基于冲突解决理论的失效分析方法（AFD-1）模板研究 - 文章

基于冲突解决理论的失效分析方法（AFD-1）模板研究

作者：许波檀润华孟照建

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摘要：预期失效分析(AFD)是在TRIZ理论基础上发展起来的I-TRIZ中风险分析的应用。Stan Kaplan等人建立的AFD-1模板采用资源工具来进行失效的消除和系统的理想化，然而由于资源分类繁多，操作工作量较大，对操作者的专业基础要求较高，因此应用较困难。将TRIZ中的冲突解决理论引入AFD-1模板中，使用冲突解决理论代替资源工具进行失效的消除和设计方案的优化，并建立了新的基于冲突解决理论的AFD-1模板。最后将模板在实际工程问题中进行应用。结果表明基于冲突解决理论的AFD-1模板克服了传统模板操作的复杂性，工作量相对减少，实际应用效果有较大改善。

失效分析技术是保证产品可靠性的重要方法之一，从20世纪50年代起国外就兴起了失效分析技术研究，最初应用于美国军方，现在失效分析技术已经成为产品设计、产品质量保证、可靠性研究不可缺少的依据和手段。预期失效分析(AFD)是在TRIZ理论基础上发展起来的I-TRIZ中风险分析的应用。由于该方法具有相对于传统失效分析方法的诸多优点，成为当前失效分析方法研究的热点。AFD-1是AFD方法的一种应用，用于分析发现某一已经发生的失效的原因，在这一应用中AFD-1也被称为失效分析。

本文对AFD-1模板进行研究，并将其与TRIZ中的冲突解决理论进行了结合，提出了基于TRIZ冲突解决理论的AFD-1模板，解决了传统AFD-1模板实际应用较复杂的问题，并在论文最后进行了工程实例验证。

1 传统的失效分析方法AFD-1

预期失效分析(AFD)是I-TRIZ在风险分析上的一种应用，是在TRIZ的基础上发展出来的一种新的失效分析的方法，其主要优点是利用逆向思维改变设计者对失效的认识、克服设计者的惯性思维并最终可用TRIZ方法消除失效。

AFD失效分析的核心就是利用逆向思维将理想状态反转，找出故障所有可能发生的方式。传统失效分析方法思考的问题是：“为什么失效会发生？系统中会发生哪些失效？”而AFD中设计者思考的是：“怎么让失效发生？怎么让系统不能正常运行？”。

美国Ideation International公司的KaplanStan等人在原苏联Kishnev的TRIZ研究基础上，提出了传统的AFD-1模板，如表1所示。

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从传统的AFD-1模板可以看出，步骤3)针对已经发生的失效进行局部化，即失效定位后，在步骤4)和5)中对失效原因进行分析，引入“资源”的概念，找出造成该种失效必需的资源条件，然后通过消除特定的资源来达到消除失效的目的。

传统的AFD-1方法关于“资源”的核心思想为：系统中任何功能、现象产生都需要特定的资源，对于失效来说，任何自发产生的失效或缺陷，所有的必需组件必须在系统中或它邻近的环境中出现．那么，对失效原因的分析过程，也就是对于特定资源的查找过程，而为了寻找必需的资源，必须进行的工作包括以下2点：

1)识别一个给定现象实现的必需资源；

2)寻找系统中或其周围必需的资源。

而在AFD关联的资源库中，资源可分为6个大类及其关联的33个小类。资源分析的过程成为一项较复杂且专业性要求较高的工作，对于普通工程人员来说，操作这样一项工作的难度较高。

2 TRIZ中的冲突解决理论

产品创新的核心是解决设计中的冲突或矛盾。TRIZ发明人Altshuller依据世界上著名的发明，研究了解决冲突（或矛盾）的方法，提出了解决冲突的发明原理，建立了解决冲突的基于知识方法，这些方法包括发明原理(inventive principles)、发明问题解决算法(ARIZ，algorithm for inventive problem solving)及标准解(TRIZ standard techniques)。

冲突有不同的分类方法，TRIZ中主要解决技术与物理冲突。

技术冲突是指1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1个或几个子系统或系统某方面性能变坏。TRIZ中，技术冲突通过39个标注工程参数来描述，冲突解决原理即为TRIZ中的发明原理。

Altshuller等提出了40条发明原理，从而用39个标准参数和40条发明原理构建成一个冲突解决矩阵。

TRIZ中技术冲突的解决过程可规划为4个步骤：1)确定具体问题中的技术冲突；2)将描述冲突的2个参数标准化为39个标准工程参数；3)使用冲突矩阵查找对应可用的发明原理序号；4)使用发明原理解决冲突，并具体化为特定冲突的特定解。如图1所示。

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图1 技术冲突解决原理

物理冲突是指为了实现某种功能，一子系统或元件应具有某种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。物理冲突可应用空间分离、时间分离、整体与部分分离、基于条件的分离解决，或应用解决技术冲突的40条发明原理解决。

3 基于冲突解决理论的AFD-1模板

本文在对AFD-1方法和TRIZ中冲突解决理论研究的基础上，提出了基于冲突解决理论的AFD-1模板，如图2所示。

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图2 基于冲突解决理论的AFD-1模板

基于冲突解决理论的AFD-1模板将整个AFD-1操作过程划分为2个阶段：定位失效并分析阶段和改进设计、消除失效阶段，其中的定位失效并分析阶段和传统的AFD-1模板相同，而在第2阶段引入了冲突解决理论。首先对已经定位的失效进行分析，如果该失效为设计缺陷，那么直接使用传统设计方法改正缺陷即可；如果失效为设计冲突，那么运用TRIZ冲突解决理论进行冲突分类，然后使用对应的技术冲突、物理冲突解决方法解决冲突，提出改进措施，然后对改进后的设计进行分析，如果该设计造成新的冲突，则继续运用冲突解决理论进行冲突消除，直至设计中不再存在冲突，由此达到新的理想设计。

由于我国近几年在各大企业和大专院校积极推广创新设计培训，同时许多大学也已经开设创新设计课程，因此作为创新设计基本概念的冲突解决理论在设计人员中已经成为工程设计的基本工具。因此，相对于传统AFD模板中的资源操作，新模板中的冲突解决理论对于我国工程设计人员来说更容易操作。

4 工程实例

图3所示为一种板材压制设备中的平料系统，实现功能为将模具中的散料刮平，其工艺动作为：定量的散料倾倒人模具中，平料板在气缸驱动下，由直线光轴进行导向、支撑，向前运动，将散料刮平，到达远端后在升降气缸驱动下抬起，再由刮料气缸驱动刮料板缩回．在整个动作过程中，刮料板前伸为关键动作，此动作实现刮料功能．此系统在进行试运行后，出现如下问题：刮料后模具近端厚度正常，远端的散料厚度比期望厚度薄。

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由于上述系统已经进入试运行阶段，在该阶段出现失效事件。因此，可以使用失效分析(AFD-1)方法对此系统进行失效分析及消除操作。根据本文中提出的基于冲突解决理论的AFD-1模板，此操作按照如下步骤进行。

1)初始问题描述

系统名称为一种平料系统，可对模具中的散料进行刮平，使散料在模具中平铺的厚度均匀。

2)确定成功场景SO

平料系统成功场景如表2所示。

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3)局部化失效

根据最后的失效现象，可以确定失效发生在操作②中，即刮料板在完全伸出后距离模具底面的高度变小。根据分析可知此失效产生的原因为刮料气缸伸出后，直线光轴支撑的刮料板为形成悬臂，由于直线光轴的自重导致出现挠度。

4)分析失效原因和类型

根据TRIZ理论，该冲突为物理冲突：在系统中，既希望直线光轴的直径足够大，以稳定支撑悬臂的刮料板；又希望直线光轴的直径足够小，以减轻悬臂端的质量，防止挠度。

5)应用TRIZ冲突原理解决冲突，提出改进措施

利用TRIZ工具中的时间分离原理，在刮料板的两端增加滚动支撑，当刮料板前伸时，利用滚动支撑沿模具侧边的支撑力支撑刮料板；当刮料板上升收回时，滚动支撑也脱离模具。此时的挠度不影响功能实现，如图4所示。

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6)分析改进措施与系统之间是否存在冲突

滚动支撑需要沿模具的边缘进行滚动，与防止物料洒出的挡料板干涉，如图5所示。

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7)应用TRIZ冲突原理解决冲突，修正改进措施

根据TRIZ理论，新增措施使系统的刮平功能增强，同时产生了干涉，使系统产生有害功能。因此为技术冲突．可使用40条发明原理中的分割原理，将挡料板分割成固定和可沿轴转动的两部分，如图6所示。

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图6 应用分割原理后的挡料板

5 结论

本文对传统的失效分析方法——AFD-1模板进行了研究，并将其与TRIZ中的冲突解决理论进行了结合，提出了基于TRIZ冲突解决理论的AFD-1模板，解决了传统AFD-1模板实际应用较复杂的问题，并在本文中对其进行实际工程应用，例证了将TRIZ中的冲突解决理论应用于AFD-1方法以降低其复杂性是可行的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/2/2013)


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