TRIZ理论与创新设计课件.ppt

第四章 TRIZ理论与创新设计,主要内容简单介绍TRIZ理论技术系统及进化法则冲突解决原理本章要求了解TRIZ理论的基本内容尝试使用TRIZ理论,一、TRIZ理论概述,TRIZ(是俄文首字母缩写)，意为解决发明创造问题的理论，起源于前苏联。英译为Theory of Inventive Problem Solving,缩写为TIPS。1946年，以苏联海军专利部G.S.Althsuller(阿齐舒勒)为首的专家开始对数以百万计的专利文献加以研究，经过50多年的收集整理、归纳提炼，发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并在此基础上建立了一套系统化的、实用的解决创造发明问题的方法。,阿奇舒勒开始就坚信：发明问题的基本原理是客观存在的，这些原理不仅能被确认也能被整理而形成一种理论，掌握该理论的人不仅能提高发明的成功率、缩短发明的周期，也可使发明问题具有可预见性。,TRIZ属于前苏联的国家机密，在军事、工业、航空航天等领域均发挥了巨大作用，成为创新的“点金术”，让西方发达国家一直望尘莫及。如今TRIZ正成为许多现代企业创新的独门暗器，TRIZ可以轻易解决那些“看似不可能解决的问题”并形成专利，提升企业的核心竞争力，从“跟随者”快速成长为行业的技术“领跑者”，让创新就像做算术题一样轻松简单。,经过初步学习就不难发现，TRIZ理论对研发或解决问题的思路有明确的指导性。这种指导性避免了耗费大量人力、物力、财力的盲目试错，让解决产品问题变得有律可循、有术可依，给技术创新留下了巨大的、易操作的空间，让创新不再是一个概念或一句口号。,一、TRIZ理论概述,TRIZ理论是基于知识的，面向人的解决发明问题的系统化方法学，其核心是技术进化原理。,一、TRIZ理论概述,TRIZ理论对于产品的创新是前所未有的突破是解决发明问题的理论，是实现发明创造、创新设计、概念设计的最有效的方法。TRIZ理论已建立的一系列普适性工具能帮助研究、设计人员尽快创造出满意的解决方案。利用TRIZ理论，可以提高发明的成功率、缩短发明周期，也能使发明问题具有可预见性。,TRIZ理论的主要内容,产品进化理论发明问题解决理论的核心是技术系统进化理论，该理论指出技术系统一直处于进化之中，解决冲突是进化的推动力。产品进化过程分为4个阶段：婴儿期、成长期、成熟期、退出期。,婴儿期,成长期,企业加大投入，尽快使其进入成熟期，以便企业获得最大的效益,成熟期,企业对其替代技术进行研究，使产品取得新的替代技术，以应对未来的竞争,退出期,产品使得企业利润急剧下降，应尽快淘汰,TRIZ理论的主要内容,分析分析是TRIZ理论的工具之一，是解决问题的重要阶段。包括产品的功能分析、理想解的确定、可用资源分析、冲突区域的确定,TRIZ理论的主要内容,冲突解决原理是获得冲突解决所应遵循的一半规律。主要研究两种冲突：技术 物理技术冲突：指传统设计中所说的折中，即由于系统本身某一部分的影响，所需要的状态不能达到。物理冲突：指一个物体有相反的需求。TRIZ理论引导设计者挑选能解决特定冲突的原理，其前提是按标准参数确定冲突，然后利用3939条标准冲突和40条发明创造原理解决冲突。,TRIZ理论的主要内容,物质-场分析功能的物质-场描述方法与模型的原理为：所有的功能由两种物质及一种场的三元组成。产品是功能的一种实现，因此可以用“物质-场”分析产品的功能。,物场,物场：指物质和物质之间相互作用和相互影响的一种联系。场：温度场、机械场、声场、电场、磁场、引力场。物场的三种类型：完全物场体系不完全物场体系非物场体系,完全物场体系：满足物场三要素要求的物场体系，它是一种能实现物质之间相互作用和影响的完整技术体系,不完全物场体系：不能满足物场三要素的要求，或只知两物，或一物一场，是待补建的技术体系。,非物场体系：只给出一种物质或者场。它不存在具体的相互作用和影响,物场分析,基本内容：在判断物场类型的前提下进行创造性思考，或对非物场体系或不完全物场体系进行补建，对完全物场体系中要素进行变换（要素置换）以发展物场目的：使物场三要素之间的相互作用更为有效。,TRIZ理论的主要内容,效应效应：指应用本领域特别是其他领域的有关定律解决设计中的问题，如，采用数学、化学、生物和电子等领域中的原理，来解决机械设计中的创新设计问题。,TRIZ理论的主要内容,发明问题解决算法-ARIZ理论ARIZ(Algorithm for Inventive Problem Solving)-发明问题解决算法，是TRIZ理论的一种主要工具，是解决发明问题的完整算法。该算法采用一套逻辑过程逐步将初始问题程式化，强调冲突与理想解的程式化，一方面技术系统想理想解的方向进化，另一方面如果一个技术问题存在冲突需要克服，那么该问题就变成一个创新问题。ARIZ中冲突的消除有强大的效应知识库的支持。效应知识库包括物理的、化学的、几何的等效应。成功应用的关键：在没有理解问题的本质之前，要不断地对问题进行细化，一直到确定了物理冲突，该过程及物理冲突的求解已有软件支持为止。,TRIZ理论的重要发现,在以往不同领域的发明中所用到的原理（方法）并不多，不同时代的发明、不同领域的发明，其应用的原理（方法）被反复利用。每条发明原理（方法）并不限定应用于某一特殊领域，而是融合了物理的、化学的和各个工程领域的原理，这些原理适用于不同领域的发明创造和创新。类似的冲突或问题与该问题的解决原理在不同的工业及科学领域交替出现。技术系统进化的模式（规律）在不同的工程及科学领域交替出现。创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域。,发明创新有可通用的规律,TRIZ理论解决发明创造问题的一般方法,最早的发明课题是靠试错法，即不断选择各种解决方案来解决问题。TRIZ的一般方法：将要解决的特殊问题加以定义、明确；根据TRIZ理论提供的方法，将需要解决的特殊问题转化为类似的标准问题，针对类似的标准问题总结、归纳出类似的标准解决方法；依据类似的标准解决方法，解决待解决的特殊问题。,将发明创造问题转换成解决程式化问题，标准化问题及解决过程,爱迪生发明新型电灯,TRIZ理论解决发明创造问题的一般方法,例：设计一台旋转式切削机器，该机器需要具备低转速（100r/min）、高动力，以取代一般高转速（3600r/min）的电动机。,TRIZ理论的应用,Rockwell Automotive公司针对某型号汽车的刹车系统，应用TRIZ理论进行创新设计，刹车系统发生了重要变化，系统有原来的12个零件缩减为4个，成本减少了50%，但功能并未变化。Ford Motor公司利用TRIZ理论解决推力轴承在大负荷时出现偏移的问题，产生了28个解决方案，其中一个是利用小热膨胀系数材料制造这种轴承，解决了问题。在俄罗斯，TRIZ理论的培训已扩展到小学、中学、大学生中，学生在改变他们思考问题的方法。,二、设计中的冲突及其解决原理,关于冲突冲突的概念冲突普遍存在于各种产品的设计中。当改变某零部件的设计，即提高产品某方面的性能时，可能会影响到与其相关联的零部件，结果可能使产品或系统的另一些方面的性能受到影响。如果这些影响是负面影响，则出现了“冲突”。产品创新的核心是解决设计中的冲突，产生新的有竞争力的解。未克服冲突的设计不是创新设计。设计者在设计中不断地发现并解决冲突，是推动设计向理想化方向进化的动力。,二、设计中的冲突及其解决原理,关于冲突冲突的分类,基于TRIZ理论的冲突管理冲突：为避免某些现象或希望取得某些结果，需要做一些事情，但不知如何去做。管理冲突本身具有暂时性，而无启发价值，不能表现出问题解的可能方向，不属于TRIZ研究的内容。物理冲突、技术冲突，是TRIZ的主要研究内容。,二、设计中的冲突及其解决原理,物理冲突及其解决原理物理冲突的概念及类型物理冲突：指为了实现某功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了该特性相反的特性。是TRIZ理论要解决的关键问题之一。物理冲突出现的主要情况：一个子系统中有害功能降低的同时导致该子系统中有用功能的降低。一个子系统中有用功能加强的同时导致该子系统中有害功能的加强。,物理冲突及其解决原理Altshuller曾提出11种解决方法（1970s）Savransky提出了14种解决方法（1990s）,技术冲突及其解决原理技术冲突的概念技术冲突：指一个作用同时导致有用和有害的两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。技术冲突的表现：一个子系统中引入一种有用功能后，导致另一个子系统产生一种有害功能，或加强了已存在的一种有害功能。消除一种有害功能导致另一个子系统的有用功能变坏。有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统变得更加复杂。,技术冲突及其解决原理技术冲突的一般化处理TRIZ理论提出用39个通用工程参数描述冲突实际应用中，首先要把组成冲突的双方内部性能用该39个工程参数中的某两个来表示，目的是把实际工程设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突。,39个通用工程参数,39个通用工程参数,静态物体：指自身或借助外力都不能使其在空间内运动的物体。运动物体：指自身或借助外力可在一定的空间内运动的物体。39个工程参数的分类：通用物理及几何参数：112，1718，21通用技术负向参数：1516,1920,2226,3031通用技术正向参数：1314,2729,3239,负向参数：当此参数变大时，使系统或子系统的性能变差。,正向参数：当此参数变大时，使系统或子系统的性能变好。,技术冲突及其解决原理技术冲突与物理冲突技术冲突总是涉及两个基本参数A与B，当A得到改善时，B变得更差物理冲突仅涉及系统中的一个子系统或部件，而对该子系统或部件提出了相反的要求。技术冲突的存在往往隐含着物理冲突的存在有时物理冲突的解比技术冲突的解更容易获得,技术冲突及其解决原理技术冲突的解决原理第一类经验：由本领域的专家、研究人员本身总结，或由这些人员讨论并整理总结出来。第二类经验：有研究人员对不同领域的已有创新成果进行分析、总结，得到具有普遍意义的规律，这些规律对指导不同领域的产品创新具有重要参考价值。40条发明创造原理,TRIZ理论的技术冲突解决原理属于第二类经验,40条发明/创造原理,技术冲突及其解决原理冲突解决矩阵4040矩阵，将描述技术冲突的39个通用工程参数与40条发明创造原理建立了对应关系,应用矩阵的过程：,首先在39个通用工程参数中，确定使得某产品某一方面质量提高及降低（恶化）的工程参数A及B的序号；然后由参数A及B的序号从第一列及第一行中选取对应的序号在两序号对应行与列的交叉处确定一特定矩阵元素，该元素给出的数字为推荐解决冲突可采用的发明原理序号。,利用冲突矩阵实现创新,可以查表式地进行创新关键问题：应用该理论之前的前处理，应用后的后处理注意事项：针对具体问题一旦确认了一个技术冲突后，要用该问题所处的技术领域中的特定术语来描述该冲突将冲突的描述翻译成一般术语，由这些术语选择通用工程参数由通用工程参数在冲突矩阵中选择可用的解决原理。一旦某一个或几个发明创造原理被选定后，必须根据特定问题将原理转化并产生一个特定的解。,特殊,一般,特殊,举例,易拉罐罐壁结构设计防弹衣设计自行车刹车皮概念设计笔记本电脑设计的技术冲突,定义待设计系统的名称确定待设计系统的主要功能列出待设计系统的关键子系统、各种辅助功能对待设计系统的操作进行描述确定待设计系统应改善的特性、应该消除的特性将涉及的参数按通用的39个工程参数重新描述对技术冲突进行描述：如果某一工程参数要得到改善，那么导致哪些参数恶化。对技术冲突进行另一种描述：加入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在冲突矩阵中有冲突双方确定相应的矩阵元素由上述元素确定可用的发明原理将所确定的原理应用于设计者的问题中找到评价并完善概念设计及后续的设计,利用冲突矩阵实现创新-具体步骤,三、利用进化模式实现创新,TRIZ理论的技术系统进化理论，是一个强有力的技术预测工具，预测当前产品的技术水平及新一代产品可能的进化方向。不仅预测技术的发展，而且还能展现预测结果实现产品的可能状态，对产品创新具有指导作用。技术进化的过程不是随机的，技术性能随时间变化的规律呈S形曲线，但进化过程是靠设计者推动的。,三、利用进化模式实现创新,刚性键盘,液晶触摸屏,柔性键盘,折叠键盘,虚拟激光键盘,单排球轴承,气体/液体轴承,微球轴承,多排球轴承,磁悬浮轴承,砂轮切割,锯条切割,高压水射流切割,激光切割,手机,刚 性,铰链式,完全柔性,流体(气液),场,？,牙刷,技术系统：由多个子系统组成，并通过子系统间的相互作用实现一定的功能，简称系统。子系统本身也是系统，由元件和操作构成。系统之上更高级系统，成为超系统,技术系统进化定律（1）,完整性定律：一个完整系统必须由四部分组成，即动力（能源）装置、执行机构、传动装置和控制装置。其中：动力（能源）装置：为系统提供能源；执行机构：具体完成系统的功能；传动装置：将能源装置中的能量传递到执行机构控制装置：对其他三个部分进行检测控制，协调工作。能量传递定律：技术系统的能量从能源装置到执行机构的传递效率向逐渐提高的方向进化。选择能量传递形式是很多发明问题的核心。,此处控制装置包含了控制和传感检测部分,技术系统进化定律（2）,交变运动和谐性定律：技术系统向着交变运动与零部件自然频率相和谐的方向进化。向结构柔性、可控、可移动发展增加理想化水平定律：技术系统向增加其理想化水平的方向进化。最理想的技术系统是作为物理实体时并不存在也不消耗任何资源，却能实现所有必要功能。代表所有技术系统进化的最终方向,零部件的不均衡发展定律：虽然系统作为一个整体在不断改进，但零部件的改进是单独进行的，是不同步的。整个系统进化速度取决于系统中发展最慢的子系统向超系统传递的定律：当一个系统自身发展到极限时，它向着变成一个超系统的子系统方向进化，通过这种进化，原系统升级到一种更高水平。,技术系统进化定律（3）,由宏观向微观传递定律：产品所占空间向较小的方向进化。增加物质-场的完整性定律：对于存在不完整物质-场的系统，向增加其完整性方向发展。物质-场中的场从机械或热能向电子或电磁的方向进化。,11条技术系统进化模式,技术进化理论的应用（1）,根据TRIZ理论中的技术进化理论的主要成果：S曲线（产品的生命周期）、产品进化定律及进化模式，这些关于产品进化的知识具有定性技术预测、产生新技术、市场创新等三方面应用。,技术进化理论的应用（2）,定性技术预测指出需要改进的子系统避免对处于技术成熟期或退出期的产品大量投入，进行改进设计指出技术发展的可能方向指出对处于婴儿期与成长期的产品应尽快申请专利进行产权保护，以使企业在今后的市场竞争中处于最有利的地位,上述预测为企业设计、管理、研发等部门及企业领导决策提供重要的理论依据,技术进化理论的应用（3）,产品的基本功能在产品进化的过程中基本不变，但其实现形式及辅助功能一直发生变化。因此，按照进化理论对当前产品进行分析的结果，可用于功能实现的分析，以找出更合适的功能实现结构。其分析步骤如下：对每一个子系统的功能实现进行评价，如果有更合理的实现形式，则取代当前不合理的子系统。对新引入子系统的效率进行评价。对物质、信息、能量流进行评价，如果需要，则选择更合理的流动顺序。对成本或运行费用高的子系统及人工完成的功能进行评价及功能分离，确定是否用成本低的其他系统代替。,技术进化理论的应用（3）,评价用高一级的相似系统，反系统等代替步骤（4）中所评价的子系统的可能性。分离出能由一个子系统完成的一系列功能。对完成多于一个功能的子系统进行评价。将步骤（4）分离出的功能集成到一个子系统中。,这个分析过程将协助设计人员完成所选定技术或子系统的直接进化。,技术进化理论的应用（3）,市场创新质量功能分布（QFD）是市场研究的有力手段之一。克服目前了解用户需求的手段用户调查法（市场调研）中的主观、不完善、过时的弊端。TRIZ理论中的产品进化定理与进化模式，是由专利信息及技术发展的历史得出的，具有客观及不同领域的通用的特点。,TRIZ之父,前苏联发明家Genrich S.Altshuller，生于1926年，他提出了一种在技术层面而不是在心理学层面上的发明方法和理论，及TRIZ理论。Altshuller 在14岁时就创造了他的第一个发明，潜水呼吸器。二十纪四十年代，他凭借其爱好作为一个专利专家供职于苏联海军，他的工作就是帮助发明家应用他们的专利，然而他常被要求一起去解决问题，于是好奇心驱使他去研究标准的解决问题的方法。,他发现心理学方法已经不适应二十世纪的发明了，Altshuller 认为发明理论必须满足以下条件：自成体系统并程序化指导人们在很多方法中直接到理想的发明方法可重复和可靠的非心理学的方法能直接访问发明知识库能添加发明知识到知识库中熟悉足够多的发明家的发明方法的思路,此后几年中，Altshuller研究了 200,000 份发明专利，专门研究发明家解决发明问题的方法，这其中只有40,000 份是有发明方法的，其他都是改进。Altshuller更清晰地定义了一个发明问题的解决方法并由此引起的另外的一个问题。例如要增加金属板的强度就要以牺牲重量为代价，一般发明家是在几个特征之间进行折衷，但这不能得到合理的解决方案。在专利的研究中，Altshuller 发现许多发明是消除或解决矛盾而不是去找折衷方法。,在1960s和1970s,他将解决方法分为五级：一级 常规设计问题，由专业领域有名的方法进行解决，无需发明，大约有32%的方法是在这一级。二级 对现有系统进行改进，由工业领域知名的方法加以解决。三级 对现有系统进行根本性改造，由工业领域以外的知名方法加以解决，主要是解决矛盾，大约有18%的方法在这一级。四级 利用新的方法对现有的系统功能进行升级换代，这类方法往往在更多的是在科学领域而非技术领域。大约有4%的方法在这一级。五级 以科学发现或独创的发明为基础的全新的系统，这一级方法只占1%。,发明方法级别表,Altshuller从成千上万份的专利中抽取了问题、矛盾和解决方法，放入TRIZ理论中。,TRIZ理论的发明问题解决理论,TRIZ中有一系列的原则，其中一条是增加有用度，它是由所有有利于系统的所有有利部分Ui相加理想的系统存在的都是有利的部分，而无有害的部分。这一观点对于工程师而言就是要不断追求有利部分的最大值，而降低“劳动成本、原材料成本、能源损耗”等不利部分。一般而言，人们总是在有利部分和有害部分之间寻求折中的方法来解决矛盾，而增加有用度原则则要求工程师去除或解决矛盾，最终的结果是对产品有益的功能都保留，而有害的功能都去除,TRIZ的过程,TRIZ的过程,第一步 确定问题第二步 公式化的问题：TRIZ棱镜在客观矛盾下重申问题并识别可能存在的问题。会不会存在改善了一种技术特性而导致其他技术特性的性能下降或其他问题出现了，会不会有技术冲突存在而进行折衷处理。第三步 搜索已有的解决方法39个工程参数第四步 查找类似的解决方法40个发明原则,饮料罐罐体罐壁设计1.确定问题,饮料罐是一个装软饮料的工程系统；承担贮存作用是其操作环境；资源包括罐体的重量、罐体所承受的内部压力、罐体结构的刚度；有利因素是装饮料；有害因素是原材料消耗、罐体生产、存贮空间浪费；理想的情况是一种一人高的饮料罐，并能承受自身和饮料的重量而不破坏。,2.公式化的问题:TRIZ棱镜,在客观矛盾下重申问题并识别可能存在的问题。会不会存在改善了一种技术特性而导致其他技术特性的性能下降或其他问题出现了，会不会有技术冲突存在而进行折衷处理。由于原材料的价格使得我们要降低成本，这样罐体的厚度要小，但可能引起罐体强度不够。解决这个矛盾，会得到一个理想的工程系统。,3.搜索已有的解决方法,Altshuller 研究了超过1,500,000世界级的专利，发现了39个标准技术特性能引起冲突。它们被称作39个工程参数见表，查找矛盾的工程方法是先找变化的参数，再找引起不需要的参数。,易拉罐设计,要使饮料罐的壁厚减小的工程参数是“#4 静止物体的长度“，在TRIZ里，标准工程参数的含义是非常多样的，在这里“长度”可以指任何线性的尺寸，如长度、宽度、高度，直径等。若我们减小壁厚就会引起罐体承载力的减小，这个工程参数就是“#14，强度”，那么标准的技术冲突就是：我们要减小“移动物体的长度”，就会引起“强度”的降低。,4.查找类似的解决方法,Altshuller从世界专利中抽取了40个发明原则，这些提示可以帮助工程师找到一种更好的发明或专利解决方法，而这个过程就是从专利技术中总结出的40个发明原则，参见表。为了找到相应的发明原则，Altshuller制定了一个矛盾表，他把39个工程参数列在了表的X轴和Y轴上，X轴表示不期望的参数，Y轴表示要改进的参数，XY轴相交的单元上列出了相应的解决方法。,饮料罐的工程冲突参数是#4 静止物体的长度#11 强度那么Y轴就是罐体的壁厚，即“#4 静止物体的长度”，X轴就是“#11 强度”，于是查找出来的发明原则号就是1、14、35、16。查表查询发明原理是1、14、35、16,改善的参数,恶化的参数,发明原理1#，分割法,分割法：把一个物体分成独立的几个部分把物体做成可组合的增加一个分割物体的自由度利用发明原则 1.c“增加一个分割物体的自由度”，饮料罐的侧壁可以做成波浪形的，这样在不增加壁厚的情况下可以增加其强度，如图,发明原则#14,圆球化用曲线或曲面替换直线或平面，用球体替代立方体。使用圆柱体、球体或螺旋体用旋转运动来代替直线运动；利用离心力。利用发明原则14.a,与罐体焊在一起的唇口原来是垂直于侧壁的，现在变成带一个弧度。如图,发明原则#35,改变物体的物理和化学状态改变物体的集合状态、密度分度、灵活度、温度采用强度更高的的金属合材料来增加饮料罐的承载能力。,防弹衣设计,纤维织成的防弹衣用于保护执法人员和军事人员免于遭受手枪子弹的袭击。纤维织成的防弹衣由于有多层纤维结构层，具有层叠式结构。纤维在结构层内相互以适当的角度定向排列。,技术冲突,为了使纤维织成的防弹衣具有足够的防护能力，这种防弹衣必须具有足够的厚度。增加防弹衣的厚度会使其重量增加，灵活性降低。此外，使用这种厚厚的防弹衣的人员也不能充分通风。,较厚的防弹衣穿着时不太方便。,增加运动物体的长度（防弹衣的厚度）降低操作流程的方便性（防弹衣的舒适性）,3#,33#,查询39X39矛盾矩阵,M3-33=15，29，35，4 四个发明创新原理。,设计说明,应用第4号增加不对称性原理将物体的对称形式变为不对称形式。使防弹衣的纤维呈不对称定向排列。每层纤维以相对于前一层作20 70范围的不同角度旋转，将纤维织各层间制造成定向转动的排列形式。,沿子弹飞行方向排列的大部分纤维可以确保防弹衣在受子弹冲击的方向具有更高的强度。防弹衣的厚度和重量减小了。通过减小防弹衣的厚度提高了其舒适性，同时不会降低防弹衣的保护效果。,