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形态改变法形态分析法是一种系统化构思和程式化解题的发明创造方法 它是由美国加利福尼亚大学工学院教授F 兹维基和美籍瑞士矿物学家P 里哥尼联合提出的 形态分析法是一种系统搜索方法 用来探求一切可能存在的组合方案 属于 穷尽法 形态分析法的核心是将机械系统分解成若干组成部分 然后用网络图解的方式或形态学矩阵的方式进行排列组合 以产生解决问题的系统方案或创新设想 如果机械系统被分成的部分数量较多 而且每个部分又有很多解法 那么它的组合方案数量将十分巨大 会产生 方案爆炸 现象 一般应用方案评价方法来选定若干方案加以决策 在形态分析法中 因素和形态是两个非常重要的基本概念 因素是构成机械系统中或技术系统中各种子功能的特性因子 形态是实现系统各功能的技术手段 例如 对于机械产品而言 它的各分功能 行为 为基本因素 而实现该产品各分功能的 2 6形态改变法技术手段为基本形态 对于任一产品的每一基本因素 均可用多种技术手段来实现 它们被视为对应的基本状态 2 6 1形态分析法的基本原理形态分析法是将研究对象视为一个系统 通过系统分析方法将其分解为相对独立的子系统 各子系统所实现的功能称为基本因素 实现各子系统功能的技术手段称为基本形态 通过排列与组合方法可以得到多种可行解 经过筛选可从中确定系统的最佳方案 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理若系统分解后的基本因素为A B C D 而对应的基本形态分别为A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 则可写成表3 2所示矩阵 因此 从每个基本因素中选出一个基本形态就可以组合成为不同的系统方案 表2 6 1系统的形态学矩阵 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理形态分析法具有如下特点 1 所得方案只要能将全部因素及各因素的所有可能形态都排列出来 则是无所不包的 2 具有程式化性质 主要依靠人们认真 细致 严密的工作 而不是依靠人们的直觉 美感或想象 易于操作 3 其创新点在于如何进行系统的分解 使之不同于已有的 还在于对基本形态的创新构思 由于形态分析法采用系统化方式构思和程序化方式解题 因而只要运用得当 就可以产生大量的设想 能够使发明创造过程中的各种构思方案比较直观地显示出来 例1火箭研制工作中 其各主要组成要素及其可能具有的形态 可用表3 3表示为形态学矩阵 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理从火箭研制的形态学矩阵可以看出 其可能的方案数为4x4x3x3x2x2 576种 包括了几乎所有可能的方案 表2 6 2火箭研制的形态学矩阵 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理例2挖掘机的方案设计 1 挖掘机的因素分析 挖掘机具备的因素有动力 移动动力传动 移动 挖掘动力传递 挖掘五个因素 2 形态分析见表2 6 3 表2 6 3挖掘机形态分析 第2章创新技法 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理 3 可以看到 根据排列组合知识 以上技术措施可组合出6x5x4x4x3 1440种方案 以上通过对各个功能因素的可实现技术措施进行评价 发现 电动机 液力耦合器 履带 液压缸传动 抓斗 和 气马达 液力耦合器 轮胎 液压缸传动 抓斗 两方案最为可行 目前 以上两种方案是挖掘机最常采用的方案 例3在研究新型单缸洗衣机的设计方案时可以作出如下分析 洗衣机必须具有盛装衣物 分离污物 控制洗涤三个功能因素 三个功能因素中 分离污物 是最关键的功能因素 在考虑如何将污物从衣服上 分离 时 应从各个技术领域去深入思考 采用可能应用的一切技术措施 包括现有的和先进的 甚至暂时没有但有可能通过努力而实现的 根据上述分析可得表3 5所示洗衣机方案设计形态学矩阵 第2章创新技法 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理根据上表进行组合 可得4x4x3 48种方案 其中 A1 B1 C1是最原始的洗衣机 A1 B1 C1是目前市场销售的普通型单缸洗衣机 A2 B2 C1是一种简单的热胀增压式洗衣机 其工作原理是用热水加洗涤剂 用手摇的方式使洗涤桶旋转增压 达到分离衣物上污物的目的 A1 B2 C2是一种新型的 用电磁震荡除去衣物上污物的洗衣机 A1 B1 C2是一种应用超声波除去衣物上的污物的洗衣机 表2 6 4洗衣机方案设计的形态学矩阵 第2章创新技法 2 6形态改变法2 6 1形态分析法的基本原理图2 7 1为超声波洗衣机的工作原理图 洗衣机先在桶内放入物 加入水和洗涤剂 启动气泵1后 使其产生具有一定压力的气体由管2经风压调节管4和输气管3送至洗涤桶下部 再经喷嘴5在水中产生细小气泡 气泡上升至水面上破裂将产生50 3000Hz的超声波 其中2000Hz以上的超声波可使衣物纤维产生强烈的振动 在超声波的振动和污物与脂类的乳化作用下 油脂及污物从衣物上被分离出来 气泡上升及水流对衣物摩擦 进一步强化了洗涤剂的去污效果 这种洗衣机由于没有旋转部件 工作时噪声很小 节电节水 衣物磨损小 洗净度高 是一种市场潜力很大的新型洗衣机 形态改变法形态改变法的基本原理图2 6 1超声波洗衣机原理 第2章创新技法 2 6形态改变法2 6 1形态改变法的基本原理例3在设计一种新型包装时 如果只考虑包装材料和形状这两个因素 那么由于每个因素至少有4个要素 即4 种不同的材料 如纸 木 铁 塑料 和形状 如圆形 方形 柱形 三角形 可供选择 采用排列组合 至少可得出16种方案 4 4 16 如果再加上一个色彩因素 暂时仍先考虑4种彩色要素 如黄 红 蓝 白 那么就可以得出64 4 4 4 64 种不同的组合方案 第2章创新技法 2 6形态改变法2 6 2形态改变法的基本步骤形态分析法的基本要求 一是寻求所有可能的解决方案 二是尽可能具有创新性 形态分析法的基本步骤如下 1 明确研究对象 对于研究对象的性能要求 使用可靠性 成本 寿命 外观 尺寸 产量等必须逐步加以明确 这是寻找方案的出发点 2 组成因素分析 确定研究对象的各种主要因素 如各个部件 成分 过程 状态等 要求列出研究对象的全部组成因素和划分 且各因素和划分在逻辑上应该是彼此独立的 组成因素的分析过程也包括着创新思维的过程 不同的人对组成因素及划分的理解可以是不同的 第2章创新技法 2 6形态改变法2 6 2形态改变法的基本步骤 3 形态分析 依据研究对象和各因素提出的功能及性能要求 详细地列出能满足要求的各种方法和手段 统称为形态 并绘制出相应的形态学矩阵 确定可能