第九章应用TRIZ解决创新问题的实例

第九章应用TRIZ解决创新问题的实例124335第一节污水管材的创新设计第二节薄板玻璃的加工第三节减少热处理过程中的烟雾污染第四节宝马汽车的外形设计第五节飞机机翼的进化下一页返回第九章应用TRIZ解决创新问题的实例67938第六节提高智能吸尘器的清洁效果第七节破冰船的创新设计第八节滚动直线导轨的集成化创新设计第九节计算机辅助创新设计简介上一页返回第九章应用TRIZ解决创新问题的实例利用TRIZ理论解决发明问题时，可能使用到该理论的一个或多个工具，图9-1所示为利用TRIZ理论解决问题的流程图，该图不仅描述了TRIZ理论各工具之间的关系，也描述了产品创新设计问题的解决方法。在解决发明问题时，首先是对给定的问题进行分析，包括系统的功能分析、理想化目标分析以及可用资源分析等。若发现系统存在技术冲突，则利用TRIZ理论提供的技术冲突矩阵加以解决;若所需解决的问题明确，但不知道如何进行处理，则可通过功能分析应用效应知识库直接来解决;也可对需要创新的技术系统进行进化过程的预测，并应用物场理论和76个标准解法找到进化途径。当利用TRIZ理论的工具获得问题的解决方案后，需对候选方案进行评估，包括理想化评估和系统特性评估，检验候选方案是否满足系统目标要求，是否符合进化模式要求。下一页返回第九章应用TRIZ解决创新问题的实例在对候选方案进行评估后，若候选方案达到满意的要求，则进行后续的设计工作;反之，需要利用TRIZ对问题进行反复循环的分析，直到找出解决问题的最终可行方案。由此可见，利用TRIZ理论解决问题的关键是应用之前的前处理和应用之后的后处理。TRIZ作为解决发明问题的比较实用的创新理论，更应强调其在科研和生产实践中的应用，强调由应用而给企业带来的实际效益。下面通过一些实例，介绍TRIZ理论在科研和生产中的应用情况。上一页返回第一节污水管材的创新设计一、应用背景随着国家对环境保护力度的加大，传统的水泥管正在逐步退出市场。20世纪90年代后期，新型替代产品—各类环保排水管材开始在工程上应用。在排污管道领域，应用较多的是塑料管，如PVC双壁波纹管、PE双壁波纹管、高密度聚乙烯(HDPE)缠绕结构壁管等。近年来，采用欧洲瑞士与美国技术制作的镀锌螺旋钢管开始进入国内市场，广泛应用于通风、雨水管道系统中，由于受防腐性能的限制，还没有大量在污水管道工程中使用。二、问题描述下一页返回第一节污水管材的创新设计污水管道系统要求管材具有较高的可靠性，由于管材既要求承受静载荷又要求承受动载荷，所以要求管材必须具有较高的环刚度。由于污水具有一定的酸碱度并伴有沙土等，所以要求管材既要耐腐蚀，又要耐磨损。分析塑料管及镀锌螺旋钢管的性能差别，主要是由于材质不同，而造成两类管材性能上具有的优势不同。镀锌螺旋钢管的优点是环刚度较大，耗材较少，不足是防腐性能一般，并且不耐磨损;塑料管的优点是耐腐蚀、耐磨损，但是环刚度的提高受到限制，耗材较多。三、问题分析根据以上对问题的描述，从承受载荷、提高刚度的角度讲，镀锌螺旋钢管本身强度好，使用镀锌螺旋钢管具有明显的优势，但其本身不耐腐蚀、不耐磨损，可靠性下降，致使其使用寿命降低。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计因此，若要改善镀锌螺旋钢管的耐腐蚀、耐磨损性能，提高其可靠性，就要增加镀锌层的钢板厚度，使运动物体重量增加，提高刚度与消耗钢材之间形成一对明显冲突;从耐腐蚀、耐磨损角度讲，使用塑料管有一定的优势，但当管道直径超过一定值时，塑料管承受载荷加大，其工作可靠性降低，提高刚度与消耗管材之间也形成一对明显冲突。在提高管材可靠性的同时，应降低材料消耗，减轻介质对管道内壁的流动磨损和减少有害介质的浓度。从材料力学的角度考虑，当通过提高材料弹性模量受限时，只能另辟新径采用增强设计，但增强设计只是一个实现理想化的命题，究竟应采用怎样的设计方案能够解决提高刚度与减少材料之间的冲突，从而设计生产出一种新型管材，使其既具有钢管的高刚度性能，又具有塑料管的耐腐蚀、耐酸碱性能呢?上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计四、问题解决1.将一般领域间题描述转换成39项工程参数中的两项，即转换为TRIZ标准间题无论是塑料管还是镀锌螺旋钢管，若要提高其环刚度，就要增加耗材，技术冲突是既要提高管材强度，同时管材的单位重量还要下降。根据对技术冲突的描述，将该技术冲突转换为39项工程参数中的两项:(1)工程参数14号强度:强度指物体受到外力作用时，抵制使其发生变化的能力;或者在外部影响下的抵抗破坏(分裂)和不发生形变的性质。在此问题中，管材强度要提高，为改善的参数。(2)工程参数1号运动物体的重量:运动物体的重量指重力场中的运动物体作用在阻止其自由下落的支撑物上的力，重量也常常表示物体的质量。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计在此问题中，管材的单位重量要提高，为恶化的参数。2.根据得到的工程参数，确定解决间题需要的发明原理根据得到的两个工程参数，改善参数14为强度，恶化参数1为运动物体的重量，查阅阿奇舒勒技术冲突矩阵得到4个创新原理:1号、8号、15号、40号。(1)1号分割原理的基本内容是:①将物体分成独立的部分;②使物体成为可拆卸的;③增加物体的分割程度。(2)8号质量补偿原理的基本内容是:①将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消其质量;②将物体与介质(最好是气动力和液动力)相互作用以抵消其质量。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计(3)15号动态化原理的基本内容是:①物体(或外部介质)的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的;②将物体分成彼此相对移动的几个部分;③使不动的物体成为动的。(4)40号复合材料原理的基本内容是:用复合材料代替单一材料。综合分析以上4条发明原理，其中1号分割原理、8号质量补偿原理、15号动态化原理对该问题的彻底解决指导意义不大，而40号复合材料原理是解决该问题最有价值的发明原理。3.TRIZ解的类比应用得到间题的最终解高密度聚乙烯(HDPE)的物理性能:密度为0.941~0.970g/cm3，熔点为131℃。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计有较好的耐磨性、耐寒性、透气性、不透水性、耐化学药品性、电气绝缘性、耐应力开裂性、硬度和机械强度，较高的结晶度、软化点和使用强度，在室温下几乎不溶于任何有机溶剂。在空气中加热或在日光中照射易老化作用。HDPE具有很好的抗冲击性、耐腐性，在埋地应用上备受欢迎，然而由于它较低的弹性模量值，这使其在用于大口径管道时，遇到一个不可克服的瓶颈——管的环刚度无法提升到符合要求。按照ISO的定义，环刚度由下式表述:SN=EI/D3当直径D增加一倍时，环刚度SN则相应地降低8倍。因而做2000mm口径的管与做500mm口径的管，在技术上的难度不可同日而语。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计因为直径D增加了4倍使得环刚度减少了64倍。若要求保持环刚度SN不变，必须通过增加截面惯性矩I或材料弹性模量E至相当倍数，以抵消直径增加对环刚度产生的影响。而单靠增加I值是不现实的，因为几十倍I值的增加，意味着材料成本成数十倍的增加，同时当I值增加到一定程度时，工艺技术必然遇到难以实现的问题。故必须同时在提升E值方面做文章，才能实现SN值的保持。钢材的高弹性模量刚好使它能够担此重任。表9-1是钢与HDPE的弹性模量的比较。可见在长期条件下，钢的弹性模量是HDPE的近200倍。钢的这一卓越性能是钢塑复合的理论基础。以TRIZ理论中40号复合材料原理用复合材料替代单一材料为指导，采用二层共挤技术复合压延工艺，制成塑料(PVC,PE,PP)膜。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计再与镀锌钢板采用熔融粘贴的工艺制成塑钢复合板材，再以塑钢复合板材为原材料，在专用成管设备上制成复合螺旋波纹管材，如图9-2所示。五、结论将研究对象理想化是自然科学的基本方法之一。理想化是对客观世界中存在物体的一种抽象，这种抽象客观世界既不存在，又不能通过实验验证。理想化的物体是真实物体存在的一种极限状态，对于某些研究起着重要的作用。在TRIZ中理想化是一种强有力的工具，在创新过程中起着重要的作用。上一页下一页返回第一节污水管材的创新设计塑钢复合螺旋波纹钢管与塑料管材相比，管材刚度大幅度提高;与镀锌螺旋钢管相比抗腐蚀性、耐磨损性能提高。以镀锌板材作基体材料连续成型为骨架内管，以塑料片层为防腐抗磨材料，使管材的抗压强度指标、耐腐蚀性、耐磨损性能都得到保证。以TRIZ理论为基础研发的污水管材既具备钢管的高刚度性又有塑料管的高防腐性，因此该产品填补了国内同时具备高刚度性和高防腐性的钢管的空白。上一页返回第二节薄板玻璃的加工一、应用背景某企业需要生产大量的、各种形状的玻璃板。在玻璃板的加工过程中，首先工人需要将玻璃板切成长方形，然后根据客户的要求，加工成一定的形状。然而，在加工过程中，由于薄板玻璃受力时很容易断裂，容易出现玻璃破碎现象，而且玻璃的厚度是客户订单上要求的，不能通过增加玻璃厚度来达到防止玻璃破碎的目的。二、问题描述为了加工出各种形状的玻璃板，薄板玻璃在加工过程中必然会受到力的作用，由于薄板玻璃无法承受该力的作用而发生破碎，从而增加了加工过程的难度。下一页返回第二节薄板玻璃的加工为了避免发生玻璃破碎的现象，工人们在加工过程中必须非常小心。因此，在加工过程中，对薄板玻璃的加工操作就要进行严格的控制，保证玻璃受力不超过极限，以达到加工成型玻璃板的目的。三、问题分析根据以上对问题的描述，发现加工过程的现状是:要生产出满足客户要求的玻璃板，在制造过程中极容易出现玻璃破碎的情况;而要防止玻璃破碎，需要增加玻璃厚度，可这又无法满足客户要求。分析得出薄板玻璃加工过程中存在着一对技术冲突，即玻璃板的可制造性与制造流程的方便性之间的冲突。四、问题解决上一页下一页返回第二节薄板玻璃的加工1.将一般领域间题描述转换成39项工程参数中的两项，即转换为TRIZ标准间题“既要保证玻璃板能加工成型又要避免玻璃的破碎”，从待解决问题的文字叙述中，试着找出问题是由哪些互相矛盾冲突的属性所引起，将文字叙述转换成39项工程参数中的两项:工程参数32号可制造性:可制造性指物体或系统制造过程中简单、方便的程度。这是欲改善的特性，以此作为改善的参数。工程参数33号操作流程的方便性:操作流程的方便性指在操作过程中，如果需要的人数越少，操作步骤越少，以及所需的工具越少，同时又有较高的产出，则代表方便性越高。这是被恶化的特性，以此作为被恶化的参数。上一页下一页返回第二节薄板玻璃的加工2.根据得到的工程参数，确定解决间题需要的发明原理查找阿奇舒勒技术冲突矩阵，从矩阵表查找第32列和第33行对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是2号、5号、13号、16号与前面的发明原理序号对应，得到4条发明原理及其解释如下:(1)2号分离原理:①将物体中“负面”的部分或特性抽取出来;②只从物体中抽取出必要的部分或特性。(2)5号合并原理:①合并空间上的同类或相邻的物体或操作;②合并时间上的同类或相邻的物体或操作。(3)13号反向作用原理:①颠倒过去解决问题的方法;②使物体的活动部分改变为固定的，让固定的部分变为活动的;③翻转物体(或过程)。上一页下一页返回第二节薄板玻璃的加工(4)16号未达到或超过的作用原理:主要体现在现有的方法难以完成对象的100%,可用同样的方法完成“稍少”或“稍多”一点，使问题简化。综合分析以上4条发明原理的解释，其中2号分离原理、13号反向作用原理、16号未达到或超过的作用原理对问题彻底解决的贡献有限，而5号合并原理对问题的彻底解决贡献最大，是最有价值的发明原理。3.TRIZ解的类比应用得到间题的最终解由5号合并原理的解释“合并空间上的同类或相邻的物体或操作”，想到将多层薄板玻璃叠放在一起，从而形成一叠玻璃，而且事先在每层玻璃面上洒一层水或涂一层油，以保证堆叠后的玻璃可以形成足够强的豁附力。一叠玻璃的强度会远大于单层玻璃