第16课 用TRIZ方法解决发明问题

第16课用TRIZ方法解决发明问题用TRIZ方法解决发明问题【案例导入】我国成功跻身创新型国家行列图16-1中国空间站俯瞰地球目录16.1科学效应及应用方法16.2裁剪16.3用TRIZ解决发明问题用TRIZ方法解决发明问题纵观人类文明的发展史，科学技术的每一次重大突破，都会对人类社会的发展产生巨大的影响。人类现有的工程技术产品和方法都是在漫长的文明发展过程中，以一定的科学原理为基础，一点一滴地积累起来的。可以毫不夸张地说，人类社会的发展历史就是一部人类发现并利用蕴含在自然界中的科学原理和知识的历史。1.科学效应及应用方法科学效应及应用方法所谓效应，是指在有限环境下，一些因素和一些结果构成的一种因果现象，多用于对一种自然现象和社会现象的描述。效应一词使用的范围较广。科学效应及应用方法16.1.1社会效应与科学效应社会效应是指在日常生活中比较常见的现象与规律，是某一个人或事物的行为或作用，引起其他人物或事情产生相应变化的因果反应或连锁反应，即对社会产生的效果，反映和影响，例如温室效应、蝴蝶效应、毛毛虫效应、音叉效应、木桶效应、完形崩溃效应等。科学效应及应用方法由某种动因或原因所产生的一种特定的科学现象，称为“科学效应”。迄今为止，研究人员已经总结了近万个效应，其中4000多个得到了有效应用。例如，由物理的或化学的作用所产生的效果，如光电效应、热效应、化学效应等。许多科学效应都以其发现者的名字来命名。如法拉第效应。科学效应和现象是TRIZ中解决创新问题的基于知识的工具之一。例如：有一种弹簧，其尺寸和组成材料都是无法改变的。如何在不添加任何辅助结构（不向它添加任何补充弹簧等）的条件下提高弹簧的刚性？其实，方法很简单。如果使每圈弹簧磁化，让同极性挨着，这样在弹簧压缩时就会产生附加的推力。这就是一个典型的利用物理效应来解决技术问题的例子。科学效应及应用方法如果从时间轴上对两个对象之间的作用进行分析，我们也可以将存在于两个对象之间的这种作用看作是两个技术过程之间的“纽带”。例如，压电打火机的点火过程。图16-8打火机压电陶瓷点火器结构科学效应及应用方法压电打火机是利用压电陶瓷的压电效应制成的。只要用大拇指压一下打火机上的按钮，将压力施加到压电陶瓷上，压电陶瓷即产生高电压，形成火花放电，从而点燃可燃气体。如果将手指压按钮的动作看成是一个技术过程，将气体燃烧看成是另一个技术过程。那么，将这两个技术过程连接起来的纽带就是压电效应。在这个技术系统中，压电陶瓷的功能就是利用压电效应将机械能转换成电能。科学效应及应用方法通常，我们可以将效应看作是两个技术过程之间的功能关系。就是说，如果将一个技术过程A中的变化看作是原因的话，那么，技术过程A的变化所导致的另一个技术过程B中的变化就是结果。将技术过程A和技术过程B连接到一起的这种功能关系被称为效应。随着技术过程的实施，技术系统的某些参数（例如，压力、温度、速度、加速度等）会发生改变，即参数在数值上的变化就是技术过程得以实施的具体体现。因此，我们可以用这些参数来描述技术系统的变化。科学效应及应用方法除了某些最简单的技术系统以外，绝大多数技术系统往往都包含了多个效应。以实现技术系统的功能为最终目标，将一系列依次发生的效应组合起来，就构成了效应链。图16-9效应链科学效应及应用方法16.1.2在TRIZ中应用科学效应TRIZ理论中，按照“从技术目标到实现方法”的方式来组织效应库，发明者可根据TRIZ的分析工具决定需要实现的“技术目标”，然后选择需要的“实现方法”，即相应的科学效应。TRIZ的效应库的组织结构，便于发明者对效应应用。科学效应及应用方法通过对250万份世界级高水平发明专利的分析研究，阿奇舒勒发现了这样一个现象：那些不同凡响的发明专利通常都是利用了某种科学效应，或者是出人意料地将已知的效应（或几个效应的综合）应用到以前没有使用过该效应的技术领域中。阿奇舒勒指出：在工业和自然科学中的问题和解决方案是重复的、技术进化模式是重复的，只有百分之一的解决方案是真正的发明，而其余部分只是以一种新的方式来应用以前已存在的知识或概念。因此，对于一个新的技术问题，绝大多数情况下都能从已经存在的原理和方法中找到该问题的解决方案。科学效应及应用方法基于对世界专利库的大量专利的分析，TRIZ理论总结了大量的物理、化学和几何效应，每一个效应都可能用来解决某一类问题。为了帮助工程师们利用这些科学原理和效应来解决工程技术问题，在阿奇舒勒的提议下，TRIZ研究者共同开发了效应数据库，其目的就是为了将那些在工程技术领域中常常用到的功能和特性，与人类已经发现的科学原理或效应所能够提供的功能和特性对应起来，以方便工程师们进行检索。2.裁剪裁剪按照阿奇舒勒对产品进化定律的描述，产品进化有朝着先复杂化然后简化的方向进化。产品进化过程中简化的实现可以通过系统裁剪来实现。因此，系统裁剪是一条重要的进化路线，体现在组成系统的元素数量减少的同时，系统仍能保证高质量的工作。裁剪是TRIZ中能够以低成本实现系统功能的重要方法之一，其基本原理是通过删减系统中存在问题的元素实现系统的改进。裁剪例16-1前苏联T-34坦克。二战期间，前苏联的技术基础较差，关键是工艺不过关，因此多靠简单而构思合理的设计去补拙，再以数量压倒对方。二战中的T-34坦克的设计就说明了这一原则，它结构非常简单，但很合理。例如前壁制成坡形，即使得它的受弹角度利于弹开炮弹，又等于在不增加重量的前提下增

加了坦克的装甲厚度。无论是装甲、大炮的

口径和射程，都远远超过德国当时的主战坦

克PanzerIV。裁剪T-34的发动机是根据俄国的气候设计的，因此在严寒中也能轻松启动，不会像德国坦克那样冻死。履带较宽，不怕秋雨造成的俄国平原上的无边泥泞，无论哪方面都远远超过了德国坦克。最大的优点，还是它设计简单，不需要复杂的机械传动装置，可以在一般的拖拉机厂内大规模粗制滥造出来。前苏联在军工产品设计上一直秉承这样一条原则，就是应用简单的结构实现强大的功能，那么遵循什么方法呢？就是裁剪。前苏联军械设计师沙普金有句名言：“将一件武器设计得很复杂是非常简单的事情，设计得很简单却是极其复杂的事情。”他设计的冲锋枪（PPSh41）正是贯彻了这个理念。裁剪16.2.1裁剪原理和过程由功能分析得到的存在于已有产品中的小问题可以通过裁剪来解决。通过裁剪，将问题功能所对应的元件删除，改善整个功能模型。元件被裁剪之后，该元件所需提供的功能可根据具体情况选择以下处理方式：（1）由系统中其他元件或超系统实现；（2）由受作用元件自己来实现；（3）删除原来元件实现的功能；（4）删除原来元件实现功能的作用物。裁剪例如，图16-12左图是已有牙刷的功能模型。将牙刷柄裁剪掉后，得到图16-12右图裁剪后的功能模型。原来元件“牙刷柄”的功能由系统中其他元件——“手”来实现，简化了系统。图16-12牙刷的功能模型裁剪从进化的角度分析，功能裁剪一般发生在由原产品功能模型导出的最终理想解模型不能转化为实际产品的时候。将问题分别对应技术系统的不同的进化模式，从而定义产品功能的理想化程度，应用裁剪与预测技术寻找中间方案。功能裁剪一般作为产品功能分析的重要步骤，其目的为研究每个功能是否必需，如果必需，系统中的其他元件是否可完成功能。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与裁剪的结果。一种产品功能模型经过裁剪可能产生多种裁剪模型，因而会产生多种方案指导设计人员进行产品的创新设计。裁剪16.2.2裁剪对象选择通过功能分析建立产品功能模型以后，对模型中元件进行逐一分析，确定裁剪对象和顺序。多种方法可以帮助确定元件的删除顺序。从裁剪工具的角度来说，因果链分析、有害功能分析、成本分析为最重要的方法，因为这三种方法可以快速确定裁剪对象，其他方法可以作为辅助方法帮助确定裁剪顺序。其中优先删除的元件具有以下特性：裁剪（1）关键有害因素：由因果链分析可以得知有害因素，可直接删除系统最底层的根本有害因素，进而删除其他相关较高阶层的有害因素。因果链分析的主要作用是找出工程系统中最关键的有害因素。其方法为从目标因素回推找到产生问题的有害因素，直至找到最根本的原因。一般来说，因果链分析一般能找到大量的有害因素，但大部分有害因素都源于几个少数的根本有害因素。根本有害因素排除后，其后面的有害因素也就自然而然地被排除。裁剪（2）最低功能价值：经由功能价值分析，可删除功能价值最低的元件；元件的功能价值可以由元件价值分析进行评估。通常，评估功能元件价值的参数有三个：功能等级、问题严重性和成本。若针对产品设计初期的概念设计，在功能价值评估过程中可以不考虑成本的问题。（3）最有害功能：对元件进行有害功能分析，删除系统中有害功能最多的那个元件，增加系统的运作效率。有害功能分析是将元件的有害功能数量的多少以及有害作用的加权数值来进行的，其中加权者为产品设计人员。裁剪（4）最昂贵的元件：利用成本分析可删除成本最昂贵且功能价值不大的元件，这样可以大幅降低系统的制造成本。成本分析是将系统元件的成本做一个比较，成本越高的删除的优先级别就越高。裁剪16.2.3基于裁剪的创新设计过程裁剪是一种改进系统的方法，该方法研究每一个功能是否必需，如果必需则研究系统中的其他元件是否可完成该功能，反之则去除不必要的功能及其元件。经过裁剪后的系统更为简化，成本更低，而同时性能保持不变或更好，剪裁使产品或工艺更趋向于最终理想解（IFR）。裁剪应用裁剪主要针对已有产品，通过进行功能分析，删除问题

功能元件，以完善功能模型。裁剪的结果会得到更加理想

的功能模型，也可能产生一些新的问题。对于产生的新问

题，可以采用TRIZ其他工具来解决。图16-13为基于裁剪

的产品创新设计过程模型，主要包括以下几步：图16-13基于裁剪的产品创新设计过程模型裁剪步骤1：选择已有产品。步骤2：对选定的产品进行功能分析，建立功能模型，确定其有害作用、不足作用及过剩作用等小问题。步骤3：运用裁剪规则进行分析，确定裁剪顺序。进而进行裁剪，删除该功能元件。步骤4：判断裁剪后会产生什么问题。若没有问题，则接步骤6，否则接下一步。步骤5：分析裁剪后产生的问题，应用TRIZ其他工具（发明原理，效应，标准解等）解决问题，形成创新概念。步骤6：判断新设计是否满足要求。若满足要求，则结束流程，否则接步骤2，进行功能分析，并发现问题。3.用TRIZ解决发明问题用TRIZ解决发明问题按照TRIZ对发明问题的五级分类，一般较为简单的一到三级发明问题运用发明原理或者发明问题标准解法就可以解决。在利用TRIZ理论解决发明问题时，其一般过程可以分为以下几个步骤：步骤1：对给定问题的性质进行分析，如果发现问题存在冲突，则应用“发明原理”去解决；如果问题明确，但不知道该如何处理，则应用“效应”去解决；如果是对系统的进化过程进行分析，就应用“预测”去解决。用TRIZ解决发明问题步骤2：在解决具体问题时，针对问题确定一个技术矛盾后，要用该技术领域的一般术语来描述该技术矛盾，通过这些一般术语来选择通用技术参数，再由通用技术参数在矛盾矩阵中选择可用的发明原理。步骤3：当某个发明原理被选定后，必须要根据特定的问题将发明原理转化为一个特定的解。在对问题的处理结果进行评价后，如果发现新问题，则要求对问题继续分析，直到不出现新问题。步骤4：找出解决问题的最终方案。用TRIZ解决发明问题下面我们通过两个实例来综合阐述TRIZ理论是如何帮助工程设计人员及管理人员迅速发现主要问题并提供解决问题的相应原理，从而证明TRIZ理论在创新设计中的重要作用。用TRIZ解决发明问题16.3.1航空发动机的技术进化随着发动机性能的不断提高（推重力增加、耗油率下降），发动机的结构也越来越复杂。由此而带来了系统总重量增加、维修困难等一系列问题。图16-14是20世纪30年代由喷气发动机的发明人之一弗兰克·惠特设计的世界上第一台燃气涡轮发动机，其转子部分由单转子、单级整

体压气机和60个叶片的单级涡轮组成。图16-14第一台燃气涡轮发动机用TRIZ解决发明问题20世纪70年代，英国的RB199三转子涡扇发动机（加力式涡扇发动机）用于狂风战斗机，由3级风扇、3级中压压气机、6级高压压气机、燃烧室、1级高压涡轮、1级中压涡轮和2级低压涡轮组成。整台发动机有三个转子，共有上千个叶片（其中涡轮叶片超过300个）、上万个零件。图16-15英国RB199三转子涡扇发动机用TRIZ解决发明问题到了20世纪90年代，发动机的性能进一步提高，但发动机的结构却越来越简单。图16-15和图16-16分别为用于欧洲战斗机的EJ200发动机和用于空客A318的PW6000发动机。与20世纪70年代的发动机相比，新一代发动机的零件数目减少三分之一；军用发动机的推重比正在向15迈进（而最早喷气发动机的推重比只有2）；耗油率比70年代下降了20%，比最初的喷气发动机下降了60%；新一代发动机的寿命、平均故障时间、平均大修时间大幅度提高，而生命期成本和噪声水平等持续下降。用TRIZ解决发明问题图16-15EJ200发动机图16-16PW6000发动机用TRIZ解决发明问题图16-17显示了从20世纪30年代至今，航空燃气涡轮发动机主要性能指标的螺旋上升的进化趋势。可以看出，发动机的结构复杂程度与其系统进化趋势密切相关。图16-17航空燃气涡轮发动机主要性能指标的发展变化用TRIZ解决发明问题如何综合运用技术系统进化法则，判断目前技术状态下航空发动机的进化潜能，为预研投入提供决策支持，以简化的结构完成更多的功能，是航空发动机在今后一段时期内的发展方向。由此也可以看出，TRIZ理论的技术系统进化法则对复杂系统研发的指导意义：（1）分析技术发展的可能方向；（2）指出需要改进的子系统和改进方法；（3）避免对成熟期和退出期（衰退期）的产品或技术大量投入；（4）对新技术和成长期产品进行专利保护；（5）用户和市场调研人员在进化法则的指导下参与研发，加速产品进化。用TRIZ解决发明问题16.3.2宝马汽车的外形设计在欧洲那些最初为行人和马车修建的城市道路上，由于汽车保有量的增加，交通变得十分拥挤，虽然政府采用了提高燃料费用的方法，但交通拥挤的状况并没有得到明显改善。为改变这种状况，市政府通过增加税收以进一步提高大型汽车在城市里的使用费用，目的在于鼓励小型汽车的生产。然而由于市场上没有非常有特色的小型汽车，在某种意义上小型汽车还不能成为有钱人身份、地位的象征。用TRIZ解决发明问题因此，以生产大型豪华私人轿车为主的德国宝马（BMW）和奔驰公司，准备联合开发出一种名牌智能化的迷你型汽车，不仅在城市中使用非常方便，可以增加道路的使用空间，减轻空气污染，缓解交通拥挤，容易停车，而且价格更为经济、性能更为有效。用TRIZ解决发明问题1.问题描述汽车的车身较长，在碰撞过程中会有一个较大的变形空间，可以吸收碰撞过程中的能量，缓解交通事故对人的冲击力，减轻对乘车者的人身伤害。但此种汽车重量与体积较大，转弯半径大，机动性差，非常笨拙，在一定程度上造成交通拥挤。而迷你型汽车体积小、重量轻，转弯半径小，机动灵活性好，可以减轻交通拥堵问题，但因为车身较短，不具备变形缓冲功能，因此在碰撞事故发生时容易造成人员的伤亡。用TRIZ解决发明问题2.问题分析根据以上对问题的描述，发现汽车在制造过程中，如果缩短车身长度，则汽车的安全性降低，碰撞事故发生时容易造成人员的伤亡，而增加车身长度，在一定程度上造成交通拥挤。分析得出在汽车制造过程中存在着一组物理矛盾：交通拥堵与防撞性能的冲突。既要减轻交通拥堵、提高其机动灵活性又要避免因缩短车身造成的在交通事故中防撞性能降低的矛盾。用TRIZ解决发明问题3.问题解决（1）将一般领域问题描述转换成39项工程参数中的2项，即转换为TRIZ标准问题。“既要减轻交通拥堵、提高其机动灵活性又要避免因缩短车身造成的在交通事故中防撞性能降低”，从待解决问题的文字叙述中，试着找出问题是由哪些相互矛盾冲突的属性所引起，将文字叙述转换成39项工程参数中的2项。用TRIZ解决发明问题工程参数5号运动物体的面积参数：运动物体的面积指运动物体被线条封闭的一部分或者表面的几何度量，或者运动物体内部或者外部表面的几何度量。面积是以填充平面图形的正方形个数来度量的，如面积不仅可以是平面轮廓的面积，也可以是三维表面的面积，或一个三维物体所有平面、凸面或凹面的面积之和，此例中为物体的长度，属于改善的参数。工程参数22号能量损失：能量损失指做无用功消耗的能量。为了减少能量损失，有时需要应用不同的技术手段，来提高能量利用率。用TRIZ解决发明问题（2）根据得到的工程参数，确定解决问题需要的发明原理。根据上述两个工程参数，查阅矛盾矩阵，可以得到对该问题的解决有指导意义的两条发明原理：15号动态特性原理：①使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能。②划分一个物体成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置。③如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改变的。用TRIZ解决