机械创新设计 课件 第六章 怎么办问题求解

第六章怎么办的问题求解机械创新设计目标课程目标知识目标Howto模型，科学效应，拓展分析与可拓变换等。能力目标怎么办的问题的分析与求解能力。素质目标确立奋斗目标，勇毅前行。目标知识内容1概述2Howto模型 3科学效应库 4事元的拓展与变换求解在创新设计中，有时会不知如何着手设计，即面临“怎么做”（或“如何做”）的问题。对于这类问题，无论是可拓创新方法还是TRIZ理论，都提出了应对思路。例如在TRIZ理论应用科学效应方法解决这种问题，可拓创新方法中可以直接对基元模型进行拓展分析与可拓变换。IASE方法推荐根据自身经验选择其中之一的方法求解这种问题。6.1概述什么是Howto模型？

Howto模型的种类？如何定义Howto模型？6.2不知所措（Howto模型）在创新发明中，当面临“怎么做”（或“如何做”）的问题时，TRIZ理论提出了科学效应方法来解决这种问题。而利用科学效应方法前需要建立Howto模型。什么是Howto模型？Howto模型是针对“怎么做”的创新发明问题，利用简单明了的标准化词汇来描述系统所需功能的方法。其基本形式为：动词+名词，如“升高温度”，“改变尺寸”，“控制力”等为后续选用科学效应提供依据。6.2不知所措（Howto模型）描述的要求：

1）功能描述要一般化，如“移除”用“移动”描述；

2）物质（属性）描述要通用化，如“水”用“液体”描述。例如，将初始问题“如何移除瓷杯内的水？”描述为“移动液体”6.2不知所措（Howto模型）TRIZ理论中给出了30个标准的Howto模型，以及这些模型的实现经常要用到的100个科学效应，来帮助我们解决创新发明中常见的问题。标准的Howto模型功能代码表如表6-1所示，科学效应功能代码表与功能代码与科学效应对应关系表请见附录6.2不知所措（Howto模型）表6-1功能代码表（HowTo模型）6.2不知所措（Howto模型）Howto模型分析可采用分析模板进行分析，如表6-2所示，是“针对桌面上的一个盛满水的瓷杯，如何在不一定瓷杯或移动桌子的情况下，将杯中的水移除？”的问题的Howto模型分析。6.2不知所措（Howto模型）具体步骤为：先提取创新发明中“如何做”的初始问题，而后进行标准化通用化描述，而后从标准功能表6-1中找到对应的Howto模型。表6-2Howto模型的分析模板6.2不知所措（Howto模型）案例：如图6-6所示是一种血管机器人。血管机器人的工作环境是血管，因为血管空间狭小，故如何在血管里面推进血管机器人的运动是血管机器人研究的一个重点。试用Howto模型描述此问题。图6-6血管机器人6.2不知所措（Howto模型）血管机器人视屏6.2不知所措（Howto模型）根据Howto分析模板，分析如表6-3所示。表6-3血管机器人问题的Howto模型6.2不知所措（Howto模型）练一练：请用Howto模型分析输电线结冰、减速箱漏油检测、轴承故障诊断等问题。6.2不知所措（Howto模型）练一练：请用Howto模型分析输电线结冰、减速箱漏油检测、轴承故障诊断等问题。问题中的“如何做”系统所需功能Howto模型如何去除输电线上的冰升温提高温度（F03）6.2不知所措（Howto模型）什么是科学效应？如何查询科学效应？科学效应库如何用？6.3科学效应库一.科学效应库概述科学效应是在特定条件下，在技术系统中实施自然规律的技术结果，是场（能量）与物质之间的互动结果。科学效应也能看作是一种功能，它使物质、场或两种的组合，将输入作用转变为所需的输出作用。通过选择不同的效应、物质参数，可以控制效应的转换效果。总之科学效应是科学原理、现象、定理和定律的集中表现形式和实施的必然结果，科学效应库是将物理效应、化学效应、生物效应和几何效应等集合起来组成的一个知识库。利用科学效应库有利于突破技术人员只是对其专业知识熟悉的局限性，发散思维从其他领域寻求问题的解。科学效应和现象的应用，对解决技术创新问题具有超乎想象的、强有力的帮助和支持。6.3科学效应库迄今为止，研究人员已经总结了大概10000个科学效应，但常用的只有1400多个。工程技术人员在创新的过程中，常常需要各个领域的知识来确定创新方案，科学效应的有效利用，提高创新设计的效率。但是，对于普通的技术人员而言，由于自身的精力与知识面的有限，认识并掌握各个工程领域的效应是相当困难的。故TRIZ理论将效应作为专门的问题解决工具加以研究，把高难度的问题和所要实现的功能进行了总结和归纳，发现并总结出发明问题时经常遇到的、需要实现的30种功能（第四章表6-21）及所需用到的100个科学效应和现象。6.3科学效应库二.常用的科学效应TRIZ理论中给出了100个解决Howto模型的科学效应，这里仅介绍几种常用的科学效应。1）爆炸爆炸是某些物质系统在发生迅速的物理变化或化学反应时，系统本身的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为对周围介质做的机械功，同时伴随有强烈放热、发光和声响的效应。由于急剧的化学反应在被限制的环境内导致气体剧烈膨胀，剧烈膨胀的气体使密闭环境的外壁瞬间破坏，造成爆炸。6.3科学效应库实际应用：开发矿洞，拆除建筑，掘进地道，修整和开挖隧道，在山体中或混凝土构件中拉开裂缝等，如图5-92和图5-93所示。图5-92开挖隧道图5-93爆炸焊接6.3科学效应库2）磁性材料磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。实际应用：电声、电信、电表、电机中，还可作记忆元件、微波元件等，如记录语言、音乐、图像信息的磁带；计算机的磁性存储设备；乘客乘车的凭证和票价结算的磁性卡等，如图5-94和图5-95所示。图5-94磁性卡图5-95磁悬浮列车6.3科学效应库3）共振

系统受外界激励，做强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率时，强迫振动的振幅可能达到非常大的值，这种现象叫共振。实际应用：制造超声工具、机械仪器和装置；利用原子、分子共振可以制造各种光源（如日光灯、激光）、电子表、原子钟、核磁共振（图5-96）等；图5-96核磁共振6.3科学效应库20世纪中叶，法国里昂市附近一座长102米的桥，因一队士兵在桥上齐步走的步伐频率与桥的固有频率相近，引起桥梁共振，振幅超过桥身的安全限度，而造成桥塌人亡事故，如图5-97所示。图5-97桥共振倒塌6.3科学效应库4）压电效应压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，而当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，如图5-98所示。实际应用：压电聚合物换能器、传感器和驱动器应用；超声电机、压电打火机及燃气灶点火器，炮弹触发信号。图5-98压电效应6.3科学效应库5）折射

波在传播过程中，由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象称为波的折射。实际应用：池水看起来变浅；吸管在水中折断；三棱镜折射（图5-99）；瞄准鱼的下方才能叉到鱼（图5-100）；海市蜃楼等。图5-99三棱镜折射图5-100鱼的折射6.3科学效应库6）电磁感应电磁感应是指闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，如图5-101所示。实际应用：发电机、感应马达、电磁炉、动圈式话筒、变压器等电工、电子技术、电气化、自动化方面。图5-101电磁感应6.3科学效应库7）放电放电就是使带电的物体不带电。放电并不是消灭了电荷，而是引起了电荷的转移，正负电荷抵消，使物体不显电性。放电的方法主要有接地放电、尖端放电、火花放电、中和放电等。大自然的闪电也输入放电现象（图5-102）。实际应用：日光灯的启辉器（图5-103）；金属加工、等离子体表面处理；静电复印、静电喷涂、电气集尘、闪电的产生等。图5-102放电现象图5-103启辉器6.3科学效应库8）光谱

光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。例如，太阳光经过三棱镜后形成按红、橙、黄、绿、蓝、青蓝、紫次序连续分布的彩色光谱（图5-104）。实际应用：环境污染物的检测；材料成分的检测；生物组织机能和结构的定量分析；燃烧诊断等。图5-104光谱6.3科学效应库9）伯努利效应表征了流体的压强与流速的关系：流体的流速越大，压强越小；流体的流速越小，压强越大。实际应用：飞机机翼，如图5-105所示；喷雾器、汽油发动机的汽化器；足球场上的香蕉球（弧线球），如图5-106所示。图5-105飞机机翼图5-106香蕉球6.3科学效应库10）电弧电弧是一种气体放电现象，电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花。实际应用：整流器、电弧加热器、电弧等离子体气炬、电弧焊接（图5-107）、电弧炉（图5-108）；电弧还可作为强光源如弧光灯，紫外线光源如太阳灯或强热源。图5-107电弧焊接图5-108电弧炉6.3科学效应库11）浮力浮力是指浸在液体或气体里的物体，受到液体或气体竖直向上托的力。实际应用：热气球（图5-109）、船（图5-110）、飞艇、密度计等。图5-109热气球图5-110船6.3科学效应库12）吸附吸附是指当流体与吸附剂固体接触时，流体中某一组分或多个组分在固体表面处产生积聚的现象，分为物理吸附、化学吸附、交换吸附三种。实际应用：活性炭（图5-111）、水膜（图5-112）、硅胶、活性氧化铝、分子筛等。图5-111活性炭吸附图5-112水膜吸尘6.3科学效应库三.科学效应库求解流程及实例在解决“怎么做”问题的过程中，往往需要多个不同专业的知识，如各种各样的物理效应、化学效应或几何效应，以及这些效应的某些方面。对于怎么做的问题借助科学效应库，通过如下5个步骤求解。确定功能确定问题查找功能代码查询科学效应库形成最终的解决方案123456.3科学效应库（1）确定问题。首先要对问题进行分析，确定需要解决的问题。（2）确定功能。根据所要解决的问题，定义并确定Howto模型（实现的功能）。（3）查找功能代码。根据功能表确定与Howto模型相对应的代码。（4）查询科学效应库。从表中查找此功能代码下所推荐的科学效应和现象，分析所查询到的每个科学效应和现象，优选适合解决本问题的效应。（5）形成最终的解决方案。查找优选的每个科学效应和现象的详细解释，将科学效应和现象应用于功能实现，并验证方案的可行性，形成最终的解决方案。如果问题还没能得到解决或功能无法实现，需重新分析问题或查找合适的效应。6.3科学效应库案例：四足机器人设计四足机器人对复杂地形的适应性相对其他构型的机器人要强，而小型四足机器人，可控制的自由度要比大型四足机器人少得多。所以小型机器人在行走时机体振动较大，不够顺畅。6.3科学效应库（1）明确问题：小型四足机器人的腿部不够灵活，不能适应奔跑时的冲击。如果增加机器人的关节，会给结构设计和整机制造带来困难。（2）确定功能：使用简单的方式控制四足机器人腿部各关节的运动，可确定功能（Howto模型）为控制物体位移。（3）查找功能代码：查附表，可知控制物体位移的代码为F6。6.3科学效应库（4）查找科学效应库：磁力、电子力、压强、浮力、液体动力、振动、惯性力、热膨胀、热双金属。对这些效应逐一分析，选取振动（E98）作为解决原理。（5）形成解决方案：应用弹簧的振动性能，使四足机器人的腿部具有缓冲的特点，在奔跑时步态更加平稳。如图5-113所示，是一种脚部使用弹簧的小型四足机器人。6.3科学效应库图5-113小型四足机器人模型6.3科学效应库6.3科学效应库如何利用拓展与可拓变换解决怎么办的问题？怎么办问题的可拓模型如何建立？6