b006物質(zhì)—場分析

1、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理 第六講：物質(zhì)場分析90分鐘目的：1、掌握物質(zhì)-場模型的構(gòu)建方法 2、掌握物質(zhì)-場模型分析系統(tǒng)的方法課程大綱一、物質(zhì)-場的概念二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模三、典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解 在物質(zhì)-場中如何增加新物質(zhì) 如何在物質(zhì)場中引入場Altshuller認(rèn)為，所有的功能都可以分解為兩種物質(zhì)和一種場，即一種功能由兩種物質(zhì)及一種場三個(gè)要素組成，分別是目標(biāo)、工具和場。產(chǎn)品是功能的一種實(shí)現(xiàn)，因此，可用物質(zhì)-場（Substance-Field：Su-Field）分析產(chǎn)品的功能，把已有技術(shù)系統(tǒng)的問題模型化，這種方法是TRIZ最重要的分析工具之一。引 言物質(zhì)（S）是指各種復(fù)雜級別的物體的通

2、用稱謂，有可能是單一的元件（如螺栓、銷、杯子），也可能指復(fù)雜的系統(tǒng)（汽車、航空器、或者大型計(jì)算機(jī)主機(jī)）。物質(zhì)的狀態(tài) 典型的物理狀態(tài)（如真空態(tài)、等離子態(tài)、氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)）。 大量的中間態(tài)和混合態(tài)（比如煙霧、泡沫、粉末、凝膠、氣溶膠、沸石）。 這些狀態(tài)的物質(zhì)有各自特性，如熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)以及其他特性（熱絕緣、半導(dǎo)體、鐵磁性、發(fā)光體等等）。1、什么是物質(zhì)？物質(zhì)-場的概念一、完成某個(gè)過程的作用或形式稱作場。場（F）在TRIZ中包括： 物理場：電磁場、重力場、強(qiáng)相互作用，弱相互作用，還有光學(xué)場、化學(xué)場、聲學(xué)場等。TRIZ的場提供能量流、信息流、力、相互作用或產(chǎn)生某種效果的反作用。場的存在必須依賴

3、于某種物質(zhì)的存在，物質(zhì)是場的來源。2、什么是場？物質(zhì)-場的概念一、物質(zhì)-場的概念一、 3、最小技術(shù)系統(tǒng)：物質(zhì)場模型 TRIZ中最小的具有機(jī)能、可控的技術(shù)系統(tǒng)的圖形表現(xiàn)就稱為物質(zhì)-場模型（Su-Field Model）。 兩種物質(zhì)、一種能量及其相互作用可以完成單一功能，所以構(gòu)成一個(gè)最小技術(shù)系統(tǒng)，在TRIZ中稱為“物質(zhì)場” 。物質(zhì)-場的概念一、S1表示物質(zhì)，S2表示工具，表示能量。 兩種物質(zhì)S1及S2，一種場，所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為物質(zhì)場。其模型如圖所示。物質(zhì)-場的概念一、物質(zhì)場分析過程的符號系統(tǒng)如表所示：物質(zhì)-場的概念一、4、物質(zhì)與場之間的相互作用物質(zhì)-場的概念一、 物質(zhì)之間的相互作用通過場進(jìn)行，與可

4、以相同或不同。相同時(shí)可以去掉。物質(zhì)-場的概念一、例：物質(zhì)-場的概念一、F input 輸入場 F control 控制場F output 輸出場 Substance(s) 物質(zhì)(組)P 參數(shù), 如形狀、維數(shù)、空間等二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模1、熱膨脹的物質(zhì)-場模型物質(zhì)的輸入為熱量，輸出為力及物質(zhì)的形狀。二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模2、壓電效應(yīng)物質(zhì)-場模型壓電晶體在受到壓力的作用下產(chǎn)生電壓。二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模3、效應(yīng)鏈將單一效應(yīng)組合，可以形成效應(yīng)鏈。二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模4、物理效應(yīng)物質(zhì)-場模型的應(yīng)用例: 微調(diào)節(jié)注射泵是在生物體內(nèi)注入或提取微量液體的裝置。由針頭、柱塞、

5、容器構(gòu)成。柱塞的移動借助于手工或電驅(qū)動裝置完成。現(xiàn)代微調(diào)節(jié)注射泵的精度可達(dá)到0.01L。二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模步驟1： 確定物質(zhì)S1. 被移動的液體， S1liquid步驟2: 確認(rèn)S1如何被改變. S1liquid被移出容器.步驟3: 確認(rèn)導(dǎo)致該變化的F1. 機(jī)械場(力) F1mechanical 可以導(dǎo)致該變化. 步驟4: 這種場存在嗎? 假定不存在, 轉(zhuǎn)步驟5.二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模步驟5: 確認(rèn)能產(chǎn)生F1mechanical的F2S2. (1) 熱膨脹效應(yīng): Fthermal Ssolid or liquid (2) 壓電效應(yīng): Felectrical Spiezoce

6、ramics (3) 磁彈性效應(yīng): Fmagnetic Sferromagnetic步驟6: 產(chǎn)生概念 Fthermal Ssolid or liquid : 加熱固體或液體,產(chǎn)生膨脹,使 液體移動; Felectrical Spiezoceramics: 電場中的壓電晶體膨脹,使液體移動; Fmagnetic Sferromagnetic: 磁場中的磁彈性材料膨脹,使液體移動.二、基于物質(zhì)-場的物理效應(yīng)建模技術(shù)系統(tǒng)可以用物質(zhì)-場模型描述。典型的模型如圖所示。S1S1FS1S2S1S2F1S1S2F1F2S1S2F1F2S3S1F1F2S1S2F2F1(1)(2)(3)不完整的物質(zhì)場 (4)完

7、整的物質(zhì)場 (5)并聯(lián)的物質(zhì)場 (6)串聯(lián)的物質(zhì)場 （1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）(7)(8)用于檢測的物質(zhì)場典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、 假如待改進(jìn)的系統(tǒng)建立了物質(zhì)-場模型，將該物質(zhì)-場模型傳遞到新狀態(tài)的方法稱為標(biāo)準(zhǔn)解。初始物質(zhì)-場模型為ISM， 需要的物質(zhì)-場模型為DSM。其過程如圖：根據(jù)問題描述建立初始物質(zhì)場模型（ISM） 結(jié)合（ISM）與典型物質(zhì)場模型 識別對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)解 編寫需要的物質(zhì)場模型（DSM） 識別DSM的實(shí)際結(jié)構(gòu)，進(jìn)行概念設(shè)計(jì) 識別1、執(zhí)行的功能2、物體 S13、工具S24、場 F5、S1 S2與F之間的相互作用典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.1 完善具

8、有不完整功能的系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1）典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、例：金屬扎制的過程中其變形區(qū)需要潤滑液潤滑。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.1 完善具有不完整功能的系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1） 通常液體潤滑液通過刷子及噴霧裝置施加到變形區(qū)域. 問題：潤滑液不均勻，潤滑液粘滿棍子，浪費(fèi)很多。分析： 實(shí)現(xiàn)功能：將所需要量的潤滑液施加到變形區(qū)域。現(xiàn)狀：采用壓力實(shí)現(xiàn)潤滑液的流動。原因：沒有合適的工具。 F1pressure 為壓力 S1lubricant 為物質(zhì)典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.1 完善具有不完整功能的系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1）按標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1要引入F2S2，施加機(jī)械作用于S1（lu

9、bricant）上。如圖所示：要引入S2， 由S2施加S1，但S2不能干擾扎制過程。即，S2在變形區(qū)施加S1的同時(shí)，要消失。F2最好采用系統(tǒng)可用資源。扎制過程中的機(jī)械場及熱場是可用資源。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.1 完善具有不完整功能的系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1）解：充滿潤滑液的紙被進(jìn)給到輥?zhàn)优c金屬帶之間，紙?jiān)诟邷叵氯紵?，在扎制區(qū)均勻留下潤滑液。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.1 完善具有不完整功能的系統(tǒng)（標(biāo)準(zhǔn)解1.1.1）3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用a.當(dāng)完整場模型中兩種物質(zhì)之間有用及有害作用同時(shí)存在，為了保持有用作用，消除有害作用，通常的方法是引入一種新物質(zhì)，將原來兩物質(zhì)隔離。典

10、型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、例：需要數(shù)千張厚度為0.01毫米的圓形鋁盤在車床上車削加工。 問題：加工中鋁盤出現(xiàn)彎曲、變形、及邊緣撕裂等問題。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用分析：S2與S1之間的有用與有害作用同時(shí)存在?？梢砸隨3使S1強(qiáng)度足以完成切削加工。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用解：將一打鋁盤置于水中，使其結(jié)冰。冰坨使鋁盤可 以加工。如圖所示：典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用b.與上一個(gè)方法類似，但不允許引入新物質(zhì),引入的第三種物質(zhì)是S1或S2的變形S3。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消

11、除物質(zhì)-場中的有害作用為了增加S3的可控性, 需要增加一個(gè)輔助功能. 主要物質(zhì)-場模型輔助物質(zhì)-場模型典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用例:管路運(yùn)送鋼珠。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用c.假如兩種物質(zhì)間的有用及有害作用同時(shí)存在，兩種物質(zhì)又必須直接接觸，有用作用由F1提供，則采用F2中性化有害作用。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用例：通風(fēng)機(jī)械工作在充滿蒸汽與液滴的環(huán)境中。問題：直徑相對較大的液滴（直徑為50-800m)，與高速旋轉(zhuǎn)葉片撞擊，使其受到侵蝕，影響其工作。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除

12、物質(zhì)-場中的有害作用分析：如果直接在葉片上形成冰的保護(hù)層則效果很差。F2的任務(wù)是不使葉片與水滴接觸。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用解：采用電暈放電原理，使水滴及葉片均帶電，但相斥，從而使水滴不與葉片接觸。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、3.2 消除物質(zhì)-場中的有害作用檢測與測量的問題通常涉及到對某種物質(zhì)的檢測與測量。按物質(zhì)-場的觀點(diǎn)分析，有圖中的幾種情況：3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、a.假如一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)問題需要檢測與測量，改變系統(tǒng)，使之不再需要。例：電烙鐵經(jīng)常用于昂貴電路板的補(bǔ)焊與維修。為了避免對元器件及電路板本身的傷害，電烙鐵頭部的溫度應(yīng)控

13、制在允許使用范圍內(nèi)的最低溫度。通常，技術(shù)將溫度調(diào)整到高于最低使用溫度的范圍，這增加了電路板過熱的危險(xiǎn)。采用自動控制，將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性與成本。3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、分析：如果一個(gè)系統(tǒng)需要精確的溫度控制，最好采用某種物質(zhì)，該物質(zhì)將溫度維持在該溫度范圍內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，利用“居里點(diǎn)”是一種自然的選擇，在該點(diǎn)之上，鐵磁物質(zhì)失去磁性。3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、解：電烙鐵頭部設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊。銅棒周圍覆蓋一層鐵鎳合金。線圈中的交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，在鐵鎳合金中誘發(fā)旋渦型電流，產(chǎn)生熱量，并加熱銅棒（頭部）。當(dāng)鐵鎳合金中的溫度到達(dá)居里點(diǎn)時(shí)，合金對磁場不敏感，

14、溫度不再增加。當(dāng)溫度降低到居里點(diǎn)以內(nèi)時(shí)，材料對磁場敏感，溫度增加。因此可以保持電烙鐵頭部溫度保持在1。改變鐵鎳合金，可以改變溫度。3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、b、假如檢測一個(gè)非完整物質(zhì)-場中的某個(gè)元素是困難的，使其完整，并將一個(gè)場作為輸出。例：電冰箱冷卻管路的檢測需要一個(gè)簡單、方便、低成本、可靠的方法。3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、分析：泄露的液滴為S1，其ISM是不完整模型。應(yīng)增加S2，它與F optical作用，使S1可見，或轉(zhuǎn)換另一種場，使其變成F optical。3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、解： （1）管路外表面涂上一層漆，如果有泄露

15、，漆表面會鼓包，并可以觀察到。 （2）熒光可以將紫外線輻射轉(zhuǎn)換成可見光。在電冰箱的管路系統(tǒng)空間中臨時(shí)放如熒光源，使泄露處顯現(xiàn)。3.3檢測與測量典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、 物質(zhì)-場分析的概念之一是使不完整的物質(zhì)場變得完整。這通常會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，還可能導(dǎo)致不希望的技術(shù)效果。 解決基本思想是：引入物質(zhì)或場，又不引入物質(zhì)或場。標(biāo)準(zhǔn)解5.1.1 假如需要引入一種物質(zhì)，因?yàn)橐蠡驐l件所限不能引入該物質(zhì)?？刹捎瞄g接方法： （1）采用系統(tǒng)所處環(huán)境中的物質(zhì)； （2）采用虛無物質(zhì)：發(fā)泡、多孔、空氣、縫隙等。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、例：制造光學(xué)清晰液體的過程要檢測其雜質(zhì)。假如樣品中的雜質(zhì)超標(biāo)，樣品所在

16、的母體要重新處理。雜質(zhì)是無磁性的小顆粒，在制造的不同階段進(jìn)入液體。好的檢測方法是光學(xué)法：激光掃描樣品，通過顆粒反射，記錄顆粒數(shù)。 問題：當(dāng)顆粒的直徑較小時(shí)（如小于580nm)，顆粒不能被反射。 需要發(fā)明新的檢測方法與儀器。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、物質(zhì)-場分析：在初始的物質(zhì)-場中，微小粒子S1不能被場F1檢測到。第2種物質(zhì)S2應(yīng)引入，附加到S1，S2將F1轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞瓷涞墓釬1 。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、S2應(yīng)能滿足三種主要需求：（1）S2應(yīng)足夠大，以放射光線。（2）S2應(yīng)足夠粘，能附著在S1上。（3）S2不能污染被測清洗液體。 解：氣泡用于檢測粒子。加熱作為樣品的液體，在粒子周圍的液體首先沸騰，并產(chǎn)生氣泡。氣泡很快長大，容易檢測到。應(yīng)用已有物質(zhì)的變形，或其中的部分作為工具，以解決問題。（1）及（2）比較容易滿足，但（3）比較困難。理想的方法S2應(yīng)是S1的一種變形。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、標(biāo)準(zhǔn)解5.2.3 假如系統(tǒng)內(nèi)部及外部已存在的場均不能被采用，而某種場的承載物質(zhì)或資源在系統(tǒng)中或環(huán)境中已存在，可以采用該場例：一種滑動軸承。通常采用熱傳感器測量軸承的溫度，溫度升高過快預(yù)示著軸承所承載機(jī)構(gòu)的可能發(fā)生事故。典型的物質(zhì)-場變換:標(biāo)準(zhǔn)解三、 升溫過快時(shí)，傳感器送出電信號，該信號控制一快速關(guān)斷子系統(tǒng)開關(guān)，使機(jī)構(gòu)停止運(yùn)