6-物场分析

发明问题解决理论（TRIZ）物-场分析东北林业大学TRIZ理论教学研究室不同学科在解决问题时，首先需要建立一个问题模型，以分析问题，揭开问题实质和发现潜在问题。TRIZ理论中的物-场分析方法（Substance-FieldAnalysis）是一个针对问题建模分析的工具（ModelingProblems）。TRIZ的工具体系问题模型工具解决方案模型5x10乘法表50HCL+NaOH化学反应式NaCL+H20TRIZ:技术矛盾矛盾矩阵创新原理TRIZ:物理矛盾分离原理知识库分离原则知识库中的方案TRIZ:功能化模型知识库知识库中的方案TRIZ:物场模型标准解法系统标准解法物场分析(Substance-FieldAnalysis)在TRIZ理论中，为寻找新的技术方案通常采用各种模型，这些模型反映技术系统发展的基本特征和规律。物场分析是TRIZ的一项工具，可分析并改进技术系统的功能。物-场模型分析是TRIZ理论中的一种重要的问题描述和分析工具，用以建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型。在问题的解决过程中，可以根据物-场模型所描述的问题，来查找相对应的一般解法和标准解法。物场分析物场分析在任何一种发明课题中，都应有物体，物体与外界环境(或其它物体)相互作用。也就是说，从课题所需要的答案中，一般必需具有两个物体和一个场这三个角色。技术系统功能的物-场模型技术系统的目的是执行功能(Function)。它的基本组成包括两个物质(Substance)和它们之间的作用力，称为场(Field)。场是产生作用力的一种能量。FS1S2物场分析(Substance-FieldAnalysis)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。物质的种类材料工具零件人环境广义的物质可以包括任何东西。对于“物”应理解为，它是一种与任何结构、功能、形状、材质等复杂性无关的物体。一般地，S1表示工件，s2表示工具。值得注意的是物场分析中的“物质”比我们一般理解的含义更广一些：它的内容不仅包括各种材料，还包括技术系统（或其组成部分）、外部环境甚至活的有机体，这样做的目的在于，物场分析为了简化解决问题的进程，需要人们抛开（暂时忘掉）物体所有多余的特性，只区分出那些引起冲突的特性。场的种类机械场（重力场）：秤、汽车在公路行驶轮胎与路面摩擦声场：医生听诊器、B超热场：温度计变化化学场：分解、化合电场：电子仪器的工作磁场：指南针物场分析中的场的概念同样有别于物理学中的场。物理场有重力场、电磁场、强相互作用场和弱相互作用场。在物场分析中使用了更细的分类法：力场、声场、热能场、电场、磁场、电磁场、光学场、电离辐射场、放射性辐射场、化学场、气味场等。系统的作用就是实现某种功能，理想的功能是场Field(F)通过物质Sub-stance2(S2)作用于Substance1(S1)并改变S1。其中，物质(S1和S2)的定义取决于每个具体的应用。S1是系统动作的接受者，S2通过某种形式作用在S1上。实例1：实现吸尘器功能（引入缺少的机械场建立完整的物场模型）地毯吸尘器机械场FS1S2S2吸尘器S1地毯实例2铣刀切割零件机械场零件铣刀实例3人油漆墙壁化学场人墙壁什么是标准解法？标准解法是指不同领域发明问题的通用解法，具有应用的广泛性、一致性和有效性。标准解法是TRIZ理论研究技术系统转化和发展的工具之一。是通过物－场模型来使设计人员能有序地进行解决发明问题的方法。问题模型应用最终方案待解决的问题物场模型TRIZ的解题模式转化解决方案模型标准解法标准解法系统最基本的物场模型(Su-Fmodel)物场模型是将一个技术系统分成两个物质与一个场，用一个三角形来表示每个系统所实现的功能。S1－物质1：是一种需要改变、加工、位移、发现、控制、实现等的“目标”S2－物质2：是实现必要作用的“工具”F1－场:代表“能量”、“力”，是实现两个物质间的相互作用、联系和影响。FS1S2物场模型的符号系统有关联的关系定向、有效、作用定向、有害的作用定向、有效、不充分的作用缺乏信息的作用定向、过度的作用??模型间的转换相互作用物-场分析法是使用一种用图形描述系统内零部件之间相互关系的符号语言，与文字语言相比，可以更加清楚直观地描述零部件之间的相互关系。常用物场符号符号意义需要的（必要的）效果不足的效果有害的效果常用物场模型的可能状况需要的效果不足例如：炉壁过热，冷却功能不足产生有害的效果例如：炉壁因生火而过热需要的效果没有发生例如：炉壁没有冷却功能,因而过热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，也可能是缺少物质（工具）。一般解法：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。物场模型类型与一般解法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。一般解法：1）增加另一物质S3来阻止有害效应的产生，S3可以是现成物质，或是S1、S2的变异、或是通过分解环境而获得的物质。2）增加另一个场F2来平衡产生有害效应的场物场模型类型与一般解法物场模型类型与一般解法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。一般解法：1）用另一个场F2代替原来的场F1；2）增加另外一个场F2来强化有用的效应；3）增加物质S3并加上另一个场F2来强化有用效应。模型问题一（不完整模型）需要的效果没有产生，表示模型缺少一至两个组件S2S1一般解法1：增加需要的组件，完成物场三角形FS2S1不完整→有效完整的物场模型S1S2S1S2FS1S2钉子锤子机械场FS1S2缺少工具和力缺少力和加工对象缺少力实例：人们实现持枪有效射击没有子弹的枪不可能进行有效射击S1或S1+S2FS1S2枪枪栓的作用力子弹举例一个液体(S1)含有空气泡(S2)，使用离心机，增加离心力(增加机械场F)可以分离空气泡模型问题二（有害完整模型）模型的三个组件都在，但是两个物质间存在有害的相互作用FS2S1一般方法2：引进物质(S3)引进第三种物质(S3)，它应该是原有两种物质之一的变种。FS2S1S3实例：保护铆钉（引入现成物质S3）S3FS1S2FS1S2铆钉锤子机械场机械场铆钉锤子中介物（垫块）实例：利用托盘保护手FS1S2热茶壶手机械场FS1S2S3机械场热茶壶手托盘为防止热茶壶烫手，增加一个托盘实例：外科手术中的橡胶手套FS1S2FS1S2S3病人橡胶手套病人医生的手医生的手举例要增加办公室的隐密性，窗玻璃改为磨砂玻璃实例：高温焦炭的输送高温焦炭传送带热场FS1S2热场FS1S2S3碎焦炭引入已存在物质S1高温焦炭的变异物碎焦炭S3，来达到消除高温焦炭对传送带的有害效应。高温焦炭传送带实例：设计太空中安全使用的锤子在锤头的空腔内引入水银S3，在锤子下落冲击时的瞬间，由水银产生的惯性力将抵消了锤子的反弹力。机械力FS1S2被敲击物质锤子锤子FS1S2＋S3水银机械力被敲击物质一般解法3：增加另一个场(F2)，用来平衡产生有害效果的场。需要评估各种力场。（用第二个场F2来消除有害作用）F2FS2S1举例要避免零件在加工时弯曲，增加一个相对的力。实例：防止车床加工细长轴工件的变形利用与长轴协同振动频率的支架产生的反作用力来防止细长轴的变形细长轴机械力F1刀具支架的反作用力F2机械力F1刀具细长轴模型的三个组件都在，但是需要的效果不足FS2S1模型问题三效应不足的完整模型一般解法4：改用新的场(F2)或场和物质(F2+S3)来代替原有的场(F1)或场和物质(F1+S1)FS2S1F2S3实例：穿着普通鞋子在冰面上行走摩擦力带钉子的鞋子冰面S1FS2有效的、定向的、充分的作用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：换上钉鞋摩擦力鞋子冰面S1FS2有效的、定向的、不充分的作用实例：利用抗凝血剂防止血液凝固血液心肺机化学场(心肺机肝素)化学场血液一般解法5：增加一个新的场(F2)来增强需要的效果FS2S1F2要黏合两个零件过程中，胶水还没有完全凝固之前，用夹子帮助固定，夹子的夹紧力就是外加的场F2。举例为增强一可控性很差，已有的物质又不能改变的物场模型，可引入另一个场F2，使其向并联式物场模型转换。F1S1S2F1S1S2S1S2F2实例：快速用铲刀去除墙上的壁纸（引入第2个温度场）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机械力墙面壁纸墙面高温蒸汽F1F1S1S1S2S2F2一般解法6：增加新的场(F2)和物质(S3)来加强原有的效果F1S2S1F1S3S1F2S2引入新的场F2和物质S3，将原物场模型中的一个物质（S1或S2)用一个完整的、可独立控制的物场模型来替代，形成串联式（链式）物场模型FS1S2F1S1S3F2S2实例：让带有衬垫紧固件中的楔子轻而易举地拔出（引入易熔合金衬垫S3和热场F2形成链式物场模型）经加热后，易熔合金衬垫熔化，楔子就能轻而易举地被拔出。楔子S1易熔合金衬垫S3F2热场F1机械场衬垫S2楔子S1衬垫S2F1机械场实例：人工碎石（直接用榔头击岩石效应不足）岩石S1榔头S2F1机械力人工碎石引入凿子（向串联式物场模型转换）机械力凿子机械力岩石S1F1S3榔头SF2岩石S1榔头S2F1机械力2实例：车轮打滑的解决途径（向串联式物场模型转换）车轮冰雪路面机械场F1S1S2解决方案车轮打滑的解决途径（引入沙土或防滑链S3,向串联式物场模型转换)、车轮冰雪路面机械场F1S1S2车轮机械场F1S1防滑链冰雪路面机械场F2S3S2车轮机械场F1S1沙土冰雪路面机械场F2S3S2实例：在海上航道浮标内冲入海水，以加强浮标的稳定性；实例：船体装备的“龙骨压载水箱”，利用船体内置的水箱来增强船体的稳定性。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物-场模型分析的应用物-场模型的6个一般解法，如果能够结合在一起应用，可以更有效地解决问题。建议使用以下步骤进行。1)确定相关的元素。首先根据问题所存在的区域和问题的表现，确定造成问题的相关元素，以缩小问题分析的范围。2)联系问题情形，确定并完成物-场模型的绘制。根据问题情形，表述相关元素间的作用，确定作用的程度，绘制出问题所在的物-场模型，模型反映出的问题与实际问题应该是一致的。3)选择物-场模型的一般解法。按照物-场模型所表现出的问题，查找此类物-场模型的一般解法，如果有多个，则逐个进行对照，寻找最佳解法。4)开发设计概念。将一般解法与实际问题相对照，并考虑各种限制条件下的实现方式，在设计中加以应用，从而形成产品的解决方案。纯铜板的清洗问题描述:在纯铜电解生产过程中，少量的电解液会残留在铜板表面的微孔中，在铜板存储过程中，这些残留的电解液会挥发出来而形成氧化斑点，从而影响铜板表面质量并降低其价值。为避免这种损失，在存储之前先清洗铜板，以去除铜板表面微孔中的残留电解液。但是，由于微孔非常小，微孔中的电解液很难能够得到彻底清洗。该如何改进纯铜的清洗呢?第1步:确定相关的元素根据原来的水洗工艺，确定相关的元素为:S1—电解液（对象）。S2—水（工具）。F—机械冲击力(清洗)。第2步:模型绘制联系问题情形，确定并完成物-场模型的绘制本问题属于第3类模型，对应模型如图所示。是效应不足的完整模型。第3步:选择物-场模型的一般解法第3类模型:效应不足的完整模型，有3个一般解法:4，5，6。本问题选择的一般解法是5和6。第4步:开发设计概念(1)应用一般解法5。增加另外一个场F:来强化有用效应。见图所示。通过系统地研究各种能量场来选择可用的场形式。F2—机械冲击力，使用超声波清洗;F2—热冲击力，用热水清洗;F2—化学冲击力，使用表面活性剂溶解来加强残