解析TRIZ理论在创新设计中的应用

解析TRIZ理论在创新设计中的应用米粮川刘尚（齐齐哈尔大学机电学院齐齐哈尔市文化大街167号邮编161006）摘要：探讨TRIZ理论的哲学依据和辩证法思想，分析技术系统的设计和TRIZ理论的原理和方法，解读ARIZ85算法。关键词：创新，发明，机械设计，现代设计方法中文分类号：TB21文献标识码：AComprehendingTRIZTheoryintheInnovativeDesignMILiang-chuan,LIUShang(SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,QiqiharUniversity,Qiqihar161006,China)Abstract:ItisgivenadiscussiononthephilosophicalbasisandthedialecticideasofTRIZtheory,andthedesignoftechniquesystemsisanalyzedontheTRIZprinciplesandmethods,andthereisabriefinterpretationofARIZ85-Algorithmsadditional.KeyWords:innovation;invention;mechanicaldesign;moderndesignmethod机械设计的核心是创新。创新能力是当今企业核心竞争力的重要标志，也是机械工程专业学生能力与价值的体现。学生通过TRIZ理论的学习，打破思维定势，激发创新潜能，培养创新意识，为就业和创业打下一个良好的基础。本文依序进行6个方面的分析和讲解，对TRIZ理论的创新方法，做出比较系统的和完整的阐释。1.TRIZ理论的产生及其哲学内涵TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文缩略词的英译，由前苏联的G.S.Altshuller博士于1946年创立。他从1946年开始，领导一批研究人员和学生，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，从抽样的20万件专利中选出4万件作为解决发明问题的代表，提出一套进行发明即产品创新的方法理论TRIZ。20世纪80年代前，它对别国严格保密。1992年后随着苏联解体，一批TRIZ专家移居美国等西方国家，才逐渐流传到美欧亚和世界各国[1]。TRIZ的出现，给创新这一现代社会中最活跃的元素带来了革命。TRIZ提供的不仅仅是一种纯粹的创新理论，它还是一种思维模式，能够帮助我们形成一种系统的、流程化的创新设计思考模式，有助于人们在几乎所有事情中找到创新的方法[2]。TRIZ理论从实践出发，通过一系列的实际发明案例，分析、概括和总结创新的本质和规律，这是辩证唯物主义哲学基本原理的具体体现。TRIZ理论方法论包含诸多方面的内容，将其进行演绎和归纳，形成系统的理论，与辩证的、全面的、系统的辩证法方法论是一致的。规律是可以认识和利用的，TRIZ理论中的规律性发现可以给人们的实践以理论上的指导，创新活动中方向明确，方法正确，从而提高创新的预见能力和工作效率。2.创新的规律性实例和40个发明原理创新的案例，经过分析，我们会发现其方法是有一定规律的，可以对其进行归纳总结。实例1：模块化结构，如组合家具、组合机床、组合玩具和组合工具。实例2：整体化结构，如带橡皮的铅笔、带起钉羊角的锤子。实例3：嵌套结构，如俄罗斯套娃、收音机天线、照相机镜头和飞机起落架。实例4：预防性方案，如备用降落伞、电器的过载保护开关、宇宙飞船的逃生系统。实例5：利用机械振动的发明，如电动切刀、碎石机、超声电磁振荡冶金炉。实例6：维度拓展，如红外空中移动式鼠标、平板桥变成拱桥或斜拉桥、电路板双侧安插附件、五轴联动金属切削机床、翻斗卡车。G.S.Altshuller总结出40个发明的原理[3]如表1，以指导人们的创新实践。表140个发明原理1.分割2.分离3.局部功能化4.非对称化5.并行6.多用途7.嵌套8.质量补偿9.预加反作用10.事前准备11.备用方案12.等势性13.逆向换位思考14.屈曲化15.动态化16.参量欠过法17.维数变化18.振动19.周期性作用20.加强有效作用21.瞬时作用法22.废物利用23.反馈24.中介物25.自组织26.副本法27.低成本替代28.替代机械的方法29.气动或液动30.柔性薄膜方法31.多孔材料32.变换颜色33.同质同属性作用34.舍弃与修复35.变化参数36.相变37.热膨胀38.使用强氧化性39.利用惰性40.材料复合3.技术系统的设计和39个工程参数设计的目的是满足一定的功能需求，完成某个特定功能的各个事物的集合，简称为技术系统。由于系统的复杂性，只有将总功能分解为易于实现的基本功能，产品设计才能真正成功。总功能可分解为分功能、子功能，直到分解到基本功能为止。即从根到枝再到叶的分解过程[4]。技术系统的设计是功能向结构的映射过程（FS模型，F-Function,S-Structure）。实现这一过程的方法，正如我们学了《机械原理》，然后再学《机械设计》一样，在功能和结构之间要加入原理的分析与综合，因此FS模型演化为FPS模型（F-Function,P-Principle，S-Structure）。近些年欧美国家的研究人员，在功能和结构之间加入了行为（Behavior）的研究阶段，为技术系统设计运行方式和性能指标，因此功能-结构的映射模型可以表达为FBPS模型（F-Function,B-Behavior，P-Principle，S-Structure）。其实任何技术系统的研发，归根到底是建立在科学效应（Effect）的基础上的，因此更全面的功能结构映射模型应该是FEBPS模型（F-Function,E-Effect,B-Behaviors，P-Principle，S-Structure）。技术系统经过设计、制造、装配和调试，或者在产品全寿命周期的某个阶段，人们会发现对技术系统的某项或某些需求会产生矛盾，对于技术系统某一个参数的改进会导致另一个参数的恶化的冲突。例如，汽车的功能需求，即需要它跑得快，发挥其技术系统的能力，又要求它跑得慢，以增加安全性，即快又慢的要求构成一对矛盾；结构设计，结构的重量与强度构成了一对冲突，减轻结构的重量就必然削弱结构的强度，反之，增加结构的强度则必须增加结构的重量。这些矛盾与冲突也是推动技术系统进化的内在动力，对于冲突问题，通常的解决方案是采用折衷的方法，而TRIZ则强调运用创造性的思维把冲突彻底消除。Altshuller对大量的发明专利研究发现，尽管它们所属技术领域不同，处理的问题千差万别，但是隐含的系统冲突数量是有限的。他整理归纳出引起技术系统产生矛盾和冲突的39个工程参数[5]如表2，并且构建了矛盾冲突与发明原理原理之间的对应关系矩阵，以资参考。表239个工程参数1.运动物体的质量2.静止物体的质量3.运动物体的长度4.静止物体的长度5.运动物体的面积6.静止物体的面积7.运动物体的体积8.静止物体的体积9.速度10.力11.应力或压力12.形状13.结构的稳定性14.强度15.运动物体作用时间16.静止物体作用时间17.温度18.光照度19.运动物体的能量20.静止物体的能量21.功率22.能量损失23.物质损失24.信息损失25.时间损失26.事或物的数量27.可靠性28.测试精度29.制造精度30.稳健性31.派生的有害因素32.可制造性33.可操作性34.可维修性35.适应性和多用性36.装置的复杂性37.监控的难易性38.自动化程度39.生产率通过解决技术系统的矛盾与冲突，技术系统不断改进和完善，显现出进化的特性，经过统计分析，技术系统进化呈现八大趋势：1）技术系统是有生命周期的，一般都要经历产生、成长、成熟和老化消亡的过程；2)技术系统的理想化程度向不断增加的方向发展；3）技术系统中各个子系统的进化是不均衡的，要着力解决这一问题；4）系统的动态性和可控性不断增加；5）通过集成增加系统的功能；6）系统的构成元素要进行匹配性调整；7）系统由宏观向微观进化；8）系统向自动化和智能化方向发展[1]。4.物-场模型物质-场模型是TRIZ法重要的分析工具，是用来分析与现存技术有关的建模问题的（ModelingProblems）。所有技术系统的作用是实现某种功能，所有的系统都可分解为由两个物质(S1,S2)和一个场(F)三个基本元件组成。其中物质S1是系统动作的接受者,场F通过物质S2作用于物质S1并改变S1。物质S1和S2：二者定义取决于每一个具体的应用，它们可以是整个系统、子系统或单个物体，可以是材料、工具、零件、人或环境等任何东西。场：为系统提供能量，促使系统发生反应，从而可以实现某种效应。这种效应可以作用于S2上，或作用在场信息的输出物上。物质-场模型简称物场模型，相应的分析称为物场分析。物-场分析拟定功能，设计物-场的构成保障功能的实现，Altshuller等提出了76种设计和改进物-场模型以实现功能的标准解法，分为五类：1）不改变或仅少量改变已有系统（13种标准解法）;2）改变已有系统（23种标准解法）;3）系统传递（6种标准解法）;4）检查与测量（17种标准解法）;5）简化与改善策略（17种标准解法）[6]。原创性设计，从无到有，一般要依据物-场模型展开工作。5.ARIZ85-AS算法的解读ARIZ85-AS算法集成了TRIZ理论中绝大多数工具，包括技术冲突、物理矛盾、物-场分析与标准解法，以及技术系统进化模式。出自TRIZ创始人Altshuller之手的最典型、最常用的算法流程如图1所示[1]。这一算法模型，也应该是建立在辩证唯物主义方法论基础之上的。根据发明专利的统计分析，技术矛盾的百分比是最高的，因此对于生产实践中的技术系统问题，我们首先要考虑发现技术冲突和解决技术矛盾入手，推进技术系统的进步。其次，解决物理需求的矛盾。对于技术系统的深层次问题，需要借助物-场模型加以解决。现有的模型无以为继时，需要从源头上进行需求与功能的分析。系统进化一般不会脱离发展的大趋势，技术系统更要汲取时代最新的科学思想与技术成果，有所创新、有所发展。ARIZ85-AS算法如图1所示。图1ARIZ85-AS算法6.结束语创新是当代生产力发展的实现机制,国家的繁荣进步归根到底取决于生产力的发展,科学和技术成了第一位的生产力,新科技革命迅猛发展，原始创新、技术创新和系统集成的作用日益突出，创新成为提高国家综合竞争力的决定性因素。中国必须从技术依赖型、资源依附型、环境污染型、发展粗放型转向创新驱动型、资源节约型、环境友好型、发展集约型的路子，即科学发展、自主创新的道路[7]。”自主创新，方法先行”，科学思维和科学方法是创新的灵魂。我们比以往任何时候都更加迫切需要坚实的科学理论基础和有力的技术方法的支撑。参考文献[1]沈世德.TRIZ法简明教程[M].北京:机械工业出版社，2010.[2]HEATHERM.AnalysisoftheEvolutionofTrainingToolsandSystemsUsingtheTRIZMethodology[EB/OL].TRIZJournal,February,2001.[3]InventivePrincipleswithExamples[EB/OL].TRIZJournal,December,1997.[4]梅顺齐，何雪明.现代设计方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2009[5]谢里阳.现代机械设计方法[M].北京：机械工业出版社，2011.[6]JamesKowalick.Altshuller’sGreatestDiscovery-andBeyond[EB/OL].TRIZJournal,August,1997.[7]建设创新型国家[EB/OL].