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1、9.1 TRI概述,9.2 设计中的冲突及其解决原理,9.4 计算机辅助创新设计软件,9.3 利用技术进化模式实现创新,第9章 基于TRI的创新设计,9.5 TRI的发展趋势,一、TRI概念,9.1 TRI概述,TRIZ(是俄文首字母的缩写)意为解决发明创造问题的理论，起源于苏联，英译为Theory of Inventive Problem Solving，英文缩写为TIPS。,TRI是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学，其核心是技术系统进化原理,图9.1 TRI的来源及主要构成,二、TRI主要内容,1.产品进化理论,发明问题解决理论的核心是技术系统进化理论，该理论将产品进化过程分
2、为4个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和退出期。,2.分析理论,分析是TRI的工具之一，是解决问题的一个重要阶段。它包括产品的功能分析、理想解的确定、可用资源分析和冲突区域的确定。,3.冲突解决原理,原理是获得冲突解决所应遵循的一般规律。TRI主要研究技术与物理两种冲突。,4.物质-场分析,所有的功能可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。,5.效应,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,6.发明问题解决算法ARI,一个问题解决的困难程度取决于对该问题的描述或程式化方法，描述的越清楚，问题的解就越容易找到。TRI中，发明问题求解的过程是对问题不断的描
3、述、不断的程式化的过程。,三、TRI的重要发现,1.在以往不同领域的发明中所用到的原理(方法)并不多，不同时代的发明，不同领域的发明，其应用的原理(方法)被反复利用。,2.每条发明原理(方法)并不限定应用于某一特殊领域，而是融合了物理的、化学的和各工程领域的原理，这些原理适用于不同领域的发明创造和创新。,3.类似的冲突或问题与该问题的解决原理在不同的工业及科学领域交替出现。,4.技术系统进化的模式(规律)在不同的工程及科学领域交替出现。,5.创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域。,四、TRI解决发明创造问题的一般方法,TRI解决发明创造问题的一般方法是： 首先将要解决的特殊问题加以定义、明
4、确；,图9.2 TRIZ解决发明创造问题的一般方法,【例9.1】 需要设计一台旋转式切削机器。该机器需要具备低转速(100r/min) 、高动力以取代一般高转速(3600r/min)的交流电动机。,图9.3 设计低转速高动力机器的分析框图,五、TRI的应用,TRI是专门研究创新和概念设计的理论，不仅在苏联得到了广泛的应用，而且在美国的很多企业特别是大企业，如波音、通用、摩托罗拉等公司的新产品开发中也得到了应用。,9.2 设计中的冲突及其解决原理,一、冲突的概念,产品是多种功能的复合体，当提高产品某方面的性能时，可能会影响到与其相关联的零部件，结果可能使产品或系统的另一些方面的性能受到影响。如果
5、这些影响是负面影响，那么设计就出现了冲突。,二、冲突的分类,1.通常的分类,自然冲突,社会冲突,工程冲突,2.基于TRI的冲突分类,管理冲突,物理冲突,技术冲突,三、物理冲突及其解决原理,1.物理冲突的概念,所谓物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。,2.物理冲突的类型,(1) 一个子系统中有害功能降低的同时导致该子系统中有用功能的降低。 (2) 一个子系统中有用功能加强的同时导致该子系统中有害功能的加强。,3.物理冲突的解决原理,现代TRI在总结物理冲突各种解决方法的基础上，提出了采用如下的分离原理解决物理冲突,图9.5 分离原理的组成
6、,1) 空间分离原理,所谓空间分离原理是指将冲突双方在不同的空间上分离，以降低解决问题的难度。,链条、链轮及飞轮的发明解决了这两组物理冲突。首先，链条在空间上将链轮的运动传给飞轮，飞轮驱动自行车后轮旋转；其次链轮直径大于飞轮直径，链轮以较慢的速度旋转将导致飞轮以较快的速度旋转。因此，骑车人可以以较慢的速度蹬踏脚蹬，自行车后轮将以较快的速度旋转，自行车车轮直径也可以较小，使乘坐舒适。,【例9.2】,自行车采用链轮与链条传动是一个采用空间分离原理的典型例子。,要求： 在链轮与链条发明之前，自行车存在两个物理冲突： 其一为高速行走需要一个直径大的车轮，而为了乘坐舒适，需要一个直径小的车轮，车轮既要大
7、又要小便形成物理冲突； 其二骑车人既要快蹬脚蹬，以提高速度，又要慢蹬以感觉舒适。,2) 时间分离原理,所谓时间分离原理是指将冲突双方在不同的时间段上分离，以降低解决问题的难度。,一加工中心用快速夹紧机构，在机床上加工一批零件时，夹紧机构首先在一个较大的行程内作适应性调整，加工每一个零件时要在短行程内快速夹紧与松开以提高工作效率。同一子系统既要求快速又要求慢速，出现了物理冲突。因为在较大的行程内适应性调整与在之后的短行程快速夹紧与松开发生在不同的时间段，所以可直接应用时间分离原理来解决冲突。,【例9.3】,3) 基于条件的分离原理,所谓基于条件的分离原理是指冲突双方在不同的条件下分离，以降低解决
8、问题的难度。,对输水管路而言，冬季如果水结冰，那么管路将被冻破。采用弹塑性好的材料制成的管路可以解决该问题。,【例9.4】,4) 总体与部分的分离原理,所谓总体与部分的分离原理是指将冲突双方在不同的层次上分离,自行车链条微观层面上是刚性的，宏观层面上是柔性的,【例9.5】,四、技术冲突及其解决原理,1. 技术冲突的概念,技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。,【例9.6】 波音公司在改进737的设计时，需要将使用中的发动机改为功率更大的发动机。而发动机功率越大，工作时需要的空气就越多，发动机机罩的直径就必须增大。而发
9、动机机罩直径的增大，使机罩离地面的距离就会减少，但该距离的减少是设计所不允许的。,在实际应用中，首先要把组成冲突的双方内部性能用该39个工程参数中的某两个来表示。目的是把实际工程设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突。,2.技术冲突的一般化处理,3.技术冲突与物理冲突,技术冲突总是涉及两个基本参数A与B，当A得到改善时，B变得更差。物理冲突仅涉及系统中的一个子系统或部件，而对该子系统或部件提出了相反的要求。技术冲突的存在往往隐含着物理冲突的存在，有时物理冲突的解比技术冲突的解更容易获得。,4.技术冲突的解决原理,在对全世界专利进行分析研究的基础上，TRI提出了40条发明创造原理,(1) 分割
10、原理,【例9.9】 可拆卸铲斗唇缘设计(如图9.6所示)。,一个挖掘机铲斗的唇缘是由钢板制成的。只要它的一部分磨损或损坏，就必须更换整个唇缘。这是一项既费力又费时的工作，而且挖掘机也不得不停止工作，可使用分割原理来解决这一问题。将唇缘分割成单独的可分离的几部分，这样，可以快速方便地将毁坏或磨损的部分更换。,(2) 分离原理如下,在飞机场环境中，为了驱赶各种鸟，采用播放刺激鸟类的声音是一种方便的方法，这种特殊的声音使鸟飞离机场，将产生噪声的空气压缩机放于室外。,(3) 局部质量原理,如带有橡皮的铅笔、带有起钉器的榔头。瑞士军刀带有多种常用工具，如螺钉起子、尖刀、剪刀等；电缆电视集电话、上网、电视
11、功能于一体,(4) 不对称原理,【例9.10】 考虑到外观美观，电动机和发电机的底座一般都设计成对称的形状。但是，因为它们需要旋转，左右底座所承受的载荷是不对称的。为减少机器的质量，节约材料，不翻转部件所对应的底座可以设计的小一些，能支持它们实际上所必须承受的载荷就可以了。,图9.7 具有不对称结构的电动机,(5) 合并原理,【例9.11】 在运输过程中，先用纸将玻璃片隔开，然后用纸片将其保护好放到一个木箱子里。虽然有这些预防措施，但是也经常发生玻璃的破损事件。 为减少玻璃的破损，每片玻璃上都涂上一层油(如图9.8所示)，然后将玻璃片粘在一起形成一个玻璃块，比起每片玻璃，玻璃块的强度要大很多。
12、,图9.8 易于运输的“玻璃块”,(6)多用性原理,使一个物体能完成多项功能，可以减少原设计中完成这些功能多个物体的数量。如装有牙膏的牙刷柄；能用作婴儿车的儿童安全坐椅；小型货车的座位通过调节可以实现多种功能：坐，躺，支撑货物。,(7) 嵌套原理,如收音机的伸缩式天线；伸缩式钓鱼竿；伸缩教鞭；笔筒里放有铅芯的自动铅笔。,(8) 质量补偿原理,【例9.12】 具有球形重物的速度调节器常被用来调节回转速度 通过减少零件的尺寸大小(或零件质量)来改进传统设计。例如，速度调节器上的球形重物可以改作成机翼形，这样就会增加调节器的提升力。,图9.9 具有机翼状重物的速度调节器,(9) 预加反作用原理,【例
13、9.13】 用割草机修剪的草坪不是很平整，因为草有一定的硬度，而且割草机在工作时其刀片接触到了即将要割的草，使草向前倾斜，这样就会使草在不同的高度上被修剪，当然修剪的草坪就会参差不齐,为得到平整的草坪，可以在即将修剪的草上预加反作用力，使其向前倾斜，这样割草机的刀片接触到的草就是直立的草，所有的草都是在同一垂直高度上被修剪的，所以修剪的草坪就会很平整。,图9.10 改进后的割草机可以修剪出平整的草坪,(10) 预操作原理,【例9.14】 预着色(如图9.11所示)。代替手工用刷子对塑料件进行着色，其中一种方法是机械着色。,图9.11 预着色,(11) 预补偿原理,【例9.15】 汽车安全气囊(
14、如图9.12所示)。 如果碰撞发生在车前部，安全带可以保护驾驶员。然而，安全带对侧面碰撞不起作用，所以建议使用侧面安全气囊。紧缩的气囊放在座位的后面。当侧面碰撞时，气囊因充气而膨胀，这样可以避免乘客受伤。,图9.12 安全气囊,(12) 等势性原理,图9.13 汽车旋转装置,(13) 反向原理,(14) 曲面化原理,机械加工中使工件旋转，而使刀具固定；为有效地训练运动员，可以使用健身器材中的跑步机；通过将一个部件或机器总成翻转，以便于安装紧固件。,筒可以成为一个旋转的双曲面体，这个双曲面由两个直立的盘子组成，用木棍通过圆周上的点互相连接起来。两个盘子可以相对旋转，通过机械轴可以将这两个盘子和收
15、割机连接起来。当盘子相对旋转时，滚筒外部的轮廓就会随着地形的改变而改变。,图9.14 与地形保持一致的滚筒,(15) 动态化原理,【例9.18】 螺旋角可变的螺杆输送机(如图9.15所示)。,(16) 未到达或超过的作用原理,如当缸筒外壁需要刷涂料时，可将缸筒浸泡在盛涂料的容器中完成，但取出缸筒后，其外壁粘涂料太多，通过快速旋转可以甩掉多余的涂料。,(17) 维数变化原理,图9.16 进入垂直面的矿车,(18) 振动原理,电动雕刻刀具具有振动刀片、电动剃须刀,(19) 周期性作用原理,【例9.21】 控制振动的方法,图9.18 控制切削振动,(20) 有效作用的连续性原理,【例9.22】 连续
16、工作,(21) 紧急行动原理,【例9.23】 高速切断管路,图9.20 切断管路的方法,(22) 变有害为有益原理,【例9.24】 不平坦的地基容易造成建筑物的倾斜，墙壁上产生危险压力，在这种情况下，通常需要拆掉建筑物重建，这是一种很不经济的解决方案。 建议方法是沿最大压力线将建筑物分成两部分，每一部分根据实际压力进行加固。,图9.21 应用“变有害为有益”原理确定切割线,(23) 反馈原理,【例9.25】 轧钢机钢板厚度控制,图9.22 轧机控制,(24) 中介物原理,机械传动中的惰轮,(25) 自服务原理,【例9.26】 自服务挖掘机,图9.23 自服务挖掘机,(26) 复制原理,通过虚拟现实技术可以对未来的复杂系统进行研究；通过对模型的试验来代替对真实系统的试验；通过看一名教授的讲座录像可代替亲自参加他的讲座；利用红外线成像可探测热源。,(27) 低成本、不耐用的物体代替贵重、耐用的物体原理,用一些低成本物体代替昂贵物体，用一
