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摘要:Triz作为当代世界著名的发明问题解决理论,是解决发明创新问题最有力的理论工具,它是由前苏联专家根里奇。阿奇舒勒(G.S.Althuller)在1946年创立。目前学生在汽车造型设计中普遍缺乏创新思维,解决问题的能力也凸显不足。在教学中发现,借助Triz理论可有效提高学生发现问题和解决问题的能力,文章例举了学生应用Triz理论所作关于汽车座椅、安全气囊、新型迷你汽车车身以及干脚器的设计,实例表明,借助Triz可有效提高学生创新设计能力。
关键词:Triz理论;汽车造型;创新;设计
中图分类号:F462-4文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0171-03
Triz 是“创造性问题解决理论”的俄语缩写。它是当代世界上著名的发明问题解决理论,是由前苏联专家根里奇.阿奇舒勒通过对上百万件发明专利的分析研究而得出来的。在新产品的开发中,运用Triz 可解决矛盾和冲突,可发现和消除冲突的突破性概念,快速突破性地解决工程的基本问题。Triz 理论寻求问题解法的基本原理是建立在我们认识和解决问题的一般规律的基础上,即由“特殊—普遍—特殊”,强调系统中存在的矛盾,不逃避矛盾,其目标是完全解决矛盾,获得最终的理想解,并对创新过程进行了科学的规范,提供了统一的解决创新问题的步骤和思路。作者将Triz理论融入到汽车造型设计课程当中,经过几年的教学实践,发现大部分同学缺乏创新思维,对于汽车造型设计中存在的矛盾与问题无从解决的现象得到了很好的改善。实践教学表明,借助Triz 可为这些矛盾与问题提供合理的解决方案与科学依据,并可指出正确的探索方向。
1Triz 理论解决问题的方法和步骤
Triz 理论已成功地找到具体的指导原则,特别是39矩阵表和40条发明原理,物质场分析模型和76个标准解,发明问题解决算法等,如果分析出矛盾,Triz就可以有效而迅速地得出突破性的解决方案。应用Triz理论解决发明创造问题的一般步骤:首先要确定解决的实际问题,并按照Triz理论提供的分析方法,将需要解决的实际问题转化为Triz中类似的标准问题,即把实际的矛盾冲突转化为Triz标准工程参数,从而将实际问题转换成了Triz标准问题;再利用Triz提供的解决问题工具,找出针对类似的标准问题在Triz理论中已总结、归纳出的标准解找到解决方案模型;最后,把Triz的方案模型转化为实际问题的解决方案,从而实现产品的改进或创新。
2Triz理论的具体应用举例
2.1Triz理论在轿车座椅设计上的应用
2.1.1问题的提出
座椅是轿车上体现整车舒适性的主要设备之一。而汽车行驶过程中产生的振动载荷与冲击载荷往往会降低这种舒适度。而且一般的座椅设计往往只考虑了汽车静态的舒适性,而忽视了运动中的舒适性。在此,同学们利用TRIZ理论对这个问题进行解决。
2.1.2Triz理论在提高汽车动态舒适性中的研究
①汽车座椅动态特性简介。汽车座椅舒适性设计主要包括静态舒适性、动态舒适性以及操作舒适性三方面内容。座椅的动态特性,指汽车在运动状态下,通过座椅骨架以及软垫将振动冲击传递到人体的舒适特性。
②确定问题研究方向。椅垫是驾驶员座位一部分,它有助于减少对脊柱的振动和冲击载荷。用多孔弹性材料制成的座垫可以有效地吸收振动载荷,然而却不能有效地防止冲击载荷。所以,在这里我们着重解决减少汽车座椅对人的冲击载荷问题。
③运用Triz理论分析解决问题。应用3#创新原理“局部质量原理”,即:将物体,外部环境或作用的均匀结构变为不均匀的。具体在此处应用为:将液体固态垫加入驾驶员的座椅内以改变冲击载荷的作用方向。
同学们在这里采用“变密度法”,其基本思想是引入一种假想的,相对密度在0~1之间可变的材料,将连续结构体离散为有限元模型后,给结构中每个有限元指定相同的密度,并以每个单元的密度为设计变量。将注有液体的封孔泡沫塑料嵌入座垫内,这种垫固定在驾驶员座椅上的两层多孔弹性材料之间,它与其外部上下两层的泡沫垫具有不同的密度,如图1所示。在机车运行过程中,注有液体的封孔泡沫塑料能够将冲击载荷从接收载荷的座垫平面上垂直移走,改进后的整体座椅与方案解决效果如图2所示。
2.2Triz理论在轿车安全气囊设计上的应用
2.2.1安全气囊损伤简介
安全气囊在撞车时能够有效地保护乘员,在汽车安全性设计中占有重要地位。但它在防治重大损伤和减少事故死亡的同时,也可能由于它的快速展开而引发新的损伤,即气囊损伤。
2.2.2Triz理论在减轻气囊损伤中的应用研究
①问题的引出。最初的气囊类型只提供必要的气囊充气速度。然而,如果气囊充气很快,会使气囊过于坚硬,因而伤及乘客。为了避免气囊伤及乘客,气囊的坚硬度必须进行自调整。系统存在的技术矛盾:气囊充气的速度与硬度。气囊上的小孔眼能够自行调整这种坚硬度。
②运用Triz理论分析解决问题。应用8#创新原理“重量补偿原理”,即:通过系统所在环境提供的反作用力来补偿系统内的任何有害属性。具体在此处应用为:在充气器将气体冲进气囊的同时,气孔同时排气,使气囊充气的速度与硬度趋于缓和,从而保护乘客。演示图及最终效果如图3。
2.3Triz理论在轿车车身设计上的应用
2.3.1问题的提出
在世界各地的城市中,交通拥挤是一个很严重的问题,这带来的不仅是对道路的破坏,更是对环境的污染,为了减少这种情况的产生,小型迷你混合动力汽车逐渐引起了各大汽车生产商的注意。
问题描述:车身较长,在碰撞中有大的变形空间,可吸收能量,缓解事故对人的冲击力,减轻对乘车者的人身伤害。但此种汽车体积较大,比较笨拙,而且在一定程度上造成交通拥挤。而迷你汽车因为车身较短,不具备這种变形缓冲功能。系统存在的技术矛盾:迷你型汽车车身短与在交通事故中防撞性能降低的矛盾,如图4所示。
2.3.2 运用Triz理论分析解决问题
应用Triz理论中的15#创新原理“动态特性原理”,即:提高运动目标的面积参数;17#创新原理“一维变多维原理”,即:将物体由二维平面运动过度到三维空间运动,以消除物体在二维平面运动或定位的问题。具体在此处应用为:新型迷你汽车的引擎被设计在车身下面,以增加引擎和乘客分隔空间的大小。与客车相比,提升了位于碰撞区域上面的乘客空间。
2.3.3设计结果
学生自行设计的新型迷你汽车本身并没有使用特殊材料来吸收能量,仅仅做了结构上的创新,其抵抗外力变形的能力便可堪与一辆普通轿车相婢美,该设计遵循Triz理论的基本原则,没有增加新的材料而实现了其预定功能。形态上可爱,充满童趣,功能上满足了一般驾车者的需求,达到了形态与功能的统一,最终效果如图5所示。
2.4基于Triz理论的汽车干脚器设计
2.4.1问题的提出
在下雨天中,或者当走过一段很泥泞的道路后需要上车的时候,是否担心潮湿并带有污泥的鞋底将自己的爱车地板踩脏呢?
2.4.2运用Triz理论分析解决问题
首先,学生将设计思路确定为:“在车门处设计一个干脚器,进入车内坐下时设计左右脚一对干脚器,将鞋底水分快速烘干。”在这里,学生运用到2对Triz理论中的技术矛盾来进行具体设计工作:
①降低26#技术参数——物质(雨水)的量,提高36#技术参数——系统的复杂性;
②降低6#技术参数——静止物体的面积,提高27#技术参数——可靠性。
它们分别相对应的创新原理为13#反向作用原理、3#局部质量原理、27#廉价替代品原理、10#预先作用原理、32#颜色改变、35#物理或化学参数变化、40#复合材料和4#增加不对称性原理。
在此设计中,对于第一对技术矛盾,选择10#创新原理——预先作用原理,即“预先安置物体,使其在必要时能立即在最方便的位置发挥作用”;对于第二对技术矛盾,选择4#创新原理——增加不对称性,即“用非对称性代替对称性”。具体设计方法为:将干脚器表面设计成符合人因工程学的弧形,增大摩擦,避免成员滑到。采用强力吸水装置,在车门处先将流动水滴吸干;上车后将鞋底完全烘干。图6所示的最终效果图展示了两个不同地方使用的干脚器的工作状态图以及它们的三视图尺寸。
3结语
在汽车造型设计课程的授课过程中,作者发现大部分学生创新思维不足,发现问题和解决问题的能力不强,将TRIZ理论中的一些方法引入课程中后,同学们的各方面能力有了明显的提高。文章将学生在汽车造型设计过程中的部分设计实例,如汽车座椅、安全气囊、新型迷你汽车车身以及干脚器的设计进行了介绍与总结,表明借助TRIZ可有效提高学生创新设计能力,对学生学好汽车造型设计这门课程十分重要。
参考文献:
[1] 根里奇·阿奇舒勒.创新40法:TRIZ创造性解决技术问题 的诀窍[M].成都:西南交通大学出版社,2004.
[2] 姜台林.TRIZ创新问题解决实践[M].南宁:广西师范大学出 版社,2008.
[3] 许英,朱序璋.汽车驾驶座椅的人机工程学设计[J].机电产 品开发与创新,2008,(1):28-30.
[4] 高永亮,吴立言.冲击载荷下弹射座椅的结构优化设方法 研究[J].机械设计,2008,(1).
关键词:Triz理论;汽车造型;创新;设计
中图分类号:F462-4文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)14-0171-03
Triz 是“创造性问题解决理论”的俄语缩写。它是当代世界上著名的发明问题解决理论,是由前苏联专家根里奇.阿奇舒勒通过对上百万件发明专利的分析研究而得出来的。在新产品的开发中,运用Triz 可解决矛盾和冲突,可发现和消除冲突的突破性概念,快速突破性地解决工程的基本问题。Triz 理论寻求问题解法的基本原理是建立在我们认识和解决问题的一般规律的基础上,即由“特殊—普遍—特殊”,强调系统中存在的矛盾,不逃避矛盾,其目标是完全解决矛盾,获得最终的理想解,并对创新过程进行了科学的规范,提供了统一的解决创新问题的步骤和思路。作者将Triz理论融入到汽车造型设计课程当中,经过几年的教学实践,发现大部分同学缺乏创新思维,对于汽车造型设计中存在的矛盾与问题无从解决的现象得到了很好的改善。实践教学表明,借助Triz 可为这些矛盾与问题提供合理的解决方案与科学依据,并可指出正确的探索方向。
1Triz 理论解决问题的方法和步骤
Triz 理论已成功地找到具体的指导原则,特别是39矩阵表和40条发明原理,物质场分析模型和76个标准解,发明问题解决算法等,如果分析出矛盾,Triz就可以有效而迅速地得出突破性的解决方案。应用Triz理论解决发明创造问题的一般步骤:首先要确定解决的实际问题,并按照Triz理论提供的分析方法,将需要解决的实际问题转化为Triz中类似的标准问题,即把实际的矛盾冲突转化为Triz标准工程参数,从而将实际问题转换成了Triz标准问题;再利用Triz提供的解决问题工具,找出针对类似的标准问题在Triz理论中已总结、归纳出的标准解找到解决方案模型;最后,把Triz的方案模型转化为实际问题的解决方案,从而实现产品的改进或创新。
2Triz理论的具体应用举例
2.1Triz理论在轿车座椅设计上的应用
2.1.1问题的提出
座椅是轿车上体现整车舒适性的主要设备之一。而汽车行驶过程中产生的振动载荷与冲击载荷往往会降低这种舒适度。而且一般的座椅设计往往只考虑了汽车静态的舒适性,而忽视了运动中的舒适性。在此,同学们利用TRIZ理论对这个问题进行解决。
2.1.2Triz理论在提高汽车动态舒适性中的研究
①汽车座椅动态特性简介。汽车座椅舒适性设计主要包括静态舒适性、动态舒适性以及操作舒适性三方面内容。座椅的动态特性,指汽车在运动状态下,通过座椅骨架以及软垫将振动冲击传递到人体的舒适特性。
②确定问题研究方向。椅垫是驾驶员座位一部分,它有助于减少对脊柱的振动和冲击载荷。用多孔弹性材料制成的座垫可以有效地吸收振动载荷,然而却不能有效地防止冲击载荷。所以,在这里我们着重解决减少汽车座椅对人的冲击载荷问题。
③运用Triz理论分析解决问题。应用3#创新原理“局部质量原理”,即:将物体,外部环境或作用的均匀结构变为不均匀的。具体在此处应用为:将液体固态垫加入驾驶员的座椅内以改变冲击载荷的作用方向。
同学们在这里采用“变密度法”,其基本思想是引入一种假想的,相对密度在0~1之间可变的材料,将连续结构体离散为有限元模型后,给结构中每个有限元指定相同的密度,并以每个单元的密度为设计变量。将注有液体的封孔泡沫塑料嵌入座垫内,这种垫固定在驾驶员座椅上的两层多孔弹性材料之间,它与其外部上下两层的泡沫垫具有不同的密度,如图1所示。在机车运行过程中,注有液体的封孔泡沫塑料能够将冲击载荷从接收载荷的座垫平面上垂直移走,改进后的整体座椅与方案解决效果如图2所示。
2.2Triz理论在轿车安全气囊设计上的应用
2.2.1安全气囊损伤简介
安全气囊在撞车时能够有效地保护乘员,在汽车安全性设计中占有重要地位。但它在防治重大损伤和减少事故死亡的同时,也可能由于它的快速展开而引发新的损伤,即气囊损伤。
2.2.2Triz理论在减轻气囊损伤中的应用研究
①问题的引出。最初的气囊类型只提供必要的气囊充气速度。然而,如果气囊充气很快,会使气囊过于坚硬,因而伤及乘客。为了避免气囊伤及乘客,气囊的坚硬度必须进行自调整。系统存在的技术矛盾:气囊充气的速度与硬度。气囊上的小孔眼能够自行调整这种坚硬度。
②运用Triz理论分析解决问题。应用8#创新原理“重量补偿原理”,即:通过系统所在环境提供的反作用力来补偿系统内的任何有害属性。具体在此处应用为:在充气器将气体冲进气囊的同时,气孔同时排气,使气囊充气的速度与硬度趋于缓和,从而保护乘客。演示图及最终效果如图3。
2.3Triz理论在轿车车身设计上的应用
2.3.1问题的提出
在世界各地的城市中,交通拥挤是一个很严重的问题,这带来的不仅是对道路的破坏,更是对环境的污染,为了减少这种情况的产生,小型迷你混合动力汽车逐渐引起了各大汽车生产商的注意。
问题描述:车身较长,在碰撞中有大的变形空间,可吸收能量,缓解事故对人的冲击力,减轻对乘车者的人身伤害。但此种汽车体积较大,比较笨拙,而且在一定程度上造成交通拥挤。而迷你汽车因为车身较短,不具备這种变形缓冲功能。系统存在的技术矛盾:迷你型汽车车身短与在交通事故中防撞性能降低的矛盾,如图4所示。
2.3.2 运用Triz理论分析解决问题
应用Triz理论中的15#创新原理“动态特性原理”,即:提高运动目标的面积参数;17#创新原理“一维变多维原理”,即:将物体由二维平面运动过度到三维空间运动,以消除物体在二维平面运动或定位的问题。具体在此处应用为:新型迷你汽车的引擎被设计在车身下面,以增加引擎和乘客分隔空间的大小。与客车相比,提升了位于碰撞区域上面的乘客空间。
2.3.3设计结果
学生自行设计的新型迷你汽车本身并没有使用特殊材料来吸收能量,仅仅做了结构上的创新,其抵抗外力变形的能力便可堪与一辆普通轿车相婢美,该设计遵循Triz理论的基本原则,没有增加新的材料而实现了其预定功能。形态上可爱,充满童趣,功能上满足了一般驾车者的需求,达到了形态与功能的统一,最终效果如图5所示。
2.4基于Triz理论的汽车干脚器设计
2.4.1问题的提出
在下雨天中,或者当走过一段很泥泞的道路后需要上车的时候,是否担心潮湿并带有污泥的鞋底将自己的爱车地板踩脏呢?
2.4.2运用Triz理论分析解决问题
首先,学生将设计思路确定为:“在车门处设计一个干脚器,进入车内坐下时设计左右脚一对干脚器,将鞋底水分快速烘干。”在这里,学生运用到2对Triz理论中的技术矛盾来进行具体设计工作:
①降低26#技术参数——物质(雨水)的量,提高36#技术参数——系统的复杂性;
②降低6#技术参数——静止物体的面积,提高27#技术参数——可靠性。
它们分别相对应的创新原理为13#反向作用原理、3#局部质量原理、27#廉价替代品原理、10#预先作用原理、32#颜色改变、35#物理或化学参数变化、40#复合材料和4#增加不对称性原理。
在此设计中,对于第一对技术矛盾,选择10#创新原理——预先作用原理,即“预先安置物体,使其在必要时能立即在最方便的位置发挥作用”;对于第二对技术矛盾,选择4#创新原理——增加不对称性,即“用非对称性代替对称性”。具体设计方法为:将干脚器表面设计成符合人因工程学的弧形,增大摩擦,避免成员滑到。采用强力吸水装置,在车门处先将流动水滴吸干;上车后将鞋底完全烘干。图6所示的最终效果图展示了两个不同地方使用的干脚器的工作状态图以及它们的三视图尺寸。
3结语
在汽车造型设计课程的授课过程中,作者发现大部分学生创新思维不足,发现问题和解决问题的能力不强,将TRIZ理论中的一些方法引入课程中后,同学们的各方面能力有了明显的提高。文章将学生在汽车造型设计过程中的部分设计实例,如汽车座椅、安全气囊、新型迷你汽车车身以及干脚器的设计进行了介绍与总结,表明借助TRIZ可有效提高学生创新设计能力,对学生学好汽车造型设计这门课程十分重要。
参考文献:
[1] 根里奇·阿奇舒勒.创新40法:TRIZ创造性解决技术问题 的诀窍[M].成都:西南交通大学出版社,2004.
[2] 姜台林.TRIZ创新问题解决实践[M].南宁:广西师范大学出 版社,2008.
[3] 许英,朱序璋.汽车驾驶座椅的人机工程学设计[J].机电产 品开发与创新,2008,(1):28-30.
[4] 高永亮,吴立言.冲击载荷下弹射座椅的结构优化设方法 研究[J].机械设计,2008,(1).