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1、机械创新设计第八讲TRIZ理论与创新设计神奇的“点金术”n冷战时期，美国为首的西方国家的特工与前苏联的克格勃曾经进行过无数次惊心动魄的间谍战，其中一次就是围绕被称为神奇的“点金术”展开的。因为美国、德国等西方国家惊异于前苏联在军事、工业等方面的创造能力，他们把创造这种奇迹的神秘武器称为“点金术”，可结果强大的克格勃使欧美国家只能望“术”兴叹。这个“点金术”就是当前世界上著名的发明问题解决理论，被简称为TRIZ理论。TRIZ之父n它是由前苏联发明家G.S.Altshuller在1946年创立的，TRIZ就是“发明问题解决理论”的俄语缩写，后来Altshuller也被尊称为TRIZ之父。n英文为T
2、heoryoflnventiveProblomSolving.Altshullern阿奇舒勒在14岁时就获得了首个专利证书，专利作品是水下呼吸器。15岁时，他制作了一条船，船上装有使用碳化物作燃料的喷气发动机。n从1946年开始，经过研究成千上万的专利,发现了发明背后存在的模式并形成TRIZ理论的原始基础。为了验证这些理论，相继做出了多项发明。n比如：排雷装置获得苏联发明竞赛的一等奖、发明船上的火箭引擎、发明无法移动潜水艇的逃生方法等等，多项发明被列为军事机密，阿奇舒勒也因此被安排到海军专利局工作。n1948年12月，担忧因第二次世界大战胜利使得苏联缺乏创新气氛，阿奇舒勒写了一封引来危险的信，
3、信封上写着“斯大林同志亲启”。他向国家领袖指出当时苏联对发明创造缺乏创新精神的混乱状态，在信的末尾他还表达了更激烈的想法：有一种理论可以帮助工程师进行发明。这种理论能够带来可贵的成果并可以引起技术世界的一场革命。n在1950年，他突然得到通知要到格鲁吉亚的第比利斯，他到达后就被逮捕了。2天后，在贝利亚的一个监狱里审讯开始，他被指控利用发明技术进行阴谋破坏，被判刑25年。n他被连轴审讯，昼夜不得睡觉。n要想睡觉，他的眼睛必须同时又睁着又闭着。怎么办？是TRIZ在关键时救了他的命节次n第一节概述n第二节TRIZ的理论体系第一节概述nTRIZ的出现nTRIZ的一般方法nTRIZ的定义nTRIZ的价值
4、nTRIZ的发明分级nTRIZ的发展趋势1.TRIZ发明问题解决原理nGSAltshuller（阿奇舒勒）以及他的团队在研究250万件专利的基础上提出的。发现了什么呢？Altshuller的研究发现n技术系统进化的模式（规律）在不同工程及科学领域交替出现。n创新设计所依据的科学原理往往来自其他领域，而且数量有限。n创造的原理和方法具有普适性传播n前苏联解体后，TRlZ理论系统地传入西方，在美、欧各地得到了广泛的研究与应用，在亚洲的日本和韩国也得到广泛重视。目前，TRIZ已成为最有效的创新问题求解方法和计算机辅助创新技术的核心理论。来源与内容2.TRIZ的一般方法n在利用TRIZ解决问题的过程中
5、，设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题，然后利用TRIZ中的工具，如发明原理、标准解等，求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解，最后设计者再把该解转化为该领域的解或特解。一般方法图解例如3.TRIZ的定义n著名的TRIZ专家savransky博士给出了TRIZ的如下定义：TRIZ是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学。4.TRIZ理论的价值nTRIZ创新理论现在已经在欧美和亚洲发达国家和地区的企业得到广泛的应用，大大提高了创新的效率。据统计，应用TRIZ理论与方法，可以增加80%100的专利数量并提高专利质量；并提高6070的新产品开发效率；可以缩短产品上市时间50。TRIZ的
6、鲜明特点和优势:n在问题解决之初，首先确定“解“的位置，然后利用TRIZ的各种理论和工具去实现这个“解”；n它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于认定和强调系统中存在的矛盾，而不是逃避矛盾；n它的最终目标是完全地解决矛盾，获得最终的理想解，而不是采取折中或者妥协的做法；n它是基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程的，而不再是随机的行为。高度的评价n目前TRIZ被认为是可以帮助人们挖掘和开发自己的创造潜能、最全面系统地论述发明创造和实现技术创新的新理论，被欧美等国的专家认为是“超级发明术”。n阿奇舒勒创建TRIZ理论，是发明了发明与创新的方法。阿奇舒勒自己的话n“你可以等待100
7、年获得顿悟，也可以利用这些原理15分钟解决问题。”n有一位前苏联很有名气的发明家在听了阿奇舒勒报告后，激动地说：“要是早知道TRIZ理论就好了。”5.TRIZ的发明分级6.TRIZ的未来发展趋势nTRIZ理论是前人知识的总结，目前处于“婴儿期”，如何把它进一步完善；n如何合理有效地推广应用TRIZ理论；nTRIZ理论的进一步软件化，自动化；n进一步拓展TRIZ理论的内涵，尤其是把信息技术、生命技术、社会科学等方面的原理和方法纳入到TRIZ理论中；n将TRIZ理论与其他一些新技术（QFD，即质量功能布置)有机集成。IEG-Ideationn全球创新问题解决方案理论和六西格玛管理咨询培训的领导者。
8、nIdeation自1992年于美国密西根的Southfield成立后，主要的任务在运用先进的TRIZ(创新问题解决理论)方法，为企业提供创新研发问题解决方案的咨询与培训服务，为提供客户全面的创新卓越服务，2005年与六西格玛管理咨询的领导者IEG集团，在亚太地区共同成立IEG-Ideation。开发了I-TRIZ。I-TRIZ 的四种核心能力的四种核心能力1.创造性教育-学习如何解决任何领域（技术、营销、管理、安全等）内的创新问题2.创新问题解决（IPS）-系统解决创新问题3.预期故障测定（AFD）-积极分析和消除现有或潜在系统故障4.直接进化（DE）-开发未来几代系统，并控制系统进化。体系
9、结构图TRIZ的五大关键概念功能资源矛盾（冲突）技术系统进化效应第二节TRIZ的理论体系1情景分析2冲突解决原理3物-场分析法4技术系统进化理论5解决发明问题的程序1情景分析n发明创造过程从揭示和分析发明情境开始。所谓发明情境，是指任何种工程情境，它突出某种不能令人满意的特点。n情景分析可以认为是问题描述。（1）系统资源n理解系统和描述系统必须正确把握系统的资源n设计中的可用系统资源对创新设计起着重要的作用，问题的解越接近理想解，系统资源就越重要。n直接资源、导出资源、差动资源直接应用资源n物质资源：木材可用作燃料。n能量资源：汽车发动机驱动后轮或前轮工作n场资源：地球上的重力场及电磁场。n信
10、息资源：汽车运行时所排废气中的油或其他颗粒，表明发动机的性能信息。n空间资源：仓库中多层货架中的高层货架。n时间资源：双向打印机。n功能资源：人站在椅子上更换屋顶的灯泡时，椅子的高度是一种辅助功能。n毛坯是铸铁的导出资源n木头的各向异性就是差动资源；二极管的单向导电性（2）理想化n因为技术系统是功能的实现，同一功能存在多种技术实现，任何系统在完成所需的功能时，都产生有害功能。n为了对正反两方面作用进行评价，采用如下公式：理想化有用功能之和有害功能之和怎样增加理想化？怎样增加理想化？n理想化有用功能之和有害功能之和增加有用功能减少有害功能最终理想解（IFR）nIdealfinalresultnT
11、RIZ理论在解决问题之初，首先抛开各种客观限制条件，通过理想化来定义问题的最终理想解（idealfinalresult，IFR），以明确理想解所在的方向和位置，保证在问题解决过程中沿着此目标前进并获得最终理想解，从而避免了传统创新涉及方法中缺乏目标的弊端，提升了创新设计的效率。最终理想解(IFR)有四个特点：1、保持了原系统的优点；2、消除了原系统的不足；3、没有使系统变得更复杂；4、没有引入新的缺陷等。思考：n一个大而复杂的溶洞，希望在不损害溶洞环境，和不消耗太多资源（时间和金钱）的情况下，测出各处的高度。n控制一个容器水位的方法。理想设计n一个主要的、有用的功能，可以用一个并不存在的系统来
12、实现，这种思维方式可以使创新设计在短时间内完成。n月球探测车的探照灯灯罩问题n固体物质放在盛有酸的容器中进行耐酸性实验，容器的抗腐蚀性问题增加理想化的具体方法简单的说n集成：采用更综合的子系统、合并离散子系统n简化：整体置换、去除元件、去除辅助功能、去除双重元件、自服务自服务：红薯切片机，进给是靠重力实现的，张紧装置n油漆的溶剂是有毒的，n无毒的粉末颜料，洒在工件表面，加热工件即可。理想化设计的步骤（1）描述需要改进的性能（2）描述理想的性能（3）有没有现成的方法来实现理想性能如果你的问答是肯定的，那么就是说你已经有了新的方法，不过，务必要证明一下。理想化设计的步骤如果你的回答是否定的，那么，
13、应该考虑一下怎么更有效地利用资源。如果你的回答是肯定的，但是这种方法还有一些其他的冲突和矛盾，那么应该去解决该矛盾。如果有一个障碍物阻止你去实现理想状态，那么描述该物体并搞清楚为什么它是一种障碍。(4)你认为做出什么样的改动才能克服这个障碍。这与前面的什么原理和方法相一致呢n属性列举法n缺点列举法n希望点列举法n完满创造原理熔炉温度的水冷控温n熔炉温度不能过高，水冷降温n水管破裂，水不能溢出n真空抽水泵为什么会溢出？内部压力比外部压力高solution2冲突解决原理n冲突概念n冲突解决原理n冲突矩阵（1）冲突概念n在提高产品或系统的某方面的性能时，结果使其另一些方面的性能受到负面影响，则设计出
14、现了冲突。飞机为了增加载重能力需要减轻自身重量；为了加快重型运输机装卸货物的速度，飞机上需要有移动式起重机，增加了飞机的额外负载；产品功能和性能的耦合性n为了提高产品的市场竞争力，需要不断根据市场的潜在需求对产品进行改进设计。n创新的目的是使产品在功能上不断完善，在性能上不断提高。功能和功能之间、性能和性能之间存在着潜在的联系，使它们相互制约。n冲突的普遍性和动态性：联系的普遍性是矛盾的根源；需求变更刺激冲突不断变化。例如：质量和价格以小汽车为例n小汽车的有用功能是什么？n有害功能？载人代步载物运输燃油排污交通事故房车的居住功能想增加载物的功能，会怎样呢？彻底解决冲突的思想n按传统设计中的折中
15、法，冲突并没有彻底解决，而是在冲突双方取得折中方案，或者说降低冲突的程度。nTRIZ理论认为，产品创新的标志是解决或移走设计中的冲突，而产生新的有竞争力的解。发明问题的核心是发现冲突并解决冲突，未解决冲突的设计并不是创新设计。冲突的分类（2）物理冲突：系统同时存在矛盾或相反要求的状态。如对软件要求操作简单，功能多样。手机尺寸小便于携带，但又要求屏幕大和键盘大。对某种材料的性能既要有足够的刚度以抵抗变形，又要有足够的柔性以抵抗冲击。分离原理n解决物理冲突主要采用分离原理空间分离案例：自行车n早期的自行车有快速性和舒适感两种亟待提高的性能需求，导致存在两个物理冲突：高速直径大的车轮，乘坐舒适小的车
16、轮；高速快蹬，乘坐舒适慢蹬。n链轮与链条发明以后，是脚踏板和车轮在空间上分离开来，实现了增速一下解决了两对矛盾。时间分离案例：床n睡觉时大一点n搬运时小一点n不睡时不占空间怎么办？整体与部分的分离n手机小一点便于携带n手机大一点便于使用拉盖翻盖（3）技术冲突n某个参数或特性优化时，往往引起其他参数或特性劣化：尺寸与重量稳定性-汽车的地盘高度-路况适应性n阿奇舒勒通过对大量发明专利的研究，总结出工程领域内常用的表述系统性能的39个通用参数，通用参数一般是物理、几何和技术性能的参数。尽管现在有很多对这些参数的补充研究，并将个数提高到了50多个，但在这里我们仍然只介绍核心的这39个参数。39个工程参
17、数n1运动物体的重量2静止物体的重量n3运动物体的长度4静止物体的长度n5运动物体的面积6静止物体的面积n7运动物体的体积8静止物体的体积n9速度10力11应力或压力12形状n13结构的稳定性14强度15光照度16温度n17运动物体作用时间18静止物体作用时间39个工程参数n19运动物体的能量20静止物体的能量n21功率22能量损失23物质损失n24信息损失25时间损失n26物质或事物的数量27可靠性n28测试精度29制造精度n30物体外部有害因素作用的敏感性n31物体产生的有害因素39个工程参数n32可制造性33可操作性34可维修性n35适应性及多用性36装置的复杂性n37监控与测试的困难程
18、度n38自动化程度n39生产率自行车赛车n轻便-坚固n坚固-成本(3)冲突解决原理TRIZ引导设计者挑选能解决特定冲突的原理，其前提是要按标准参数确定冲突。然后利用40条发明创造原理解决冲突。见后40条发明创造原理1）分割2）抽出3)部分改变4)不对称性5）组合6）多功能性7)嵌套构成8)配重平衡9)预先反作用10)预置动作11)预先对策预防12)等位性13)逆问题14)回转、弯曲性15)动态性16)部分或过度的作用17)维数变化18)振动19)周期性动作20)有用动作持续21)超高速作业22)变害为益23)反馈n24)中介n25）自服务n26)代用品n27)用廉价、寿命短的物体代替高价耐久的
19、物体n28)机械系统的替代n29)气体力学和水力学n30)柔性壳体或薄膜33)同质性34)抛弃与修复35)参数变化36)相位变化37）热膨胀38)使用强氧化剂39)惰性环境40)复合材料（4）冲突解决矩阵n该矩阵将描述技术冲突的39个通用工程参数与40条发明创造原理建立了对应关系，很好地解决了设计过程中选择发明原理的难题。应用该矩阵的过程步骤是：n首先在39个通用工程参数中，确定使产品某一方面质量提高及降低(恶化)的工程参数A及B的序号，然后将参数A及B的序号从第一行及第一列中选取对应的序号，最后在两序号对应行与列的交叉处确定一特定矩阵元素，该元素所给出的数字为推荐解决冲突可采用的发明原理序号
20、。3物质场分析nAltshuller对发明问题解决原理的贡献之一是提出了功能的物质场描述方法与模型。其原理为：所有的功能可以分解为两种物质和一种场，即一种功能由两种物质及一种场的三元件组成。产品是功能的一种实现，因此，可用物质场分析产品的功能，这种分析方法是TRIZ的工具之一。物与场n一般的物质都应用在TRIZ理论中，所有的物质按其本身的复杂程度而属于不同的水平。当然，这里所谓的物质可以是一个独立的物体，也可物质可以是一个独立的物体，也可以是一个复杂的系统以是一个复杂的系统。完成某种功能所需的方完成某种功能所需的方法或手段就是场。法或手段就是场。作用在物质上的能量或场主要有：nMe-机械能Th
21、-热能ch-化学能nE-电能M-磁场G重力场物质场模型n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substance2(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。每一种物质都可以是材料、工具、零件、人或者环境等。S1是系统动作的接受者。S2通过某种形式作用在S1上。不同连接线的含义物质场模型76种标准解n依据该模型，Altshuller等提出了76种标准解并分为以下5类：改变和仅少量改变已有系统：13种标准解。改变已有系统：23种标准解。系统传递：6种标准解。检查与测量：17种标准解。简化与改善策略：17种标
22、准解。由已有系统的特定问题，将标准解变为特定解即为新概念。效应n效应指应用本领域特别是其他领域的有关定律解决设计中的问题。如采用数学、化学、生物和电子等领域中的原理解决机械设计中的创新问题。物场模型解决问题的流程例子思考n钢丸发送机在拐弯处磨损严重，想想办法例子2怎样将树皮和木片分开n比重n比重差别不大呢物-场分析n只有两个场即电磁场与引力场可供选择，考虑到树皮和木片在密度上差别不大，所以亦可放弃引力场。这样只剩下电磁场了。但是因为磁场不作用于木片和树皮，所以必须进行“木片或树皮在电场中的行为表现”的实验。实验结果表明，在电场中树皮的微粒带负电，木片的微粒带正电。根据这一物理现象制造了分选机，
23、把木片与树皮被确定无误地分开。思考n肥皂生产线出现了这样的一个缺陷：经常出现空盒，不经意间把空盒卖出，有欺骗之嫌，会丢失客户。n请改进之思考n冲床伤手的危险怎么解决？思考n在许多加工过程中需要冷却液，冷却液要循环利用，必须将切屑从中分离出来。n请想一个简单易行的方法。4技术系统进化（演变）论n技术系统：所有运行某个功能的东西可称为技术系统。任何技术系统均包括一个或多个子系统，每个子系统执行自身功能，它又可分为更小的子系统。系统进化论的主要观点n科技产品的进化并不是随意的，也同样遵循着一定的客观规律和模式。所有技术的创造与升级都是向最强大的功能发展的。技术系统演变的8个模式阿奇舒勒通过研究给出了
24、技术系统演变的8个模式，它们对于产品的创新具有重要的指导作用。(1)技术系统演变遵循产生、成长、成熟和衰退的生命周期。(2)技术系统演变的趋势是提升理想状态。(3)矛盾的导致是由于系统中子系统开发的不均匀性。(4)首先是部件匹配，然后失配。(5)技术系统首先向复杂化演进，然后通过集成向简单化发展。(6)从宏观系统向微观系统转变，即向小型化和增加使用能量场演进。(7)技术向增加动态性和可控性发展。(8)向增加自动化减少人工介入演变。也有时分为11个产品进化理论nTRIZ中的产品进化理论将产品进化设计过程分为四个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和退出期。处于前两个阶段的产品，企业应加大投入，尽快使其进
25、入成熟期，以便企业获得最大的效益；处于成熟期的产品，企业应对其替代技术进行研究，使产品取得新的替代技术，以应对未来的市场竞争；处于退出期的产品使企业利润急剧下降，应尽快淘汰。n产品进化理论还研究产品进化模式、进化定律与进化路线。沿这些路线设计者可较快地取得设计中的突破。n可以为企业产品规划提供具体的、科学的支持。进化曲线5解决发明问题的程序ARIZnARIZ(AlgorithmforInventiveProblemsolving)称为解决发明问题的程序，是TRIZ的一种主要工具，是解决发明问题的完整算法，该算法采用一套逻辑过程逐渐将初始问题程式化。该算法特别强调冲突与理想解的程式化，一方面技术系统向理想解的方向进化，另一方面如果一个技术问题存在冲突需要克服，该问题就变成一个创新问题。nARIZ中，冲突的消除有强大的效应知识库的支持。效应知识库包括物理的、化学的、几何的等效应。作为一种规则，经过分析效应的应用后问题仍无解，则认为初始问题定义有误，需对问题进行更一般化的定义。作业nTRIZ的全称是什么，画出它的一般方法图解。n试述TRIZ的主要理论体系。