TRIZ理论讲稿-培训

1、TRIZ理论培训,技术矛盾与解决原理,机电工程学院 张恩惠,第4讲 技术矛盾和解决原理,什么是技术矛盾 如何定义技术矛盾 如何解决技术矛盾,I.什么是技术矛盾？,返回,什么是技术矛盾： 为了改善技术系统的某个参数，导致该技术系统的另一个参数发生恶化。 其特点是:有两个不同参数。,II.如何定义技术矛盾?,1.定义规则 2. 定义步骤 3. 实例,1.定义规则,（1）39个通用技术参数 （2）通用工程参数分类 （3）通用工程参数的改善与恶化,返回,用来描述技术系统中出现的绝大部分技术矛盾。 常见的物理参数 如重量、速度。 常见的数学参数 如长度、面积。 不常见的参数 如可操作性、通用性。,（1）

2、39个通用技术参数,以下给出39个通用参数的含义： 1）运动物体的重量是指在重力场中运动物体多受到的重力。如运动物体作用于其支撑或悬挂装置上的力。 2）静止物体的重量是指在重力场中静止物体所受到的重力。如静止物体作用于其支撑或悬挂装置上的力。 3）运动物体的长度是指运动物体的任意线性尺寸，不一定是最长的，都认为是其长度。 4）静止物体的长度是指静止物体的任意线性尺寸，不一定是最长的，都认为是其长度。 5）运动物体的面积是指运动物体内部或外部所具有的表面或部分表面的面积。 6）静止物体的面积是指静止物体内部或外部所具有的表面或部分表面的面积。,7）运动物体的体积是指运动物体所占有的空间体积。 8

3、）静止物体的体积是指静止物体所占有的空间体积。 9）速度是指物体的运动速度、过程或活动与时间之比。 10）力是指两个系统之间的相互作用。对于牛顿力学，力等于质量与加速度之积。在TRIZ中，力是试图改变物体状态的任何作用。 11）应力或压力是指单位面积上的力。,12）形状是指物体外部轮廓或系统的外貌。 13）结构的稳定性是指系统的完整性及系统组成部分之间的关系。磨损、化学分解及拆卸都降低稳定性。 14）强度是指物体抵抗外力作用使之变化的能力。 15）运动物体作用时间是指物体完成规定动作的时间、服务期。两次误动作之间的时间也是作用时间的一种度量。,16）静止物体作用时间是指物体完成规定动作的时间、

4、服务期。两次误动作之间的时间也是作用时间的一种度量。 17）温度是指物体或系统所处的热状态，包括其他热参数，如影响改变温度变化速度的热容量。 18）光照度是指单位面积上的光通量，系统的光照特性，如亮度、光线质量。 19）运动物体的能量是指能量是物体做功的一种度量。在经典力学中，能量等于力与距离的乘积。能量也包括电能、热能及核能等。 20）静止物体的能量是指能量是物体做功的一种度量。在经典力学中，能量等于力与距离的乘积。能量也包括电能、热能及核能等。,21）功率是指单位时间内所做的功，即利用能量的速度。 22）能量损失是指为了减少能量损失，需要不同的技术来改善能量的利用。 23）物质损失是指部分

5、或全部、永久或临时的材料、部件或子系统等物质的损失。 24）信息损失是指部分或全部、永久或临时的数据损失。,25）时间损失是指一项活动所延续的时间间隔。改进时间的损失指减少一项活动所花费的时间。 26）物质或事物的数量是指材料、部件及子系统等的数量，它们可以被部分或全部、临时或永久地改变。 27）可靠性是指系统在规定的方法及状态下完成规定功能的能力。 28）测试精度是指系统特征的实测值与实际值之间的误差。减少误差将提高测试精度。,29）制造精度是指系统或物体的实际性能与所需性能之间的误差。 30）物体外部有害因素作用的敏感性是指物体对受外部或环境中的有害因素作用的敏感程度。 31）物体产生的有

6、害因素是指有害因素将降低物体或系统的效率，或完成功能的质量。这些有害因素是由物体或系统操作的一部分而产生的。 32）可制造性是指物体或系统制造过程中简单、方便的程度。,33）可操作性是指要完成的操作应需要较少的操作者、较少的步骤以及使用尽可能简单的工具。一个操作的产出要尽可能多。 34）可维修性是指对于系统可能出现失误所进行的维修要时间短、方便和简单。 35）适应性及多用性是指物体或系统响应外部变化的能力，或应用于不同条件下的能力。,36）装置的复杂性是指系统中元件数目及多样性，如果用户也是系统中的元素将增加系统的复杂性。掌握系统的难易程度是其复杂性的一种度量。 37）监控与测试的困难程度是指

7、如果一个系统复杂、成本高、需要较长的时间建造及使用，或部件与部件之间关系复杂，都使得系统的监控与测试困难。测试精度高，增加了测试的成本也是测试困难的一种标志。,38）自动化程度是指自动化程度是指系统或物体在无人操作的情况下完成任务的能力。自动化程度的最低级别是完全人工操作。最高级别是机器能自动感知所需的操作、自动编程和对操作自动监控。中等级别的需要人工编程、人工观察正在进行的操作、改变正在进行的操作及重新编程。 39）生产率是指单位时间内所完成的功能或操作数。,（2）通用工程参数分类,为了应用方便，上述39个通用工程参数可分为如下3类： 物理及几何参数： 技术负向参数：负向参数（Negativ

8、e parameters）指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变差。如子系统为完成特定的功能所消耗的能量（第19，20条）越大，则设计越不合理。 技术正向参数：正向参数（Positive parameters）指这些参数变大时，使系统或子系统的性能变好。如子系统可制造性（第32条）指标越高，子系统制造成本就越低。,（3）通用工程参数的改善与恶化,39个通用工程参数又可以分为“改善的参数”和“恶化的参数”两大类： (1)改善的参数：系统改进中将提升或加强的特性所对应的通用工程参数。当这个参数提高时，系统的性能会变好。 (2)恶化的参数：在某个工程参数得以改善的同时，将会导致其他一个或多个工程参

9、数变差，这些变差的通用工程参数称为恶化的参数。 改善的参数和恶化的参数组成了技术系统内部的技术矛盾。创新的过程就是消除这些矛盾，让相互矛盾的两个通用工程参数不再相互制约，能同时改善，实现“双赢”，从而推动产品向提高理想度方向发展。,问题是什么,现有解决方案是什么,现有解决方案的缺点,改善了什么，恶化了什么,如何定义技术矛盾,2.定义技术矛盾的步骤,3.提取技术矛盾实例,例1：每一分钟都有几十块陨石撞击到地球上。由于对陨石成分和结构的分析能提供更多关于太阳系的信息，所以科学家需要获得更多的陨石。但区分陨石和普通岩石是很困难的，必须耗费大量的时间在地球表面上将陨石挑拣出来，但往往仅能得到约百万分之

10、一。这就产生了技术矛盾，即必须寻找大量陨石，但会大大增加寻找的时间。,改善的通用工程参数是：为了获得大量陨石，必须对地面上所有的石块进行分析(37控制和测量的复杂性)；恶化的通用工程参数是：这将耗费大量时间(25时间损失)。 因此本例子的技术矛盾是“控制和测量的复杂性VS时间损失”。,例2：在射击运动员的训练中需要有飞行中的靶标，当运动员击中靶标后靶标破裂成大量的碎片落到地面上，难以打扫。这个问题的技术矛盾初始可表述为：具有一定体积的E行靶标对射击运动员的训练是必要的，但靶标碎片叉将地面弄脏乱。,改善的通用工程参数是：希望增大靶标体积(7运动物体的体积)，恶化的通用工程参数是：靶标碎片对地面产

11、生作用(31物体产生的有害因素)的矛盾。 因此本例子的技术矛盾是“运动物体的体积VS物体产生的有害因素”。,例3：为了用一只手能倒出饮料塑料瓶中的饮料。 需要改善的通用工程参数是：减小塑料瓶的直径(4静止物体的长度)，但这引起恶化的通用工程参数是：降低塑料瓶的稳定性(13稳定性)。 因此本例子的技术矛盾是“静止物体的长度Vs稳定性”。,例4：为了在有限的地皮上充分地利用空间，很多城市不得不启动大量高层楼房建设项目。,但是楼房一旦建得很高(改善丁静止物体的长度、面积、体积等)，会带来一系列的问题。比如高层楼房的抗震性能下降(恶化了强度或稳定性)；高层楼房影响周边建筑的采光效果(恶化了物体产生的有

12、害因素)；过于集中的楼房(改善了物质的量)还会造成局部的交通堵塞(恶化了时间损失)等问题。,在这个例子中的技术矛盾表现有： 增加了楼层高度(改善参数)会造成抗震性能下降(恶化参数)，所带来的是技术矛盾是“静止物体的长度Vs强度”或者“静止物体的长度vs稳定性”。 楼层高所以其影子面积大(改善参数)，影响周边建筑的采光效果(恶化参数)，所带来的足技术矛盾是“静止物体的面积Vs物体产生的有害因素”。 过于集中的楼房占地面积过大(改善参数)，会造成局部的交通堵塞，从而浪费大家出行的时间(恶化参数)，所带来的技术矛盾是“静止物体的面积vs时间损失”。,例5：很多铸件或管状结构是通过法兰连接的，为了机器

13、或设备维护，法兰连接处常常还要被拆开。有些连接处还要承受高温、高压，并要求密封良好。有的重要法兰需要很多个螺拴连接。但为了减轻重量、减少安装时间或堆争时间、减少拆卸的时问，则螺拴越少越好。传统的设计方法是在螺栓数目与密封性之间取得折中方案。,分析可发现本例存在的技术冲突是： 如果密封性良好，则操作时间变长且结构的质量增加； 如果质量轻，则密封性变差； 如果操作时间短，则密封性变差。 按39个通用工程参数描述如下。 希望改进的特性： 静止物体的重量； 可操作性； 装置的复杂性。 三种特性改善将导致如下特性的降低： 结构的稳定性； 可靠性。,III.如何解决技术矛盾?,创新原理 矛盾矩阵的构成 矛

14、盾矩阵的 应用步骤 实例,1.创新原理,（1）创新原理的由来 （2）对创新原理（40条）的理解 （3）利用创新原理解决技术矛盾的一般模式,（1） 创新原理的由来 专家研究发现： 许多不同行业的问题，解决方法都是相同的； 可用来解决技术矛盾。,（2）对创新原理（40条）的理解 1）各原理之间不是并列的，是相互融合的； 2）创新原理体现了系统进化法则； 3）创新原理的各子条目之间层次有高低，前面的概括，后面的具体。,（3）利用创新原理解决技术矛盾的一般模式,2.矛盾矩阵的构成 为40行40列的一个矩阵，其中第一行或第一列为按顺序排列的39个描述冲突的通用工程参数序号。第1列所代表的工程参数是需改善

15、的一方，第1行所描述的工程参数为冲突中可能引起恶化的一方。除了第一行与第一列外，其余39行39列形成一个矩阵，矩阵元素中或空、或有几个数字，这些数字表示40条发明原理中推荐采用原理序号；对角线的格表示物理矛盾。,矛盾矩阵表的作用： 便于找到创新原理，提高解决技术矛盾问题的效率 矛盾矩阵表的含义： 1.格中的数字表示常用的创新原理，顺序的先后表示应用频率的高低； 2.对角线的格表示物理矛盾； 3.其他无数字的格表示无常用的创新原理。,3.矛盾矩阵的应用步骤 应用矛盾矩阵解决工程矛盾时，建议使用以下16个步骤来进行。当然这也只是建议，具体应用时可以增加或者跳跃。 （1）确定技术系统的名称。 （2）

16、确定技术系统的主要功能。 （3）对技术系统进行详细的分解。划分系统的级别，列出超系统、系统、子系统各基本的零部件，各种辅助功能。 （4）对技术系统、关键子系统、零部件之间的相互依赖关系和作用进行描述。,（5）定位问题所在的系统和子系统，对问题进行准确的描述。避免对整个产品或系统笼统的描述，以具体到零部件为佳，建议使用“主语+谓语+宾语”的工程描述方式，定语修饰词尽可能少。 （6）确定技术系统应改善的特性。 （7）确定并筛选待设计系统被恶化的特性。 因为，提升欲改善的特性的同时，必然会带来其他一个或者多个特性的恶化，对应筛选并确定这些恶化的特性。因为恶化参数属于尚未发生的，所以确定起来需要“大胆

17、设想，小心求证”。,（8）将以上步所确定的2参数，对应附表所列的39个通用工程参数进行重新描述。工程参数的定义描述是一项难度颇大的工作，不仅需要对39个工程参数的充分理解，更需要丰富的专业技术知识。 （9）对工程参数的矛盾进行描述。欲改善的工程参数与随之被恶化的工程参数之间存在的就是矛盾。 （10）对矛盾进行反向描述。假如降低一个被恶化的参数的程度，欲改善的参数将被削弱，或另一个恶化的参数被改善。 （11）查找阿奇舒勒矛盾矩阵表，得到所推荐的发明原理的序号。 （12）按照序号查找发明原理汇总表，得到发明原理名称。,（13）按照发明原理的名称，查找发明原理的具体内容。 （14）将所推荐的发明原理

18、逐个应用到具体问题上，探讨每个原理在具体问题上如何应用和实现。 （15）如果所查找到的发明原理都不适用于具体的问题，需要重新定义工程参数和矛盾，再次应用和查找矛盾矩阵。 （16）筛选出最理想的解决方案，进入产品的方案设计阶段。,4.矛盾矩阵的应用实例,例1：开口扳手的创新设计开口扳手在拧紧或松开一个六角螺钉或螺母时，由于螺钉或螺母的受力集中在两条棱边，容易产生变形，导致其拧紧或松开困难。新的设计必须克服目前设计中的该缺点。,首先从39个标准技术参数中选择并确定技术冲突的一对技术参数： 1）质量提高的特性：物体产生的有害因素。 2）带来负面影响的特性：制造精度。 将它们带入矛盾矩阵，可得到：创新

19、原理解集是4，17，34，26。确定了4种可用的发明原理：不对称、维数变化、抛弃或修复、复制。对维数变化和不对称两条原理的分析表明，扳手工作面的一些点要与螺母/螺钉的侧面接触，而不仅是与其棱边接触就可以解决该冲突（该例是美国的一项发明专利）。,图,图,例2：波音公司改进737设计过程中，出现的技术冲突为：即希望发动机吸入更多的空气，但又不希望发动机罩与地面的距离减少。,在此，改善的是“运动物体的面积”，恶化的是“运动物体的尺寸”。查矛盾矩阵，可知：创新原理解集是14，15，18，4。选创新原理4增加不对称性，保持纵向尺寸不变，增大横向尺寸，变成“鱼嘴”形状。,例3：防弹衣改进设计 纤维织成的防

20、弹衣用于保护执法人员和军事人员免于遭受手枪子弹的袭击。如图4-3所示，纤维织成的防弹衣由于有多层纤维结构层，具有层叠式结构。纤维在结构层内相互以适当的角度定向排列。当结构层连接好后，所有的纤维都以相互垂直的方向定向排列。,为了使纤维织成的防弹衣具有足够的防护能力，这种防弹衣必须具有足够的厚度。增加防弹衣的厚度会使其重量增加，灵活性降低。此外，使用这种厚厚的防弹衣的人员也不能充分通风。换句话说，较厚的防弹衣穿着时不太方便。由此定义技术矛盾：增加运动物体的长度(防弹衣的厚度)会降低操作流程的方便性(防弹衣的舒适性)。,通过查询阿奇舒勒矛盾矩阵，得知可能的解集是15，29，35，4四个创新原理。 应

21、用第4号增加不对称性原理，将物体的对称形式变为不对称形式。在防弹衣的栈结构内使纤维呈不对称定向排列。通过将每层以相对于第一层呈2070度范围的不同角度旋转，将纤维织成防弹衣的各定向层内的纤维定向转换为不对称的排列形式。,防弹衣栈结构内不对称的纤维定向相对于纤维定向排列的防弹衣来讲，会使很大一部分纤维沿子弹飞行的方向定向。沿子弹飞行方向排列的大部分纤维可以确保栈结构防弹衣在受子弹冲击的方向具有更高的强度。在具有同等保护效果的情况下，防弹衣的厚度和重量减小了。因而，通过减小防弹衣的厚度提高了其舒适性，同时不会降低防弹衣的保护效果。图4-4为新型防弹衣设计,例4：失重状态下的锤子 在太空中，航天员面

22、临着一些我们在地面上无法想象的问题，一些设备在太空失重状态下无法正常工作或根本无法工作。例如，我们在地面上使崩锤子时，其重量会抵消冲击后可能的反弹；而在太空中，由于没有重力，发生碰撞后，锤子会蹦非常危险的速度反弹向使用者的头部。现在的问题是，如何设计能够在太空中使用的锤子? 首先，让我们来定义技术矛盾。很明显，这里要改善的参数是锤子产生的冲击力(力)，而恶化的参数是很可能伤人的锤子的反弹作用(物体产生的有害因素)。转化为由39个通用工程参数描述的标准技术矛盾，即为力与物体产生的有害因素之间的矛盾。查询矛盾矩阵后找到创新原理13，3，36，24。这些创新原理内容如下：,创新原理13：反向作用原理

23、 a用相反的动作代替问题定义中所规定的动作； b让物体或环境可动部分不动，不动部分可动； c将物体上下或内外颠倒。 创新原理3：局部质量原理 a将物体、环境或外部作用的均匀结构变为不均匀的； b让物体的不同部分各具不同功能； c让物体的各部分处于完成各自功能的最佳状态。 创新原理36：相变原理 利用物质相变时产生的某种效应。如体积改变，吸热或放热。 创新原理24：借助中介物原理 a使用中介物实现所需动作； b把一物体与另一容易去除的物体暂时结合。,综合应用上述创新原理24(a)、3(a)、36、13(a)，我们需要改变锤子的局部结构、在锤子的局部引入一种和锤子(固态)相比具有不同物态的中介物，

24、利用该中介物在锤子冲击时产生的反向作用抵消锤子的反弹。根据创新原理的启发，我们已经有了明确的解题方向。,综合应用各个创新原理的启示，我们需要找一种高密度的液态中介物置于锤头的空腔内，该液体在锤子下落时位于锤头空腔的顶部;冲击的瞬间，液体下落时产生的惯性力场将抵消锤子的反弹力场。我们可以很容易地想到，使用水银是不错的解决方案，这也是实际的工程解决方案。 另外，受到使用中介物原理的启示，我们还可以使用限程带子或者绳索来限定锤子的回弹行程，让锤子无法反弹得太远这在手头没有太空锤的时候，也不失为一个临时解决问题的方法。见图4-5。,油井或气井失火属于重大的牛态灾难，而灭火却异常复杂。使用坦克炮轰击井口

25、和投弹轰炸，希望炸出的土能把井填死。由于井周围半径几十米的地方气温都高达几百摄氏度，其他机械根本无法接近灭火。在很多案例中，火势郁绵延几个月甚至一年多。这期间白白烧掉数十万吨燃料，还对大气造成檄严重的污染。井周围的土壤和地下水都充满了石油产品。,例5 油井和气井的灭火,现在建立初始技术矛盾：为了阻止井口石油喷出，需要让灭火设备接近油井，但是火势根本不允许。简化模型：正面因素可操作性和负面因素外部有害因素，查矛盾阵，得：2,25,28,39 28替代机械系统至少联想纠这样的可能性：寻求新的作用原理，更换作用力和场的结构和进程的作用原理，也就是说寻求新的终止燃烧原理；,2抽取将燃烧区域和氧气(空气

26、)，石油或天然气隔离，不讣它们进入燃烧区域！ 39采用惰性环境实质上就是使用泡沫发生器，并尝试阻止氧气进入燃烧区域，不过这样做的效果不大； 25自服务理想模型：燃烧中的油井自动停止喷油或喷气。 最后一条看来最理想。问题在于何实现。其实，伴随方法2产小了这样的思路：钻出倾斜的副井，让副井在足够安全的深度和失火井的井筒相连，然后通过副井可以向失火井的井筒输送炸药和专门的溶液，以便在深处给失火油井“堵塞”起来。,最有效的解法(图)：俄罗斯研制出一种方法，从安全距离沿一定角度挖一个专门的“地道”通向位于一定深度的事故井的井筒。在与事故井井筒相交部分“地道”可以执行“地下推土机”的作业，逐渐挤住井筒，使

27、井简变窄，直到用岩层完全截断井筒。,图 地道通向紧急井的井筒,每年都有数十名登山运动员和山地滑雪运动员在山上发生雪崩时丧生。雪崩突然发生时，用于实施营救行动的时间非常少。这说明各种关于雪崩营救的建议的可靠性都很低。 这样，作用时间（正面因素）和可靠性（负面因素）成为相互冲突的因素。,例6 雪崩中的营救（不止一次使用矩阵）,直接利用阿奇舒勒矛盾矩阵可得出下列建议的方法：2抽取,13逆向思维,11预先应变措施。我们摘录这些方法中的重要建议：从客体上分离出需要的部分(被营救的人员)；取代任务条件限定的行动(人埋入雪中)，执行反向操作(人从雪中露出)；用事先准备好的救生器材弥补客体可靠性相对不高的缺点

28、。 我们得出综合模型：人的山地装备中应该有事先准备好的器材，它能把人送到雪的表面，不讣他埋入雪中。理想的结果：X-资源，绝对简单的装备，它能够及时把人送到雪的表面。在雪崩中需要“营救圈”!但是不能把这个“圈”背在背上!,对资源的要求：系统上资源不应复杂；空间上 资源不应占很多空间；能量上资源投入使用时不应需要消耗很多能量。这些已经不少了，但是对于某此建设性提示还是不够的。 我们再补充一对相互冲突的特征：装置的复杂性(作为正面因素)和可移动对象的能量消耗(作为负面因素)。也就是说，我们把其中一个因素规定为正面因素，在假定系统中是可以达到的，而另一个因素是负面的，需要改善。于是我们得到了补充建议：

29、28替代机械系统；2抽取；27廉价替代品；29利用气动与液压结构。方法29是关键方法，它直接通向解决方案：取代客体的固态部分，使用气态和液态气胀和水充式结构空气枕。,图 救生充气囊,最有效的解法(图)：德国企业家彼得阿沙乌埃尔提出了新的救生器材由鲜橙色尼龙布制作的充气囊，它被固定在不大的背包里，可以从一个小气瓶中充入压缩氮，人可以在危险时开启气瓶的阀门。,在加工不合格的或席损的废金属以便进行二次利用时，首先要求根据金属的种类对废金属进行分类，比如有色金属，黑色金属等。手工分类能取得不错的结果，但是生产效率非常低。因为必须逐个从废金属中分出部件，把它们运到检测地点进行分析，再运到存放同类部件的地点。使用精确的自动分析器也不