统的自动控制是通过运用热电偶或双金属片作为自动转换开关来实现的 当温度低于给定温度时 热电偶是接通的 当温度高于给定温度时 热电偶就会自动断开 系统就可以保持在给定的温度下 S4 1 1以系统的变化代替探测或测量 实例 有机混合物分离过程的测量方案 如果采用电加热或其它方法 有机混合物温度的测量系统是必不可少的 但是 如果在分馏器外加一个水套 让水套内的水保持在沸腾状态 此时 原测量系统就可以省去 传统方法 采用电加热系统 结合温度传感器来控制有机化合物的温度 系统要求 为了使分馏器正常的工作 必须保持分馏器内有机溶剂化合物的温度控制在要求的95 100 范围内 带夹套的分馏器内沸腾的水 恒定的温度场 输入的温度场 输出的温度场 对难于测量的物体如软物体或具有不规则表面的物体 通常较多采用测量被测对象的复制品 图片或图像来替代对被测对象本身的直接测量 实例 A C 241077测量壳体的变形在壳体变形前后 分别制作模型 测量两模型间的差异 S4 1 2利用复制品 实例 测量正在运行的货车上的圆木 对所运圆木拍照后 根据照片进行测量和计算 圆木 摄像机 实例 高炉内铁水温度的测量 铁水的温度很高 人们不可能靠近来直接测量它 为此 利用光学高温计 通过接收器测量物体在高温计透镜上所形成的图像亮度 即可得知铁水的温度值 光场 光学高温计 如果遇到无法用S4 1 1和S4 1 2标准解法进行测量时 可应用两次间断测量代替连续测量实例 进行加工过程中使用的量规为测量抛光球体直径 通常预先做成量规 间距为0 01mm的许多圆孔 然后 抛光轮子直径的测量问题就变为在量规上检测能否通过和不通过某个圆孔的问题 S4 1 3两次间断测量代替连续测量 建立新的测量系统 将一些物质或者场加入到已有的系统中S4 2 1建立新的测量物场模型S4 2 2测量引入的附加物S4 2 3测量引入环境的附加物S4 2 4从环境中获得附加物 S4 2建立测量的物场模型 测量物场模型与物场模型的差别在于 一个基本完整的测量物场模型必须是在它的输出端载有被测对象信息参数的输出场 如果原有的场是无效的或不充分的 则必须在不影响原系统的情况下改变或引入另一个增强场 该改变的新场或增强场应当有一个容易检测的参数 该参数与所需测量参数是相关联的 S4 2 1建立新的测量物场模型 S2 Fnew S1 Fnew modified Fnew1 S2 S1 Fnew2 实例 检测塑料制品泄漏程度 让塑料制品充满空气并密封 再将它浸入液体池中 根据液体中的气泡就可测量其泄漏的程度 但是视觉上的清晰度不够 为了使气泡清晰可见 可以向液体再添加指示泄漏的光源 气泡显示 塑料制品 光场 液体 实例 检测液体开始沸腾的瞬间 如果利用温度场来进行测量显然是无效的 因为液体在开始沸腾的瞬间 温度并不会发生变化 不发生变化的参数输出场 进行测量也就成为不可能 引入电流 让电流通过液体 在液体开始沸腾的瞬间 液体中开始出现气泡 随气泡的开始出现而相应地测得所骤变的输出电阻 电阻仪 电场 气泡出现时输出的骤变电阻 液体 温度场 测温仪 实例 超声波探伤 超声波探伤仪 超声波场 缺陷信息 实例 汽车挡风玻璃上的雨刷 通过辐射光检测器 记录汽车挡风玻璃上的水滴在半导体激光束的作用下 造成的电磁辐射散射的强度来自动启动雨刷 当无水滴时 激光束不能到达光检测器 当玻璃上出现水滴时 水滴将激光束部分散射 光检测器记录下以特定角度散射的辐射 生成光散射输出信号Fnew modified被传至雨刷的控制系统 雨刷即可投入运行 光散射信号 对难以测量和检测的系统或部件 引入易检测的附加物S3 形成内部或外部合成的测量物场模型 检测或测量该合成附加物的变化 S4 2 2测量引入的附加物 实例 显微镜下的测量 附加化学剂的生物标本在显微镜下进行生物标本细微结构的测量 生物标本 显微镜 生物标本 化学剂 标本成像信息 光学场 化学场 实例 测量2个零件的贴合面积 首先在一个零件的面上塗上发光染料 然后将2个面经贴合后再行分开 测量另一个零件外表面上未被染上染料的面积 就显示为2个零件的贴合面积 当系统中禁止引入附加物时 将易产生检测和测量的附加物引入环境中 通过测量环境状态的变化来获得有关对象状态变化的信息 实例 卫星提供了覆盖整个地球表面的连续信号 手持全球定位系统接收器 运用卫星全球定位系统 就能接受卫星提供的信号 根据信号可以测量出自己的精确位置 定位对象 定位仪 卫星信号 卫星全球定位系统 定位显示 S4 2 3测量引入环境的附加物 实例 检测内燃机内部磨损情况 检测内燃机的磨损情况 就是要测量发动机被磨损掉的金属表层 磨损的金属表层以颗粒形式混在发动机的润滑油中 油被看作是环境 在润滑油中加入荧光粉 金属颗粒会吸收荧光粉 通过测量荧光粉量的变化就可以得出被磨损的金属量 含金属颗粒的润滑油 S2 荧光粉 检测仪 如果不能引入附加物到系统或环境中 可通过将环境中已有的物质进行降解或转换变成其他的状态 然后测量或检测转换后的这种物质的变化 S4 2 4从环境中获得附加物 实例 粒子运动的研究 在气泡室中 利用温度和压力控制 使液态氢正好处于沸点附近 当能量粒子穿过时 液态氢就会局部沸腾 形成气泡路径 该路径可以被拍照 用于研究流体粒子的动态特性 高能粒子 检测仪 液态氢 光场 粒子轨迹 S4 3 1应用自然现象和物理效应S4 3 2应用系统的谐振S4 3 3应用超系统的谐振 S4 3加强测量物场模型 利用系统中发生的已知的效应 并且检测因此效应而发生的变化 从而获得系统的状态实例 导电液体的传导率与液体的温度相关 因而可以通过测量液体的传导率来测量液体的温度实例 古代应用日晷来计时或测量时间 S4 3 1应用自然现象和物理效应 如果不能直接测量或通过引入一种场来测量 可以通过让系统整体或部分产生共振来解决 测量共振频率 共振频率的变化可以给出系统变化的信息 S4 3 2应用系统的谐振 实例 确定储水罐中水的重量和确定地下煤层的埋层深度通过测量储水罐的共振频率 确定储水罐中水的重量 通过测量空气的共振频率得知空气量的多少 从而可以确定地下煤层的埋层深度 如果不允许系统共振 可以通过检测与被测系统相连的一个外部对象的固有频率变化 得到系统变化的信息 测频仪 测量物体 已知特性附加物 S3 S4 3 3应用超系统的谐振 实例 未知物体电容的测量 不直接测量该物体的电容 而是将该未知电容的物体接入已知感应系数的电路中 然后 改变电压的频率 通过测定该组合电路的共振频率后 换算出物体的电容 S3 测频仪 测量物体 已知感应系数的电路 实例 无线电发射机频率的测量 通过改变接受天线的电容从而改变了接受电路的固有频率实现与发射机的频率相一致 谐振 谐振信号定向发送到接受装置 可变电容 谐波信号输入 发射机频率 引入铁磁物质进行测量工作 这种方法在遥感 微型设备 光纤维和微处理器上经常使用S4 4 1预铁磁场模型S4 4 2铁磁场模型S4 4 3合成的铁磁场模型S4 4 4在环境中引入磁性物质的模型S4 4 5应用物理效应和现象 S4 4测量铁磁场 增加或者利用铁磁物质 或系统中的磁场 从而方便测量 S4 4 1预铁磁场模型 实例 A C 222892在探测船体中空洞的尺寸 将一个场方向与船体外表面呈垂直的永久磁铁放入其中一个孔中 通过磁力计测出磁场的局部最大值 以此来探测到船体的空洞尺寸 实例 在十字路口的主要路面下 铺设一个环形线圈 从而轻易地检测车辆的铁磁成分 转换得出车辆的等待时间或排队长度 在系统中增加磁性颗粒或者改变一种物质成为铁磁物质 通过测量磁场得到所需的信息 S4 4 2铁磁场模型 实例 鉴别货币的真假 将铁磁粒子混合在特定的颜料中 并将颜料印在货币上 在判别货币真假时 将磁场作用在货币上 通过铁磁粒子就能确定货币的真假 货币 验钞机 货币中加入铁磁粒子 磁场 如果铁磁颗粒不能直接添加到系统或不能取代系统中的物质 那么可以通过将铁磁颗粒作为添加物引入到系统已有的物质中 从而建立一个复杂的铁磁场模型 Fnew Fnew modified S3SF S4 4 3合成的铁磁场模型 实例 检测非磁性物体表面的裂缝 被检测物体是非磁性的 为了提高检测的可控性 在其表面涂上磁性颗粒材料 检