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科学效应在创新设计中的应用
作者:仇成 冯俊文 高常青 丁俊武
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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, ...
工程人员在创新的过程中,常常需要各个领域的知识来确定创新方案。科学效应的有效利用,提高创新设计的效率。但是,对于普通的技术人员而言,由于自身的精力与知识面的有限,认识并掌握各个工程领域的效应是相当困难的。因此,很有必要将效应合适地组织起来,指导设计者进行创新。

1 产品创新中的科学效应

人们在获取知识的过程中,多数是抱着“中性”的态度去对待这一过程,注重知识的学习,却很少从知识的应用的角度去思考问题。

学生在求学的过程中学习过大量的物理、化学、数学等方面的科学效应知识。但是离开学校后,在工作环境中,工程人员很少从发明创造的角度出发去思考已掌握知识的应用,在很情况下,科学效应知识就被工程人员逐渐遗忘。

实际上,科学原理对于发明问题的解决有着强大的帮助。迄今为止,研究人员已经总结了大概10000个效应,但常用的只有1400多个。研究表明,工程人员自掌握并应用的效应是相当有限的。例如,爱迪生在他的1023项专利里只用了23个效应,Topolev的1001项专利里只用了35个效应。

深入研究效应在发明创造中的应用,有助于提高工程人员的创造能力。TRIZ理论将效应作为专门的问题解决工具加以研究。

2 TRIZ理论中的科学效应

传统的科学效应多为按照其所属领域进行组织和划分,侧重于效应的内容、推导和属性的说明。由于发明者对自身领域之外的其他领域知识通常具有相当的局限性,造成了效应搜索的困难。

TRIZ理论中,按照“从技术目标到实现方法”的方式组织效果库,发明者可根据TRIZ的分析工具决定需要实现的“技术目标”,然后选择需要的“实现方法”,即相应的科学效应。TRIZ的效应库的组织结构,便于发明者对效应的应用。TRIZ理论基于对世界专利库的大量的专利的分析,总结了大量的物理、化学和几何效应,每一个效应都可能用来解决某一类问题。

通过对250万件世界范围内的专利的分析,TRIZ理论总结出了高难度的问题解决所需要的常见的20种功能,如表1所示。

表1 发明创造中常见的功能类型
newmaker.com

其中,每一种功能都可以有不同的效应来实现,掌握可以实现常见功能的科学效应,有利于创新问题的解决。部分效应与功能的对应关系,如表2所示。

表2 常见功能与对应的科学效应
newmaker.com

3 计算机辅助产品创新设计

计算机技术的发展为人们处理信息提供了极大的帮助,其与产品设计理论相互融合,为计算机辅助创新设计的实现提供了基础。

3.1 效应在设计流程中的应用

创新设计的完成主要集中在产品的概念设计阶段。FBS(Function-behavior-structure)模型认为,产品设计过程就是功能、行为、结构域的映射过程。

在Function-behavior-structure三者的映射过程中,科学效应可以辅助设计人员产生创新概念,并逐步确定创新方案,在该过程中涉及功能的定义与分解以及效应的相关组合等过程。

3.2 科学效应库的建立

从狭义上讲,机械产品是指在一定的负荷下做功、克服物质的阻力、完成人力难以完成的机械运动,从而消耗较大的能量并具有一定功率的装置,如:动力机械、加工机械、运输机械等。功率具有力和速度两种属性。狭义上的机械产品一般都要求输出机械力或机械运动,完成需要的工作要求。

随着热,电、磁、光等新技术及信息技术的不断涌现,其与机械产品的结合日益广泛,机械产品的形式与内涵也在不断的丰富。甚至出现了“广义机械”的提法,将处理物质、能量和信息的技术系统统称为机械系统。

能量与物质、信息构成了技术系统的三类作用对象。机械系统工作的本质是处理能量、物质或信号的转换,大多数情况下,三种作用对象都要参与。但是,通常能量流总是存在的,没有能量流相伴随,就不会有物质或信息的转换,因此,能量的转换与利用的规律与实现,是产品设计过程中必然要考虑的重要内容。许多机械产品的主要功能就是通过对物质流与能量流的处理,输出特定的能量形式,以完成对物质存在形式的改变或能量类型的利用。

因此,在科学效应库的构建过程中应以能量的传递规律为主要内容,同时结合信息与物质的特性规律,对于机械产品来说,则重点研究物质的工程应用特性。

根据工程中的应用特点,我们将能量分为机械能、重力场、电场、磁场、核能、热能、风能、太阳能等形式。对于能量的操作分为产生、存储、利用、转换、传输、检测、增强、减弱等。对于各种能量的工程参数操作可分为测量、增加、减小、稳定等。

对于物质的工程操作可以分为产生、探测、分离、移动、消除、保存、浓缩、吸收、隔离、干燥、腐蚀等。物质可以分为气体、液体、固体物质、粒子、多孔物质等。

功能的表示采用“动词”加“名词”的方式来表示,如:吸收热量、移动液体等。

效应的描述通常包括:效应的名称、内容描述、公式参数、系统组成、特性、前提条件、工程实例等内容。

该系统是利用Visual C++开发工具及ActiveX技术构建的,数据库开发采用Access系统。

3.3 科学效应库的工程应用

传统的洗衣机工作原理是应用水流的冲洗作用使衣物中的污物除去,达到洁净衣服的效果。随着水资源的紧缺与人们日益增长的环保意识,开发新一代的洗衣机装置具有重要价值。通过对洗衣服功能的严格定义,其产品设计的功能可表示为“分离物质”,通过对该功能的搜索,可以发现其他相关的科学效应,如:超声波振动、气穴现象、臭氧氧化等。这些效应为产品的创新提供新的设计思路。

又如,在以水为介质的热循环装置的没计过程中,我们将产品的功能表示为“移动-液体”,在科学效应库中搜索相关科学原理。如图2所示。效应库中有若干相关的科学效应,可以实现液体的移动,如:重力场、大气压力、自然循环、毛细现象等。通过对比,自然循环在容器回路中依靠温度差导致液体密度的变化,实现对液体的移动,无需添加专门的液体循环驱动能源,大大降低了系统的复杂度。

4 结论

科学效应的有效利用可以极大的促进创新设计过程的实现。与计算机信息管理技术的紧密结合,使开发支持工程人员创新设计的CAI设计工具成为可能,提高了设计效率。深入研究效应的分类与其之间的相互作用关系是下一步研究的重点。效应的广泛搜集对于工程的创新设计有十分重要的实际意义。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (12/16/2008)
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