解析TRIZ理論在創(chuàng)新設計中的應用

1、解析TRIZ理論在創(chuàng)新設計中的應用米糧川 劉尚（齊齊哈爾大學 機電學院 齊齊哈爾市文化大街167號 郵編161006）摘要：探討TRIZ理論的哲學依據和辯證法思想，分析技術系統(tǒng)的設計和TRIZ理論的原理和方法，解讀ARIZ85算法。關鍵詞：創(chuàng)新，發(fā)明，機械設計，現(xiàn)代設計方法中文分類號：TB21 文獻標識碼：AComprehending TRIZ Theory in the Innovative DesignMI Liang-chuan, LIU Shang(School of Mechanical and Electronic Engineering, Qiqihar University,

2、Qiqihar 161006, China )Abstract: It is given a discussion on the philosophical basis and the dialectic ideas of TRIZ theory, and the design of technique systems is analyzed on the TRIZ principles and methods, and there is a brief interpretation of ARIZ85-Algorithms additional. Key Words: innovation;

3、 invention; mechanical design; modern design method 機械設計的核心是創(chuàng)新。創(chuàng)新能力是當今企業(yè)核心競爭力的重要標志，也是機械工程專業(yè)學生能力與價值的體現(xiàn)。學生通過TRIZ理論的學習，打破思維定勢，激發(fā)創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，為就業(yè)和創(chuàng)業(yè)打下一個良好的基礎。本文依序進行6個方面的分析和講解，對 TRIZ理論的創(chuàng)新方法，做出比較系統(tǒng)的和完整的闡釋。1.TRIZ理論的產生及其哲學內涵 TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文縮略詞的英譯，由前蘇聯(lián)的G.S.Altshuller博士于1946 年創(chuàng)立。他從1946 年開始，領導一批研究人員和學生，在分析研究

4、世界各國250萬件專利的基礎上，從抽樣的20萬件專利中選出4萬件作為解決發(fā)明問題的代表，提出一套進行發(fā)明即產品創(chuàng)新的方法理論TRIZ。20世紀80年代前，它對別國嚴格保密。1992年后隨著蘇聯(lián)解體，一批TRIZ專家移居美國等西方國家，才逐漸流傳到美歐亞和世界各國1。 TRIZ 的出現(xiàn)，給創(chuàng)新這一現(xiàn)代社會中最活躍的元素帶來了革命。TRIZ 提供的不僅僅是一種純粹的創(chuàng)新理論，它還是一種思維模式，能夠幫助我們形成一種系統(tǒng)的、流程化的創(chuàng)新設計思考模式，有助于人們在幾乎所有事情中找到創(chuàng)新的方法2。 TRIZ理論從實踐出發(fā)，通過一系列的實際發(fā)明案例，分析、概括和總結創(chuàng)新的本質和規(guī)律，這是辯證唯物主義哲學基

5、本原理的具體體現(xiàn)。TRIZ理論方法論包含諸多方面的內容，將其進行演繹和歸納，形成系統(tǒng)的理論，與辯證的、全面的、系統(tǒng)的辯證法方法論是一致的。規(guī)律是可以認識和利用的，TRIZ理論中的規(guī)律性發(fā)現(xiàn)可以給人們的實踐以理論上的指導，創(chuàng)新活動中方向明確，方法正確，從而提高創(chuàng)新的預見能力和工作效率。2.創(chuàng)新的規(guī)律性實例和40個發(fā)明原理 創(chuàng)新的案例，經過分析，我們會發(fā)現(xiàn)其方法是有一定規(guī)律的，可以對其進行歸納總結。實例1：模塊化結構，如組合家具、組合機床、組合玩具和組合工具。實例2：整體化結構，如帶橡皮的鉛筆、帶起釘羊角的錘子。實例3：嵌套結構，如俄羅斯套娃、收音機天線、照相機鏡頭和飛機起落架。實例4：預防性方案

6、，如備用降落傘、電器的過載保護開關、宇宙飛船的逃生系統(tǒng)。實例5：利用機械振動的發(fā)明，如電動切刀、碎石機、超聲電磁振蕩冶金爐。實例6：維度拓展，如紅外空中移動式鼠標、平板橋變成拱橋或斜拉橋、電路板雙側安插附件、五軸聯(lián)動金屬切削機床、翻斗卡車。 G.S.Altshuller總結出40個發(fā)明的原理3如表1，以指導人們的創(chuàng)新實踐。 表1 40個發(fā)明原理1.分割2.分離3.局部功能化4.非對稱化5.并行6.多用途7.嵌套8.質量補償9.預加反作用10.事前準備11.備用方案12.等勢性13.逆向換位思考14.屈曲化15.動態(tài)化16.參量欠過法17.維數(shù)變化18.振動19.周期性作用20.加強有效作用21

7、.瞬時作用法22.廢物利用23.反饋24.中介物25.自組織26.副本法27.低成本替代28.替代機械的方法29.氣動或液動30.柔性薄膜方法31.多孔材料32.變換顏色33.同質同屬性作用34.舍棄與修復35.變化參數(shù)36.相變37.熱膨脹38.使用強氧化性39.利用惰性40.材料復合3.技術系統(tǒng)的設計和39個工程參數(shù)設計的目的是滿足一定的功能需求，完成某個特定功能的各個事物的集合，簡稱為技術系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的復雜性，只有將總功能分解為易于實現(xiàn)的基本功能，產品設計才能真正成功?？偣δ芸煞纸鉃榉止δ堋⒆庸δ?，直到分解到基本功能為止。即從根到枝再到葉的分解過程4。技術系統(tǒng)的設計是功能向結構的映射過

8、程（FS模型，F(xiàn)-Function, S-Structure）。實現(xiàn)這一過程的方法，正如我們學了機械原理，然后再學機械設計一樣，在功能和結構之間要加入原理的分析與綜合，因此FS模型演化為FPS模型（F-Function, P-Principle，S-Structure）。近些年歐美國家的研究人員，在功能和結構之間加入了行為（Behavior）的研究階段，為技術系統(tǒng)設計運行方式和性能指標，因此功能-結構的映射模型可以表達為FBPS模型（F-Function, B-Behavior，P-Principle，S-Structure）。其實任何技術系統(tǒng)的研發(fā)，歸根到底是建立在科學效應（Effect）的

9、基礎上的，因此更全面的功能結構映射模型應該是FEBPS模型（F-Function, E-Effect, B-Behaviors，P-Principle，S-Structure）。技術系統(tǒng)經過設計、制造、裝配和調試，或者在產品全壽命周期的某個階段，人們會發(fā)現(xiàn)對技術系統(tǒng)的某項或某些需求會產生矛盾，對于技術系統(tǒng)某一個參數(shù)的改進會導致另一個參數(shù)的惡化的沖突。例如，汽車的功能需求，即需要它跑得快，發(fā)揮其技術系統(tǒng)的能力，又要求它跑得慢，以增加安全性，即快又慢的要求構成一對矛盾；結構設計，結構的重量與強度構成了一對沖突，減輕結構的重量就必然削弱結構的強度，反之，增加結構的強度則必須增加結構的重量。這些矛盾與

10、沖突也是推動技術系統(tǒng)進化的內在動力，對于沖突問題，通常的解決方案是采用折衷的方法，而TRIZ 則強調運用創(chuàng)造性的思維把沖突徹底消除。Altshuller對大量的發(fā)明專利研究發(fā)現(xiàn)，盡管它們所屬技術領域不同，處理的問題千差萬別，但是隱含的系統(tǒng)沖突數(shù)量是有限的。他整理歸納出引起技術系統(tǒng)產生矛盾和沖突的39個工程參數(shù)5如表2，并且構建了矛盾沖突與發(fā)明原理原理之間的對應關系矩陣，以資參考。表2 39個工程參數(shù)1.運動物體的質量2.靜止物體的質量3.運動物體的長度4.靜止物體的長度5.運動物體的面積6.靜止物體的面積7.運動物體的體積8.靜止物體的體積9.速度10.力11.應力或壓力12.形狀13.結構的

11、穩(wěn)定性14.強度15.運動物體作用時間16.靜止物體作用時間17.溫度18.光照度19.運動物體的能量20.靜止物體的能量21.功率22.能量損失23.物質損失24.信息損失25.時間損失26.事或物的數(shù)量27.可靠性28.測試精度29.制造精度30.穩(wěn)健性31.派生的有害因素32.可制造性33.可操作性34.可維修性35.適應性和多用性36.裝置的復雜性37.監(jiān)控的難易性38.自動化程度39.生產率 通過解決技術系統(tǒng)的矛盾與沖突，技術系統(tǒng)不斷改進和完善，顯現(xiàn)出進化的特性，經過統(tǒng)計分析，技術系統(tǒng)進化呈現(xiàn)八大趨勢：1）技術系統(tǒng)是有生命周期的，一般都要經歷產生、成長、成熟和老化消亡的過程；2)技術

12、系統(tǒng)的理想化程度向不斷增加的方向發(fā)展；3）技術系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的進化是不均衡的，要著力解決這一問題；4）系統(tǒng)的動態(tài)性和可控性不斷增加；5）通過集成增加系統(tǒng)的功能；6）系統(tǒng)的構成元素要進行匹配性調整；7）系統(tǒng)由宏觀向微觀進化；8）系統(tǒng)向自動化和智能化方向發(fā)展1。4.物-場模型 物質-場模型是TRIZ法重要的分析工具，是用來分析與現(xiàn)存技術有關的建模問題的（Modeling Problems）。所有技術系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)某種功能，所有的系統(tǒng)都可分解為由兩個物質(S1,S2)和一個場(F)三個基本元件組成。其中物質S1是系統(tǒng)動作的接受者,場F通過物質S2作用于物質S1并改變S1。物質S1和S2：二者定義

13、取決于每一個具體的應用，它們可以是整個系統(tǒng)、子系統(tǒng)或單個物體，可以是材料、工具、零件、人或環(huán)境等任何東西。場：為系統(tǒng)提供能量，促使系統(tǒng)發(fā)生反應，從而可以實現(xiàn)某種效應。這種效應可以作用于S2上，或作用在場信息的輸出物上。物質-場模型簡稱物場模型，相應的分析稱為物場分析。 物-場分析擬定功能，設計物-場的構成保障功能的實現(xiàn)，Altshuller等提出了76種設計和改進物-場模型以實現(xiàn)功能的標準解法，分為五類： 1）不改變或僅少量改變已有系統(tǒng)（13種標準解法）;2）改變已有系統(tǒng)（23種標準解法）;3）系統(tǒng)傳遞（6種標準解法）;4）檢查與測量（17種標準解法）;5）簡化與改善策略（17種標準解法）6。

14、原創(chuàng)性設計，從無到有，一般要依據物-場模型展開工作。5.ARIZ85-AS算法的解讀 ARIZ85-AS算法集成了TRIZ理論中絕大多數(shù)工具，包括技術沖突、物理矛盾、物-場分析與標準解法，以及技術系統(tǒng)進化模式。出自TRIZ創(chuàng)始人Altshuller之手的最典型、最常用的算法流程如圖1所示1。這一算法模型，也應該是建立在辯證唯物主義方法論基礎之上的。根據發(fā)明專利的統(tǒng)計分析，技術矛盾的百分比是最高的，因此對于生產實踐中的技術系統(tǒng)問題，我們首先要考慮發(fā)現(xiàn)技術沖突和解決技術矛盾入手，推進技術系統(tǒng)的進步。其次，解決物理需求的矛盾。對于技術系統(tǒng)的深層次問題，需要借助物-場模型加以解決?，F(xiàn)有的模型無以為繼時

15、，需要從源頭上進行需求與功能的分析。系統(tǒng)進化一般不會脫離發(fā)展的大趨勢，技術系統(tǒng)更要汲取時代最新的科學思想與技術成果，有所創(chuàng)新、有所發(fā)展。ARIZ85-AS算法如圖1所示。 圖1 ARIZ85-AS算法6.結束語創(chuàng)新是當代生產力發(fā)展的實現(xiàn)機制,國家的繁榮進步歸根到底取決于生產力的發(fā)展,科學和技術成了第一位的生產力,新科技革命迅猛發(fā)展，原始創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和系統(tǒng)集成的作用日益突出，創(chuàng)新成為提高國家綜合競爭力的決定性因素。中國必須從技術依賴型、資源依附型、環(huán)境污染型、發(fā)展粗放型轉向創(chuàng)新驅動型、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、發(fā)展集約型的路子，即科學發(fā)展、自主創(chuàng)新的道路7?！弊灾鲃?chuàng)新，方法先行”，科學思維和科學

16、方法是創(chuàng)新的靈魂。我們比以往任何時候都更加迫切需要堅實的科學理論基礎和有力的技術方法的支撐。參考文獻1 沈世德.TRIZ法簡明教程M. 北京:機械工業(yè)出版社，2010.2 HEATHER M. Analysis of the Evolution of Training Tools and Systems Using the TRIZ MethodologyEB/OL . TRIZ Journal, February,2001. http: / / www. TRIZ- journal. com3 Inventive Principles with ExamplesEB/OL. TRIZ Journal, Dece