基于TRIZ理论的产品系统化创新设计研究.ppt
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天津科技大学机械学院天津科技大学机械学院张付英基于基于TRIZTRIZ理论的产品系统理论的产品系统化创新设计研究化创新设计研究11/9/202211/9/202211vv系统化创新设计面临的挑战系统化创新设计面临的挑战vv产品系统化创新设计模型产品系统化创新设计模型产品系统化创新设计模型产品系统化创新设计模型vv由理解解驱动的产品创新设计过程由理解解驱动的产品创新设计过程由理解解驱动的产品创新设计过程由理解解驱动的产品创新设计过程vv创新问题的分析和定义创新问题的分析和定义创新问题的分析和定义创新问题的分析和定义vv创新设计的实施过程创新设计的实施过程创新设计的实施过程创新设计的实施过程vv实例研究实例研究实例研究实例研究vv结论结论结论结论主要内容主要内容11/9/202211/9/202222系统化创新设计面临的挑战系统化创新设计面临的挑战l随着市场的激烈竞争随着市场的激烈竞争,产品创新设计已成为企产品创新设计已成为企业在更快、更好、更便宜的三维竞争空间中赢业在更快、更好、更便宜的三维竞争空间中赢得最佳位置的关键技术得最佳位置的关键技术lTRIZ提供了产品创新设计的理论、方法和工提供了产品创新设计的理论、方法和工具,近十几年具,近十几年TRIZ理论得到广泛应用并已经成理论得到广泛应用并已经成为产品开发中解决技术难题的有效工具为产品开发中解决技术难题的有效工具l利用利用TRIZ理论实现产品创新的关键是问题的理论实现产品创新的关键是问题的准确定义和技术问题的解决准确定义和技术问题的解决l设计人员很难从复杂的系统中准确地发现产设计人员很难从复杂的系统中准确地发现产品存在的问题品存在的问题.11/9/202211/9/202233针对当前产品创新设计的不足,本文构针对当前产品创新设计的不足,本文构建了一个以实现理想解为创新设计目标,以建了一个以实现理想解为创新设计目标,以分析和解决冲突为技术手段,将自上而下的分析和解决冲突为技术手段,将自上而下的创新问题定义、分析与自下而上的创新问题创新问题定义、分析与自下而上的创新问题解决集成的产品系统化创新设计全过程模型,解决集成的产品系统化创新设计全过程模型,如图所示如图所示。
基于基于TRIZTRIZ理论提出的机械产品系统化创新设理论提出的机械产品系统化创新设计全过程模型计全过程模型11/9/202211/9/202244图1基于TRIZ的产品系统化创新设计模型11/9/202211/9/202255该模型的左侧自上而下的创新问题分析实现创新问题的定义和映射模型的中间部分实现了定义问题的分析和解决模型的右侧自下而上的创新设计过程,通过结构、原理、功能的综合创新设计,获得用户需求的创新产品。
基于基于TRIZ理论提出的机械产品系统理论提出的机械产品系统化创新设计全过程模型化创新设计全过程模型11/9/202211/9/202266该模型具有如下特点:
该模型具有如下特点:
该模型具有如下特点:
该模型具有如下特点:
理想性理想性理想性理想性系统性系统性系统性系统性层次性层次性层次性层次性可操作性可操作性可操作性可操作性创新性创新性创新性创新性基于基于TRIZ理论提出的机械产品系统理论提出的机械产品系统化创新设计全过程模型化创新设计全过程模型11/9/202211/9/202277产品开发之初,设计人员准确定义设计问题,产品开发之初,设计人员准确定义设计问题,构画产品的最理想图解,然后根据约束条件并利构画产品的最理想图解,然后根据约束条件并利用用TRIZ技术进化理论,寻求理想解技术进化理论,寻求理想解。
该求解模式。
该求解模式可使设计者打破思维定势,获得突破式的创新解,可使设计者打破思维定势,获得突破式的创新解,同时,大大缩小了创新设计的解空间同时,大大缩小了创新设计的解空间。
由理想解驱动的创新过程由理想解驱动的创新过程11/9/202211/9/202288分析用户需求和产品功能,定义理想产品。
包括分析用户需求和产品功能,定义理想产品。
包括分析用户需求和产品功能,定义理想产品。
包括分析用户需求和产品功能,定义理想产品。
包括绝对理想产品和满足用户需求的最小理想系统。
绝对理想产品和满足用户需求的最小理想系统。
绝对理想产品和满足用户需求的最小理想系统。
绝对理想产品和满足用户需求的最小理想系统。
分析产品的有用功能,包括有用功能参数的变化分析产品的有用功能,包括有用功能参数的变化分析产品的有用功能,包括有用功能参数的变化分析产品的有用功能,包括有用功能参数的变化属性分析:
如改变程度、改变水平和改变层次;属性分析:
如改变程度、改变水平和改变层次;属性分析:
如改变程度、改变水平和改变层次;属性分析:
如改变程度、改变水平和改变层次;改变功能参数所需的最小能量分析和功能作用的改变功能参数所需的最小能量分析和功能作用的改变功能参数所需的最小能量分析和功能作用的改变功能参数所需的最小能量分析和功能作用的理想时间和理想空间分析。
找寻产品的有害功能,理想时间和理想空间分析。
找寻产品的有害功能,理想时间和理想空间分析。
找寻产品的有害功能,理想时间和理想空间分析。
找寻产品的有害功能,并使有害功能执行有效作用,定义产品的理想功并使有害功能执行有效作用,定义产品的理想功并使有害功能执行有效作用,定义产品的理想功并使有害功能执行有效作用,定义产品的理想功能。
能。
能。
能。
分析执行功能的物理效应,通过效应组合、效应分析执行功能的物理效应,通过效应组合、效应分析执行功能的物理效应,通过效应组合、效应分析执行功能的物理效应,通过效应组合、效应类比和场的集成,定义执行功能的理想效应。
类比和场的集成,定义执行功能的理想效应。
类比和场的集成,定义执行功能的理想效应。
类比和场的集成,定义执行功能的理想效应。
分析产品的构成,产品的系统资源分析产品的构成,产品的系统资源分析产品的构成,产品的系统资源分析产品的构成,产品的系统资源(内部和外部内部和外部内部和外部内部和外部)和作用场,确定实现物理效应的理想结构。
和作用场,确定实现物理效应的理想结构。
和作用场,确定实现物理效应的理想结构。
和作用场,确定实现物理效应的理想结构。
通过计算理想度,对问题解进行排序,决定最终通过计算理想度,对问题解进行排序,决定最终通过计算理想度,对问题解进行排序,决定最终通过计算理想度,对问题解进行排序,决定最终的创新方案。
的创新方案。
的创新方案。
的创新方案。
由理想解驱动的创新过程由理想解驱动的创新过程11/9/202211/9/202299自上而下创新问题的定义和分析自上而下创新问题的定义和分析需求需求-功能功能-效应效应-结构之间的映射结构之间的映射11/9/202211/9/20221010需求域R、功能域F、效应域E、结构域S的结构系统可看作产品创新设计的子系统,如果将域中的所有元素组成一个集合,则分别形成需求集QR、功能集QF、效应集QE和结构集QS,各个域之间的转换矩阵分别记作RF、FE、ES。
自上而下创新问题的定义和分析自上而下创新问题的定义和分析11/9/202211/9/2022111111/9/202211/9/20221212通过需求特性、物质通过需求特性、物质-场模型、进化路线和进化潜能场模型、进化路线和进化潜能分析,发现需求域、功能域、效应域和结构域中的问分析,发现需求域、功能域、效应域和结构域中的问题,抽象出相互冲突的需求、功能、效应和结构元素。
题,抽象出相互冲突的需求、功能、效应和结构元素。
通过转换矩阵通过转换矩阵RF,FEandES的耦合性分的耦合性分析,可确定析,可确定QRc,QF,QE和和QS域之间的冲突。
域之间的冲突。
可见,自上而下的创新问题定义是从域的内部和域可见,自上而下的创新问题定义是从域的内部和域之间相互作用时呈现出来的冲突两个方面进行,使问之间相互作用时呈现出来的冲突两个方面进行,使问题的发现和定义具有系统性和可操作性。
题的发现和定义具有系统性和可操作性。
11/9/202211/9/20221313进化潜能和进化路线分析,确定了进化不足的构件及其进化阶段,为设计人员指出了可能的结构创新方向,利用TRIZ的矛盾解决原理,ARIZ算法和效应库可消除产品结构进化过程中存在的问题,实现产品的结构创新。
核心技术的进化路线分析确定了核心技术的进化位置,为产品创新设计的决策提供了理论依据,通过效应库可获得原理创新。
物场分析和功能模型分析定义的有问题的物场模型和功能模型,通过物场变换原理和功能设计得到创新功能。
最后通过分析要提高的技术特性与实现理想功能之间的矛盾并解决得到最终创新产品。
自下而上的创新问题的形成和解决自下而上的创新问题的形成和解决11/9/202211/9/20221414结构域中创新结构的组合,实现效应创新;结构域中创新结构的组合,实现效应创新;效应域中新效应的综合和集成,实现功能创新;效应域中新效应的综合和集成,实现功能创新;功能域中新功能的组合实现产品创新;功能域中新功能的组合实现产品创新;这几个过程,都体现了自下而上的创新设计过程的实施这几个过程,都体现了自下而上的创新设计过程的实施自下而上的创新设计过程自下而上的创新设计过程11/9/202211/9/20221515u理想解驱动的伺服液压缸创新设计过程理想解驱动的伺服液压缸创新设计过程理想功能为:
以最小的体积、最少的零件和最低的输理想功能为:
以最小的体积、最少的零件和最低的输入油压实现液压力的放大。
入油压实现液压力的放大。
液压缸的基本功能是力的转变,其子功能包括密封功液压缸的基本功能是力的转变,其子功能包括密封功能和缓冲功能,理想的密封功能是使液压油本身进行密能和缓冲功能,理想的密封功能是使液压油本身进行密封,而理想的缓冲功能是使活塞杆本身进行减速。
封,而理想的缓冲功能是使活塞杆本身进行减速。
执行液压缸液力放大功能的效应是杠杆效应,实现分执行液压缸液力放大功能的效应是杠杆效应,实现分功能密封的效应有弹性效应、吸水效应等,其理想效应功能密封的效应有弹性效应、吸水效应等,其理想效应为弹性效应;实现缓冲功能的效应是变形效应、毛细管为弹性效应;实现缓冲功能的效应是变形效应、毛细管效应,其理想效应为毛细管效应。
效应,其理想效应为毛细管效应。
实例研究实例研究:
液压缸的系统化创新设计液压缸的系统化创新设计11/9/202211/9/20221616由液压油、密封圈、缸体、活塞组成的密封由液压油、密封圈、缸体、活塞组成的密封结构实现密封功能;由液压油、活塞杆、前结构实现密封功能;由液压油、活塞杆、前缸盖和后缸盖组成的缓冲结构实现缓冲功能。
缸盖和后缸盖组成的缓冲结构实现缓冲功能。
理想的密封和缓冲结构要求结构简单、紧凑,理想的密封和缓冲结构要求结构简单、紧凑,工作可靠。
工作可靠。
实例研究实例研究:
液压缸的系统化创新设计液压缸的系统化创新设计11/9/202211/9/20221717u液压缸的自上而下创新问题的发现和定义液压缸的自上而下创新问题的发现和定义TRIZ技术矛盾:
当提高动、静特性时,使液压缸的结技术矛盾:
当提高动、静特性时,使液压缸的结构复杂性增加;构复杂性增加;物理矛盾为:
液压缸的结构既要复杂又要简化。
物理矛盾为:
液压缸的结构既要复杂又要简化。
密封功能和缓冲功能的物场分析,如图所示。
从密封密封功能和缓冲功能的物场分析,如图所示。
从密封功能的物场模型可定义密封相互冲突的功能为:
当增加功能的物场模型可定义密封相互冲突的功能为:
当增加弹性力提高密封功能时,会加大密封圈与缸体的磨损功弹性力提高密封功能时,会加大密封圈与缸体的磨损功能;物理冲突为弹性力既要大又要小。
根据缓冲功能的能;物理冲突为弹性力既要大又要小。
根据缓冲功能的物场模型可知,目前缓冲功能是有问题的功能模型,应物场模型可知,目前缓冲功能是有问题的功能模型,应加以解决。
加以解决。
实例研究实例研究:
液压缸的系统化创新设计液压缸的系统化创新设计11/9/202211/9/20221818通通过过密密封封核核心心技技术术的的进进化化分分析析,画画出出对对密
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- 基于 TRIZ 理论 产品 系统化 创新 设计 研究