基于TRIZ進化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

TRIZ提供的創(chuàng)新設(shè)計理論和方法，已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)中解決技術(shù)難題的有效工具。技術(shù)進化理論是TRIZ的核心，該理論不僅能預(yù)測技術(shù)的發(fā)展，而且還能展現(xiàn)預(yù)測結(jié)果實現(xiàn)的可能結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導(dǎo)設(shè)計者沿著正確的方向開發(fā)新產(chǎn)品。本文從不同視角提出產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程的統(tǒng)一模型，并將TRIZ進化理論集成到產(chǎn)品創(chuàng)新解的產(chǎn)生階段，預(yù)測未來技術(shù)的可能結(jié)構(gòu)狀態(tài)，指導(dǎo)設(shè)計者產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計方案，并用液壓缸往復(fù)密封作為實例。

I TRIZ進化理論

TRIZ進化理論是專門研究技術(shù)系統(tǒng)進化預(yù)測的重要分支，目前有技術(shù)進化理論(ET)、技術(shù)進化引導(dǎo)理論(GTE)和直接進化理論s][等多種形式。為了使這些理論在實際產(chǎn)品開發(fā)中易于操作，TRIZ研究者歸納和總結(jié)出技術(shù)進化模式和進化路線。設(shè)計者應(yīng)用這些進化模式/路線很容易產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計方案。

1.1技術(shù)進化模式和進化路線

技術(shù)進化模式是指技術(shù)系統(tǒng)在發(fā)展過程中所呈現(xiàn)出的復(fù)雜進化趨勢。隨TIRZ理論的發(fā)展，先后有Altshulle:的10種進化模式、zusman的8種進化模式和Darrell的11種進化模式。從產(chǎn)品開發(fā)角度，前兩種進化模式使用方法模糊、難以操作，后一種進化模式考慮了產(chǎn)品設(shè)計的結(jié)構(gòu)問題，易于操作使用。本文以Draren的11種進化模式進行分析，即:系統(tǒng)向理想化方向進化;向增加系統(tǒng)的動態(tài)性方向進化;向增加系統(tǒng)分割的方向進化;向增加空間分割的方向進化;向增加表面分割的方向進化;向增加可控性方向進化;向超系統(tǒng)方向進化，即先使系統(tǒng)的復(fù)雜性增加而后向減少系統(tǒng)的復(fù)雜性方向進化;向增加幾何體復(fù)雜性的方向進化;向能量轉(zhuǎn)換路徑最短的方向進化;向增加系統(tǒng)動作協(xié)調(diào)性的方向進化;向增加系統(tǒng)節(jié)奏和諧性的方向進化。

每種進化模式都有多條進化路線。每條進化路線，研究者都確定了自左向右的通用進化狀態(tài)。如增加系統(tǒng)的動態(tài)性進化模式包含如下進化路線:剛性體-單鉸體-多鉸體-柔性體-液體或氣體-場;超系統(tǒng)-系統(tǒng)-子系統(tǒng)-物質(zhì)。通過對大量的專利研究發(fā)現(xiàn)，技術(shù)系統(tǒng)的進化路線研究可提供開發(fā)新一代產(chǎn)品的新概念和新思路。

1.2 技術(shù)系統(tǒng)的進化潛能

技術(shù)進化模式/路線與現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)的融合，產(chǎn)生了進化潛能的新概念[4]。進化潛能圖如圖1所示，圖中每一條射線表示與構(gòu)件或系統(tǒng)相關(guān)的進化模式，外周表示進化模式沿各條進化路線的進化極限，陰影面積表示目前產(chǎn)品沿進化路線已完成的進化，而進化極限與陰影面積之間的面積差就代表該系統(tǒng)的進化潛能。進化潛能圖可直觀表示給定技術(shù)系統(tǒng)的進化情況，為設(shè)計人員確定未來技術(shù)開發(fā)方向提供了理論依據(jù)。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)進化潛能圖

2 基于TRIZ進化理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

2.1 產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程統(tǒng)一模型

對產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程有不同的理解和術(shù)語，圖2從不同視角給出了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程的一般模型。從傳統(tǒng)的設(shè)計過程看，產(chǎn)品設(shè)計是從用戶需求分析到新產(chǎn)品設(shè)計制造方案的形成過程;從概念設(shè)計的視點，則是指產(chǎn)品概念的認定、產(chǎn)生、實現(xiàn)和發(fā)展的過程;從創(chuàng)新的角度出發(fā)，針對市場新的需求和產(chǎn)品的問題、不足，不斷用新的產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)和工藝去替代老產(chǎn)品的過程;從信息化角度研究，是利用計算機軟硬件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行計算機輔助產(chǎn)品創(chuàng)新。圖中的CAMI、CAFI、CSAI、CAPl分別為計算機輔助產(chǎn)品市場、結(jié)構(gòu)、功能、工藝創(chuàng)新。

創(chuàng)新概念或創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中最能體現(xiàn)人創(chuàng)造力的環(huán)節(jié)，要求設(shè)計人員利用現(xiàn)有的科學(xué)原理、公理結(jié)合具體實際條件，尋找技術(shù)、經(jīng)濟可行的方案構(gòu)想。針對產(chǎn)品存在的缺陷確定改進的方法，或針對產(chǎn)品向理想解的進化過程確定開發(fā)方向是產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思的一種有效的可操作的方法。

本文重點討論將 TRIZ進化理論作為產(chǎn)生創(chuàng)新構(gòu)思的基本工具，實現(xiàn)產(chǎn)品快速創(chuàng)新過程。由于篇幅有限，在創(chuàng)新設(shè)計其他階段的應(yīng)用不再贅述。

2.2 創(chuàng)新解的產(chǎn)生

應(yīng)用TRIZ進化理論產(chǎn)生創(chuàng)新解的過程為:通過專利和產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)分析，研究給定技術(shù)系統(tǒng)的進化過程，根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)狀態(tài)確定其在已知的可應(yīng)用進化路線上的位置。確定給定技術(shù)系統(tǒng)沿各條進化路線沒有實施的進化狀態(tài)和未來可能的進化階段及進化較差的進化路線;通過定義進化沖突，確定給定技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)未來進化階段所需的技術(shù)創(chuàng)新潛力。用兩種方法產(chǎn)生創(chuàng)新解:一是由給定技術(shù)系統(tǒng)沿各條進化路線可能的潛在狀態(tài)，確定創(chuàng)新解;二是技術(shù)系統(tǒng)的進化潛能圖，辨識未來主要的進化狀態(tài)和創(chuàng)新方向，從而確定創(chuàng)新解。圖3為針對某種產(chǎn)品的基于動態(tài)進化路線確定創(chuàng)新解的過程，圖1為基于進化潛能圖確定創(chuàng)新開發(fā)方向的過程。

2.3 產(chǎn)品進化位置的量化

利用模糊集{0，1，2，3，4，5}來度量產(chǎn)品的相對進化位置，圖4為產(chǎn)品相對每一進化模式位置的確定過程。模糊集的意義如表 1所示。

3 應(yīng)用實例

3.1 問題描述

往復(fù)密封是液壓缸關(guān)鍵技術(shù)，其性能對液壓缸的低速特性、運動的靈敏性和動靜剛度起決定性作用。為滿足用戶要求，液壓往復(fù)密封在很多方面需要改進。本文以液壓缸活塞往復(fù)密封為例，應(yīng)用提出的創(chuàng)新設(shè)計方法，進行往復(fù)密封的改進設(shè)計。

3.2 液壓往復(fù)密封的進化路線

液壓往復(fù)密封創(chuàng)新包括新的密封材料和功能性材料的應(yīng)用、密封件的截面形狀設(shè)計、密封結(jié)構(gòu)的改進和密封件的組合。本文從材料、結(jié)構(gòu)、截面形狀和功能幾方面來分析往復(fù)密封技術(shù)的進化歷程，并歸納和總結(jié)出與往復(fù)密封進化相關(guān)的進化路線如圖5所示。圖5a-1分別與Darrell的11條進化模式相對應(yīng)。圖中，帶圓圈的方框表示當(dāng)前往復(fù)密封的進化位置;虛線箭頭指出了與之相對應(yīng)的密封結(jié)構(gòu);帶陰影的方框表示液壓往復(fù)密封潛在的進化狀態(tài)，它提供了解決間題的出發(fā)點。

3.3 液壓往復(fù)密封的進化潛能圖

根據(jù)圖5所示的往復(fù)密封進化路線及當(dāng)前進化位置，并按照本文提出的產(chǎn)品進化位置的量化方法，構(gòu)建液壓往復(fù)密封的進化潛能圖，如圖6所示。從圖中沒有進化的區(qū)域可確定液壓往復(fù)密封創(chuàng)新設(shè)計的方向。

3.4 液壓往復(fù)密封的創(chuàng)新設(shè)計解

將現(xiàn)有往復(fù)密封的進化路線與圖5所示的 TRIZ通用進化路線對比，并根據(jù)圖6所示的進化潛能圖得到如下結(jié)論:①單一密封材料難以同時滿足密封和耐磨要求，因此密封材料的多元化、復(fù)合化和功能性材料的應(yīng)用是往復(fù)密封材料創(chuàng)新的重要方向。②探索磁場、電場、化學(xué)場和生物場等復(fù)合場作用的密封技術(shù)可獲得往復(fù)密封的突破式創(chuàng)新。③沿空間分割進化路線開發(fā)具有多孔和毛細管的密封結(jié)構(gòu)可大大提高密封的潤滑性能，減少粘滑阻力、降低磨損率。④幾何體進化是一個比較明顯的進化趨勢，當(dāng)在設(shè)計過程中探索所有能得到的自由度時，就會得到密封件的創(chuàng)新設(shè)計。⑤開發(fā)截面形狀更復(fù)雜的密封件可使密封性能、耐磨性大幅度提高，增加密封件的壽命和可靠性。⑥往復(fù)密封技術(shù)沿表面分割的進化已處于第3個階段，開發(fā)具有活性孔的密封件可進一步增加密封裝置的動態(tài)性，從而得到新型往復(fù)密封結(jié)構(gòu)。⑦要增加密封的可控性，應(yīng)開發(fā)帶有反饋控制和智能控制的密封裝置。液壓往復(fù)密封技術(shù)在可控性、充分利用系統(tǒng)內(nèi)部資源、向理想化方向進化等方面還有很大的進化潛能。⑧液壓往復(fù)密封在系統(tǒng)動作的協(xié)調(diào)性和節(jié)奏和諧性方面剛剛實施進化，因此沿該方向開發(fā)密封產(chǎn)品將引發(fā)液壓往復(fù)密封的突破式發(fā)展。

根據(jù)上述提供的方向進行往復(fù)密封的研究開發(fā)，會獲得往復(fù)密封的創(chuàng)新設(shè)計。當(dāng)然，要得到創(chuàng)新設(shè)計解，必須根據(jù)創(chuàng)新方向構(gòu)思相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計方案。如沿往復(fù)密封件幾何體進化方向可預(yù)測下一個結(jié)構(gòu)進化狀態(tài)應(yīng)為復(fù)雜的截面形狀，圖7為由此構(gòu)思的密封創(chuàng)新設(shè)計的一個方案。由于該密封的彈性力可調(diào)，且?guī)в兄箍冢商岣咄鶑?fù)密封的密封性能和耐磨性。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)創(chuàng)新產(chǎn)品開發(fā)需設(shè)計人員在較大的解空間 、尋求間題解， TRIZ技術(shù)進化理論提供了使設(shè)計者能迅速得到創(chuàng)新問題解的結(jié)構(gòu)化方法。本文將 TRIZ進化理論與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計相融合，在產(chǎn)品概念產(chǎn)生環(huán)節(jié)，利用TRIZ進化路線和進化潛能產(chǎn)生創(chuàng)新解，使產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程具有可操作性。最后以液壓缸往復(fù)密封作為研究實例，表明該方法的有效性。