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工业设计/产品设计 |
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基于TRIZ进化理论的产品创新设计 |
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作者：张付英 张林静 王平 |
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引言
TRIZ提供的创新设计理论和方法，已经成为产品开发中解决技术难题的有效工具。技术进化理论是TRIZ的核心，该理论不仅能预测技术的发展，而且还能展现预测结果实现的可能结构状态，指导设计者沿着正确的方向开发新产品。本文从不同视角提出产品创新设计过程的统一模型，并将TRIZ进化理论集成到产品创新解的产生阶段，预测未来技术的可能结构状态，指导设计者产生创新设计方案，并用液压缸往复密封作为实例。
I TRIZ进化理论
TRIZ进化理论是专门研究技术系统进化预测的重要分支，目前有技术进化理论(ET)、技术进化引导理论(GTE)和直接进化理论s][等多种形式。为了使这些理论在实际产品开发中易于操作，TRIZ研究者归纳和总结出技术进化模式和进化路线。设计者应用这些进化模式/路线很容易产生创新设计方案。
1.1技术进化模式和进化路线
技术进化模式是指技术系统在发展过程中所呈现出的复杂进化趋势。随TIRZ理论的发展，先后有Altshulle:的10种进化模式、zusman的8种进化模式和Darrell的11种进化模式。从产品开发角度，前两种进化模式使用方法模糊、难以操作，后一种进化模式考虑了产品设计的结构问题，易于操作使用。本文以Draren的11种进化模式进行分析，即:系统向理想化方向进化;向增加系统的动态性方向进化;向增加系统分割的方向进化;向增加空间分割的方向进化;向增加表面分割的方向进化;向增加可控性方向进化;向超系统方向进化，即先使系统的复杂性增加而后向减少系统的复杂性方向进化;向增加几何体复杂性的方向进化;向能量转换路径最短的方向进化;向增加系统动作协调性的方向进化;向增加系统节奏和谐性的方向进化。
每种进化模式都有多条进化路线。每条进化路线，研究者都确定了自左向右的通用进化状态。如增加系统的动态性进化模式包含如下进化路线:刚性体-单铰体-多铰体-柔性体-液体或气体-场;超系统-系统-子系统-物质。通过对大量的专利研究发现，技术系统的进化路线研究可提供开发新一代产品的新概念和新思路。
1.2 技术系统的进化潜能
技术进化模式/路线与现代设计方法学的融合，产生了进化潜能的新概念[4]。进化潜能图如图1所示，图中每一条射线表示与构件或系统相关的进化模式，外周表示进化模式沿各条进化路线的进化极限，阴影面积表示目前产品沿进化路线已完成的进化，而进化极限与阴影面积之间的面积差就代表该系统的进化潜能。进化潜能图可直观表示给定技术系统的进化情况，为设计人员确定未来技术开发方向提供了理论依据。
图1 技术系统进化潜能图
2 基于TRIZ进化理论的产品创新设计
2.1 产品创新设计过程统一模型
对产品创新设计过程有不同的理解和术语，图2从不同视角给出了产品创新设计过程的一般模型。从传统的设计过程看，产品设计是从用户需求分析到新产品设计制造方案的形成过程;从概念设计的视点，则是指产品概念的认定、产生、实现和发展的过程;从创新的角度出发，针对市场新的需求和产品的问题、不足，不断用新的产品功能、结构和工艺去替代老产品的过程;从信息化角度研究，是利用计算机软硬件、网络和数据库技术进行计算机辅助产品创新。图中的CAMI、CAFI、CSAI、CAPl分别为计算机辅助产品市场、结构、功能、工艺创新。
创新概念或创新设想产生是产品创新设计中最能体现人创造力的环节，要求设计人员利用现有的科学原理、公理结合具体实际条件，寻找技术、经济可行的方案构想。针对产品存在的缺陷确定改进的方法，或针对产品向理想解的进化过程确定开发方向是产生创新构思的一种有效的可操作的方法。
本文重点讨论将 TRIZ进化理论作为产生创新构思的基本工具，实现产品快速创新过程。由于篇幅有限，在创新设计其他阶段的应用不再赘述。
2.2 创新解的产生
应用TRIZ进化理论产生创新解的过程为:通过专利和产品相关数据分析，研究给定技术系统的进化过程，根据现有产品的结构状态确定其在已知的可应用进化路线上的位置。确定给定技术系统沿各条进化路线没有实施的进化状态和未来可能的进化阶段及进化较差的进化路线;通过定义进化冲突，确定给定技术系统实现未来进化阶段所需的技术创新潜力。用两种方法产生创新解:一是由给定技术系统沿各条进化路线可能的潜在状态，确定创新解;二是技术系统的进化潜能图，辨识未来主要的进化状态和创新方向，从而确定创新解。图3为针对某种产品的基于动态进化路线确定创新解的过程，图1为基于进化潜能图确定创新开发方向的过程。
2.3 产品进化位置的量化
利用模糊集{0，1，2，3，4，5}来度量产品的相对进化位置，图4为产品相对每一进化模式位置的确定过程。模糊集的意义如表 1所示。
3 应用实例
3.1 问题描述
往复密封是液压缸关键技术，其性能对液压缸的低速特性、运动的灵敏性和动静刚度起决定性作用。为满足用户要求，液压往复密封在很多方面需要改进。本文以液压缸活塞往复密封为例，应用提出的创新设计方法，进行往复密封的改进设计。
3.2 液压往复密封的进化路线
液压往复密封创新包括新的密封材料和功能性材料的应用、密封件的截面形状设计、密封结构的改进和密封件的组合。本文从材料、结构、截面形状和功能几方面来分析往复密封技术的进化历程，并归纳和总结出与往复密封进化相关的进化路线如图5所示。图5a-1分别与Darrell的11条进化模式相对应。图中，带圆圈的方框表示当前往复密封的进化位置;虚线箭头指出了与之相对应的密封结构;带阴影的方框表示液压往复密封潜在的进化状态，它提供了解决间题的出发点。
3.3 液压往复密封的进化潜能图
根据图5所示的往复密封进化路线及当前进化位置，并按照本文提出的产品进化位置的量化方法，构建液压往复密封的进化潜能图，如图6所示。从图中没有进化的区域可确定液压往复密封创新设计的方向。
3.4 液压往复密封的创新设计解
将现有往复密封的进化路线与图5所示的 TRIZ通用进化路线对比，并根据图6所示的进化潜能图得到如下结论:①单一密封材料难以同时满足密封和耐磨要求，因此密封材料的多元化、复合化和功能性材料的应用是往复密封材料创新的重要方向。②探索磁场、电场、化学场和生物场等复合场作用的密封技术可获得往复密封的突破式创新。③沿空间分割进化路线开发具有多孔和毛细管的密封结构可大大提高密封的润滑性能，减少粘滑阻力、降低磨损率。④几何体进化是一个比较明显的进化趋势，当在设计过程中探索所有能得到的自由度时，就会得到密封件的创新设计。⑤开发截面形状更复杂的密封件可使密封性能、耐磨性大幅度提高，增加密封件的寿命和可靠性。⑥往复密封技术沿表面分割的进化已处于第3个阶段，开发具有活性孔的密封件可进一步增加密封装置的动态性，从而得到新型往复密封结构。⑦要增加密封的可控性，应开发带有反馈控制和智能控制的密封装置。液压往复密封技术在可控性、充分利用系统内部资源、向理想化方向进化等方面还有很大的进化潜能。⑧液压往复密封在系统动作的协调性和节奏和谐性方面刚刚实施进化，因此沿该方向开发密封产品将引发液压往复密封的突破式发展。
根据上述提供的方向进行往复密封的研究开发，会获得往复密封的创新设计。当然，要得到创新设计解，必须根据创新方向构思相应的创新设计方案。如沿往复密封件几何体进化方向可预测下一个结构进化状态应为复杂的截面形状，图7为由此构思的密封创新设计的一个方案。由于该密封的弹性力可调，且带有止口，可提高往复密封的密封性能和耐磨性。
4 结束语
传统创新产品开发需设计人员在较大的解空间 、寻求间题解， TRIZ技术进化理论提供了使设计者能迅速得到创新问题解的结构化方法。本文将 TRIZ进化理论与产品创新设计相融合，在产品概念产生环节，利用TRIZ进化路线和进化潜能产生创新解，使产品创新设计过程具有可操作性。最后以液压缸往复密封作为研究实例，表明该方法的有效性。(end)
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(7/28/2008) |
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