浅谈TRIZ冲突解决原理在概念设计中的应用

作者：哈尔滨工程大学 刘尚

欢迎访问e展厅 展厅 2 工业设计/产品设计展厅 产品设计, 工业设计, 样件打样, 手板制作, 模型制作, ... 摘要：阐述了产品概念设计的策略。介绍了基于TRIZ理论的产品概念设计中冲突确定的物质——场分析符号系统以及对技术冲突和物理冲突求解的发明原理和分离原理。 引言 英国OPEN大学的Cross将设计过程模型归结的描述型和规定型。对这两种模型分析可知，概念设计包括查明功能及结构、寻求解决原理及其结构两个阶段，其核心是确定待设计产品的新的、有市场竞争力的工作原理。为此，可将概念设计的策略归结为两类，（1）设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价确定一个较好的解，基于该解完成后续设计。这一策略是“以问题为中心”的设计思想。通过对问题的抽象，产生多个可能的概念，经评价确定一个解。（2）设计过程中只产生一个解，经修改、完善与评价，如果该解是一个较好的解，则进行后续设计，反之，产生一个新解，一直找到一个较好的解。这一策略是“以产品为中心”的设计思想，即待设计产品的一个概念是在对已有产品的工作原理进行分析、总结的基础上提出来的。 TRIZ是G.S.AltShuller提出的发明问题解决理论，该理论的核心是技术系统进化原理：技术系统根据客观发展规律进行自我发展，这些客观规律是可以被认识的，并可利用这一客观规律有意识的解决发明问题。按这一原理，技术系统一直处于进化之中，解决冲突是进化的推动力。其求解过程如图1所示： 从TRIZ解决问题的过程可以看出，TRIZ的求解过程是基于标准问题的标准解，然后在标准解的基础上，将其具体化得到实际问题的新原理解（新概念）。因此，适合于第二类概念设计策略。 1 TRIZ中冲突的分类及确定方法 在对设计过程中产生的解进行修改、完善时，为了提高系统某一部分功能，很可能给系统其他部分带来负面影响，这就产生了冲突。针对不同类型的冲突，采用有效地解决办法，系统的解才会得以完善。 1.1 冲突的分类 在TRIZ理论中，将冲突分为三类：管理冲突、技术冲突和物理冲突。 管理冲突是指为了避免某些现象获希望得到某些结果，需要做一些事，但又不知道如何去做。例如：希望提高产品质量，又不知如何去提高。 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。例如：飞机的机翼应有大的面以便起飞和降落，但大的面积又影响了飞机的飞行速度。 技术冲突是指一个作用同时导致有用和有害两种结果，也可以只有用作用的引入或者有害作用的消除导致一个或几个子系统或整个系统功能变坏。例如，要加强桌子的强度就要用厚的板材，但厚板材又增加了桌子的重量。 1.2 冲突的确定 在解决冲突问题时，要将管理冲突转化成为物理冲突或者技术冲突。 相对于技术冲突，物理冲突是更加尖锐的冲突，对物理冲突的可以在对问题进行深入分析的基础上确定，也可以对已有的技术冲突进行进一步分析来确定。 对技术冲突的确定可以采用经验法，即针对具体问题，由设计人员根据经验对冲突提出的文字描述。物质——场分析可以作为技术冲突确定的另一种方法，它是TRIZ理论进行技术冲突确定的工具。这一工具是基于AltShuller 对功能进行研究所提出的物质——场符号系统。 概念设计阶段要进行产品的功能分析并提出原理解，因此对功能的描述是关键问题之一。AltShuller通过对功能的分析，发现了如下三条定律： （1）所有功能都可分解为三个基本元件。 （2）1个存在的功能必定由3个基本元件构成。 （3）将3各相互作用的基本元件有机的组合将产生一个功能。 组成功能的3个基本元件分别为两种物质及一种场。这3个基本元件可用符号系统来描述，构成功能的基本图形描述。如图2所示，（图中F为场，S1及S2为物质，S1为被动元件，S2为主动元件），其含义为：场F通过物质S2作用于物质S1并改变物质S1。 Zinovy，Terninko等人有对这一符号系统进行了发展，这里对发展了的符号系统的一部分进行介绍。功能图形表示如图３所示： Ftype场的类型。常用的类型为： Me——机械 Th——热 Ch——化学 E——电 M——磁 G——重力 依据这套符号系统，我们可以建立系统功能模型，区分有用功能和有害功能，并进一步找到导致有用和有害功能的参数，确定技术冲突。 2 冲突地解决原理 针对设计过程中不同的冲突类型，采用不同的解决原理。对于技术冲突，采用发明原理；对于物理冲突，采用分离原理。 2.1 发明原理 AltShuller在总结250，0000条专利的基础上，总结了40条发明原理[2]，这些原理对指导工程设计人员的发明创造具有重要的作用。 设计过程中，可以通过检索冲突矩阵，找到问题相应的求解原理。冲突矩阵[3]是一个40*40的矩阵，其中第一行或者第一列是按顺序排列的39个描述工程参数的序号，除第一行和第一列外，其它39行39列形成一个矩阵，行与列的交叉点的数字为原理的序号。冲突矩阵中行参数代表冲突中恶化的一方，列参数代表要改善的一方。 操作过程中，可把上述冲突解决原理具体化为12个步骤： （1）定义待设计系统的名称 （2）确定待设计系统的主要功能 （3）列出待设计系统的关键子系统合各种辅助功能 （4）对待设计系统的操作进行描述 （5）确定待设计系统应改善的特性、应该消除的特性 （6）将涉及到的参数按标准工程参数（39参数）重新描述 （7）对技术冲突进行描述：如果某一工程参数要得到改善，将导致哪些参数恶化 （8）对技术冲突进行另一种描述：如果降低参数恶化的程度，要改善参数将被削弱，或另一恶化参数将被加强 （9）在冲突矩阵中有冲突双方确定相应的矩阵元素 （10）由上述元素确定可用发明原理 （11）将所确定的原理应用于设计者的问题 （12）找到、评价并完善概念设计及后续设计 2.2 分离原理 物理冲突是TRIZ要研究解决的关键问题之一。TRIZ理论中，解决物理冲突使用分离原理。分离原理可分为： （1）空间分离 将冲突双方在不同的空间分离，以降低解决问题的难度。 （2）时间分离 将冲突双方在不同的时间段分离，以降低解决问题的难度。 （3）基于条件的分离 将冲突双方在不同的条件下分离，以降低解决问题的难度。 （4）整体与部分的分离 将冲突双方在不同的层次分离，以降低解决问题的难度。 ３设计实例 汽车安全气囊是为了最大限度的保护驾驶员和前排乘客。但是，调查发现安全气囊每保护20个人，就有1个人不能受保护而死亡。 因此，我们的设计任务是提高安全气囊的安全效率。这是一个管理矛盾，即当前气囊的安全效率不高，想要提高安全效率但不知怎样做。 对管理问题进行分析后，可将其转为技术冲突。造成这一结果的原因是：目前的气囊只保护了身高的司机和乘客，对身材矮小的司机和乘客可能起伤害作用。进一步分析可知，气囊在完全膨胀后由于表层的弹性可以对前排司机和客户起到保护作用，但气囊在膨胀过程中，像一个刚体，很容易碰到身材矮小（离方向盘近）的司机和乘客，而使他们受伤。 这样，我们可以对系统的冲突重新定义： 系统名称：安全气囊 系统主要功能：保护前排的司机和乘客。但实现这一功能的同时，出现了负面影响，如图４气囊的功能模型所示，我们的设计目的如图５所示。 图中， S1.1——身高的司机和乘客 S1.2——身材矮小的司机和乘客 S2——气囊 FMe——机械能量场 对系统描述：对身材矮小的司机和乘客，气囊膨胀时会撞上他们，如果降低膨胀速度，则可降低膨胀时的功率，减小伤害。但如果降低速度，还有可能在其还没有膨胀起来的时候，所有司机与乘客身体前倾，撞到方向盘（挡风玻璃上）造成伤害。 设计中应改善的特性：减小膨胀时的功率，消除乘客撞到方向盘（挡风玻璃上）的风险。 因此，在３９个工程参数中选择No.15运动物体的时间，和No.３１物体产生有害因素作为设计参数。查冲突矩阵得２１，３９，１６，２２几条原理。 根据上述原理，得到解决方案如下： No.21紧急行动加快而不是减小气囊膨胀速度，当气囊完全膨胀后，才会出现乘客与之碰撞的可能 No.39 惰性环境 采用某种物质软化气囊表面，就可以保护乘客 No.16 未达到或超过的作用 气囊体积减小，功率增加，使其快速膨胀，保护司机与乘客。 No.22 变害为利 增加气体膨胀速度，当完全膨胀时车可才与之碰撞。 至此，提出了系统概念设计的基本原理，找到了原理解。设计人员可在此基础上，进一步进行后续设计。 ４ 结论 产品概念设计的核心是确定待设计产品的新的、有市场竞争力的工作原理。在确定这一工作原理的过程中，必然存在着技术冲突或物理冲突。TRIZ发明问题解决原理为解决技术冲突和物理冲突提供了相应的解决原理和解决工具。利用物质——场分析、发明原理、分离原理等可有效地解决概念设计中的问题。 ５ 参考文献 [1] 檀润华，马建红等。产品设计中的物质——场分析[J]。工程设计，2001，No.4：207-210 [2] http://triz40.com/aff_Principles.Htm [3] http://triz40.com/aff_Matrix.Htm (end)

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