产品创新设计原理 物质—场分析 76个标准解,时间：120分钟 目的：1、掌握物质-场模型的构建方法2、掌握物质-场模型分析系统的方法,,,课程大纲,一、物质-场的概念 二、基于物质-场的物理效应建模 三、典型的物质-场变换:标准解－－在物质-场中如何增加新物质－－如何在物质－场中引入场,Altshuller认为，所有的功能都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三个要素组成，分别是目标、工具和场产品是功能的一种实现，因此，可用物质-场（Substance-Field：Su-Field）分析产品的功能，把已有技术系统的问题模型化，这种方法是TRIZ最重要的分析工具之一引 言,,物质（S）是指各种复杂级别的物体的通用称谓，有可能是单一的元件（如螺栓、销、杯子），也可能指复杂的系统（汽车、航空器、或者大型计算机主机）物质的状态典型的物理状态（如真空态、等离子态、气态、液态、固态）大量的中间态和混合态（比如烟雾、泡沫、粉末、凝胶、气溶胶、沸石）这些状态的物质有各自特性，如热学、电学、磁学、光学以及其他特性（热绝缘、半导体、铁磁性、发光体等等）1、什么是物质？,,完成某个过程的作用或形式称作场。
场（F）在TRIZ中包括：物理场：电磁场、重力场、强相互作用，弱相互作用，还有光学场、化学场、声学场等TRIZ的场提供能量流、信息流、力、相互作用或产生某种效果的反作用场的存在必须依赖于某种物质的存在，物质是场的来源2、什么是场？,,3、最小技术系统：物质－场模型,TRIZ中最小的具有机能、可控的技术系统的图形表现就称为物质-场模型（Su-Field Model）两种物质、一种能量及其相互作用可以完成单一功能，所以构成一个最小技术系统，在TRIZ中称为“物质－场” S1表示物质，S2表示工具，Ｆ表示能量 两种物质S1及S2，一种场Ｆ，所构成的系统称为物质－场其模型如图所示物质－场分析过程的符号系统如表所示：,,4、物质与场之间的相互作用,,物质之间的相互作用通过场进行，Ｆ２与Ｆ１可以相同或不同相同时Ｆ２可以去掉例：,F input 输入场 F control 控制场 F output 输出场 Substance(s) 物质(组) P 参数, 如形状、维数、空间等,二、基于物质-场的物理效应建模,,1、热膨胀的物质-场模型,物质的输入为热量，输出为力及物质的形状二、基于物质-场的物理效应建模,2、压电效应物质-场模型,压电晶体在受到压力的作用下产生电压。
二、基于物质-场的物理效应建模,3、效应链,将单一效应组合，可以形成效应链二、基于物质-场的物理效应建模,4、物理效应物质-场模型的应用 例: 微调节注射泵是在生物体内注入或提取微量液体的装置由针头、柱塞、容器构成柱塞的移动借助于手工或电驱动装置完成现代微调节注射泵的精度可达到±0.01µL二、基于物质-场的物理效应建模,步骤1： 确定物质S1. 被移动的液体， S1liquid 步骤2: 确认S1如何被改变. S1liquid被移出容器. 步骤3: 确认导致该变化的F1. 机械场(力) F1mechanical可以导致该变化. 步骤4: 这种场存在吗? 假定不存在, 转步骤5.,二、基于物质-场的物理效应建模,步骤5: 确认能产生F1mechanical的F2→S2.(1) 热膨胀效应: Fthermal →Ssolid or liquid(2) 压电效应: Felectrical → Spiezoceramics(3) 磁弹性效应: Fmagnetic →Sferromagnetic 步骤6: 产生概念Fthermal →Ssolid or liquid : 加热固体或液体,产生膨胀,使 液体移动;Felectrical → Spiezoceramics: 电场中的压电晶体膨胀,使液体移动;Fmagnetic →Sferromagnetic: 磁场中的磁弹性材料膨胀,使液体移动.,二、基于物质-场的物理效应建模,技术系统可以用物质-场模型描述。
典型的模型如图所示假如待改进的系统建立了物质-场模型，将该物质-场模型传递到新状态的方法称为标准解初始物质-场模型为ISM， 需要的物质-场模型为DSM其过程如图：,3.1 完善具有不完整功能的系统（标准解1.1.1）,例：金属扎制的过程中其变形区需要润滑液润滑3.1 完善具有不完整功能的系统（标准解1.1.1）,通常液体润滑液通过刷子及喷雾装置施加到变形区域.问题：润滑液不均匀，润滑液粘满棍子，浪费很多分析： 实现功能：将所需要量的润滑液施加到变形区域 现状：采用压力实现润滑液的流动 原因：没有合适的工具F1pressure 为压力 S1lubricant 为物质,3.1 完善具有不完整功能的系统（标准解1.1.1）,按标准解1.1.1要引入F2→S2，施加机械作用于S1（lubricant）上如图所示：,要引入S2， 由S2施加S1，但S2不能干扰扎制过程即，S2在变形区施加S1的同时，要消失 F2最好采用系统可用资源扎制过程中的机械场及热场是可用资源3.1 完善具有不完整功能的系统（标准解1.1.1）,解：充满润滑液的纸被进给到辊子与金属带之间，纸在高温下燃烧，在扎制区均匀留下润滑液。
3.1 完善具有不完整功能的系统（标准解1.1.1）,3.2 消除物质-场中的有害作用,a.当完整场模型中两种物质之间有用及有害作用同时存在，为了保持有用作用，消除有害作用，通常的方法是引入一种新物质，将原来两物质隔离例：需要数千张厚度为0.01毫米的圆形铝盘在车床上车削加工问题：加工中铝盘出现弯曲、变形、及边缘撕裂等问题3.2 消除物质-场中的有害作用,分析：S2与S1之间的有用与有害作用同时存在可以引入S3使S1强度足以完成切削加工3.2 消除物质-场中的有害作用,解：将一打铝盘置于水中，使其结冰冰坨使铝盘可 以加工如图所示：,3.2 消除物质-场中的有害作用,b.与上一个方法类似，但不允许引入新物质,引入的第三种物质是S1或S2的变形S33.2 消除物质-场中的有害作用,为了增加S3的可控性, 需要增加一个辅助功能.,3.2 消除物质-场中的有害作用,例: 管路运送钢珠3.2 消除物质-场中的有害作用,c.假如两种物质间的有用及有害作用同时存在，两种物质又必须直接接触，有用作用由F1提供，则采用F2中性化有害作用3.2 消除物质-场中的有害作用,例：通风机械工作在充满蒸汽与液滴的环境中。
问题：直径相对较大的液滴（直径为50-800µm)，与高速旋转叶片撞击，使其受到侵蚀，影响其工作3.2 消除物质-场中的有害作用,分析：如果直接在叶片上形成冰的保护层则效果很差F2的任务是不使叶片与水滴接触3.2 消除物质-场中的有害作用,解：采用电晕放电原理，使水滴及叶片均带电，但相斥，从而使水滴不与叶片接触3.2 消除物质-场中的有害作用,检测与测量的问题通常涉及到对某种物质的检测与测量按物质-场的观点分析，有图中的几种情况：,3.3检测与测量,a.假如一个系统中的某个问题需要检测与测量，改变系统，使之不再需要例：电烙铁经常用于昂贵电路板的补焊与维修为了避免对元器件及电路板本身的伤害，电烙铁头部的温度应控制在允许使用范围内的最低温度 通常，技术将温度调整到高于最低使用温度的范围，这增加了电路板过热的危险采用自动控制，将增加系统的复杂性与成本3.3检测与测量,分析：如果一个系统需要精确的温度控制，最好采用某种物质，该物质将温度维持在该温度范围内为了实现上述目标，利用“居里点”是一种自然的选择，在该点之上，铁磁物质失去磁性3.3检测与测量,解：电烙铁头部设计成一个模块铜棒周围覆盖一层铁镍合金。
线圈中的交变电流产生高频交变磁场，在铁镍合金中诱发旋涡型电流，产生热量，并加热铜棒（头部） 当铁镍合金中的温度到达居里点时，合金对磁场不敏感，温度不再增加当温度降低到居里点以内时，材料对磁场敏感，温度增加因此可以保持电烙铁头部温度保持在±1℃ 改变铁镍合金，可以改变温度3.3检测与测量,b、假如检测一个非完整物质-场中的某个元素是困难的，使其完整，并将一个场作为输出例：电冰箱冷却管路的检测需要一个简单、方便、低成本、可靠的方法3.3检测与测量,分析：泄露的液滴为S1，其ISM是不完整模型应增加S2，它与F optical作用，使S1可见，或转换另一种场，使其变成F optical3.3检测与测量,解：（1）管路外表面涂上一层漆，如果有泄露，漆表面会鼓包，并可以观察到2）荧光可以将紫外线辐射转换成可见光在电冰箱的管路系统空间中临时放如荧光源，使泄露处显现3.3检测与测量,物质-场分析的概念之一是使不完整的物质场变得完整这通常会增加系统的复杂性，还可能导致不希望的技术效果解决基本思想是：引入物质或场，又不引入物质或场标准解5.1.1 假如需要引入一种物质，因为要求或条件所限不能引入该物质。
可采用间接方法：（1）采用系统所处环境中的物质；（2）采用虚无物质：发泡、多孔、空气、缝隙等例：制造光学清晰液体的过程要检测其杂质假如样品中的杂质超标，样品所在的母体要重新处理杂质是无磁性的小颗粒，在制造的不同阶段进入液体好的检测方法是光学法：激光扫描样品，通过颗粒反射，记录颗粒数问题：当颗粒的直径较小时（如小于580nm)，颗粒不能被反射需要发明新的检测方法与仪器物质-场分析：在初始的物质-场中，微小粒子S1不能被场F1检测到第2种物质S2应引入，附加到S1，S2将F1转变为可反射的光F1’ S2应能满足三种主要需求： （1）S2应足够大，以放射光线 （2）S2应足够粘，能附着在S1上 （3）S2不能污染被测清洗液体解：气泡用于检测粒子加热作为样品的液体，在粒子周围的液体首先沸腾，并产生气泡气泡很快长大，容易检测到 应用已有物质的变形，或其中的部分作为工具，以解决问题1）及（2）比较容易满足，但（3）比较困难 理想的方法S2应是S1的一种变形标准解5.2.3假如系统内部及外部已存在的场均不能被采用，而某种场的承载物质或资源在系统中或环境中已存在，可以采用该场．,例：一种滑动轴承通常采用热传感器测量轴承的温度，温度升高过快预示着轴承所承载机构的可能发生事故。
升温过快时，传感器送出电信号，该信号控制一快速关断子系统开关，使机构停止运转，确保安全问题：热量需经过一个传递路径到达传感器，这段时间延迟可能导致事故的发生因此，需要设计一种新原理检测系统物质－场分析：下图是ISM及DSM其中：S2是一种能产生电场Ｆel的物质解：采用轴承外圈作为S2原理：处于接触的两个导热体之间，由于热分布不同，产生电动势，测量该电动势可以得到温度变化的信号课程回顾,一、物质-场的概念 二、基于物质-场的物理效应建模 三、典型的物质-场变换:标准解 四、在物质-场中如何增加新物质 五、如何在物质－场中引入场,76 条标准解共分五类，具体内容如下第一类标准解：不改变或仅少量改变系统（1）改进具有非完整功能的系统No.1 假如只有S1，应增加S2 及力场F，以完整系统三要素，并使其有效No.2 假如系统不能改变，但可接受永久的或临时的添加物，可以在S1 或S2 内部添加来实现No.3 假如系统不能改变，但用永久的或临时的用外部添加物来改变S1 或S2 是可以接受的，则加之No.4 假定系统不能改变，但可用环境资源作为内部或外部添加物，是可接受的，则加之No.5 假定系统不能改变，但可以改变系统以外的环境，则改变之。
No.6 微小量的精确控制是困难的，则可以通过增加一个附加物，并在之后除去来控制微小量No.7 一个系统的场强度不够，增加场强度又会损坏系统，可将强度足够大的一个场施加到另一元件上，把该元件再连接到原系统上同理，一种物质不能很好地发挥作用，则可连接到另一物质上发挥作用No.8 同时需要大的（强的）和小的（弱的）效应时，需小效应的位置可由物质S3 来保护2）消除或抵消有害效应No.9 在一个系统中有用及有害效应同时存在，S1及S2 不必互相接触，引入S3 来消除有害效应No.10 与No.9 类似，但不允许增加新物质通过改变S1 或S2 来消除有害效应该类解包括增加“虚无物质”，如：空位、真空或空气、气泡等，或加一种场No.11 有害效应是一种场引起的，则引入物质S3吸收有害效应No.12 在一个系统中，有用、有害效应同时存在，但S1 及S2 必须处于接触状态，则增加场F2 使之抵消F1 的影响，或者得到一附加的有用效应No.13 在一个系统中，由于一个要素存在磁性而产生有害效应将该要素加热到居里点以上，磁性将不存在，或者引入一相反的磁场消除原磁场。