机械创新设计-4-功能原理创新设计2-发明解决理论.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机械创新设计,*,第四章 功能原理创新设计,2025/11/28 周五,机械创新设计,4.1,功能原理设计的意义,4.2,工艺功能设计方法,4.3,综合技术功能设计方法,4.4,功能组合方法,4.5,设计目录方法,第四章 功能原理创新设计,4.6,发明问题解决理论,(TRIZ,）,4.7,公理化设计方法,2025/11/28 周五,机械创新设计,如何产生的？,基本原理是什么？,基本方法如何？,怎样分类？,技术冲突的,40,条发明原理,4.6,发明问题解决理论,(TRIZ,）,2025/11/28 周五,机械创新设计,如何产生的？,前苏联学者 阿利特舒列尔（,G.S.Altshuler,）及其领导的一批研究人员，从,1946,年开始，花费,1500,人,年，在分析研究世界各国,250,万件专利的基础上，提出了“,发明问题解决理论,”。该理论一直对其他国家保密，直到前苏联解体后，随着一批原苏联科学家移居国外，将该理论介绍给其他国家，对全世界的创新设计领域产生重要影响。,4.6,发明问题解决理论,(TRIZ,）,CIA,中央情报局,PK,克格勃,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,基本原理是什么？,“发明问题解决理论”认为技术系统是不断进化的，进化的动力是,解决冲突,。“发明问题解决理论”提出消除冲突的,发明原理,，建立消除冲突的基于知识的,逻辑方法,。,劝架,折中,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,基本方法如何？,应用“发明问题解决理论”解决设计问题时，需要首先将待设计的问题,表达,（,翻译,）为“发明问题解决理论”的,标准问题,，利用该理论所提供的工具，可求得,标准解,，将标准解,表达,（,翻译,）为问题领域的,解答,，得到,领域解,，可以得到关于消除技术冲突的有益提示。,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,怎样分类？,“发明问题解决理论”将工程中的冲突分为两类，一类称为技术冲突，另一类称为物理冲突。,技术冲突,指在一个子系统中引入有用功能的同时会在另一个子系统中引入有害功能。,物理冲突,指对同一个子系统提出相反的要求。,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,为表示技术冲突,该理论总结了常用的,39,个工程参数,：,通用,工程参数,名称,七类,序号,名称,序号,名称,序号,名称,1,运动物体的重量,14,强度,27,可靠性,2,静止物体的重量,15,运动物体作用时间,28,测试精度,3,运动物体的长度,16,静止物体作用时间,29,制造精度,4,静止物体的长度,17,温度,30,物体外部有害因素作用的敏感性,5,运动物体的面积,18,光照度,31,物体产生的有害因素,6,静止物体的面积,19,运动物体的能量,32,可制造性,7,运动物体的体积,20,静止物体的能量,33,可操作性,8,静止物体的体积,21,功率,34,可维修性,9,速度,22,能量损失,35,适应性或多用性,10,力,23,物质损失,36,装置的复杂性,11,应力或压力,24,信息损失,37,监控与测试的困难程度,12,形状,25,时间损失,38,自动化程度,13,结构的稳定性,26,物质或事物的数量,39,生产率,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,并总结了常用来解决技术冲突的,40,条发明原理,：,发明原理,序号,名称,序号,名称,序号,名称,序号,名称,1,分割,11,预补偿,21,紧急行动,31,多孔材料,2,分离,12,等势性,22,变有害为有益、,32,改变颜色,3,局部质量,13,反向,23,反馈,33,同质性,4,不对称,14,曲面化,24,中介物,34,抛弃与修复,5,合并,15,动态化,25,自服务,35,参数变化,6,多用性,16,未达到或超过,26,复制,36,状态变化,7,套装,17,维数变化,27,低成本、不耐用的物体,代替昂贵、耐用的物体,37,热膨胀,8,质量补偿,18,振动,28,机械系统的替代,38,加速强氧化,9,预加反作用,19,周期性作用,29,启动与液压结构,39,惰性环境,10,预操作,20,有效作用的连续性,30,柔性壳体或薄膜,40,复合材料,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,1,：分割,断开,独立,把一个整体或有联系的事物强行分开,将一个物体分割成几个独立的部分,电冰箱,冷冻箱,+,冷藏箱,货运汽车,动力（机车）,+,装载（拖车）,将一个物体分割成几个容易组装和拆卸的部分,结构设计,构件,多个独立的零件,分别制造,提高物体的可分性,刀具可拆卸结构,刀头,+,刀杆,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,2,：分离,隔开,从混合物中隔离出来 与其他部分或整体、主体分开,将一个物体中的有害部分与整体分离,家用空调,主机,+,散热器（噪音大,移往室外）,将一个物体中起某种专门作用的部分与整体分离,激光复印机,成像功能分离,独立功能,成像功能,+,扫描仪,=,复印机,成像功能,+,计算机,=,打印机,成像功能,+,通信功能,=,传真机,打印,+,复印,+,扫描,+,传真,一体机,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,3,：局部质量,区别对待,零件由均匀结构改为非均匀结构,局部发挥最佳效能,零件不同部位,热处理方式不同,齿轮齿面的表面处理。,面硬心软,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,4,：不对称,增加范围,机械零件多为对称,设计更简单,但是可以采用不对称结构,选择范围扩大,轮毂设计的非对称结构,定位,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,5,：合并,组合,将空间上相同或者相近的物体合并在一起,收音机,+,录音机,=,收录机,多功能手机,=,电话功能,+,短信,+,收音机,+,将时间上相关的物体合并,铅笔,+,橡皮,便于携带,制冷,+,加热,夏天制冷,冬天加热,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,6,：多用性,提高,性价比,多种功能集于一身,多用工具,多功能手机,电话功能,+,短信,+,收音机,+mp4+,照相,+GPS,导航,+,蓝牙,+,上网,一机多用,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,7,：套装,减小,占用空间,将某个物体放入另一个物体的空降内,地铁车门,嵌入式,建筑、装修布线,墙内,地暖,地板下,将第一个物体嵌入第二个物体内，将第二个物体嵌入第三个物体内,多层伸缩式天线,伸缩式钓鱼竿,多层油缸,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,8,：质量补偿,减小,质量负载,使一个向上的力与向下的重力相平衡,氢气球悬挂广告牌,嵌入式,电梯、立体车库,滑轮,起重负载配重,精密滑动导轨,机械卸载导轨,滚子分担导轨负载,导轨导向,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,8,：质量补偿,减小,质量负载,通过物体与环境的作用为物体提供向上的作用力，以平衡重力作用,船,水的浮力,飞机机翼,空气,升力,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,9,：预加反作用,抵消,有害作用,梁,预加反载荷,机床导轨,做成中部凸起,延缓寿命,火车铁轨,中凸,加长寿命,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,10,：预操作,预防措施,杜绝意外事件,螺栓,预紧,+,放松措施,轴承,预紧,零件装配前的防腐处理,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,11,：预补偿,事先防范,提高可靠性,过载保护系统,熔断器,安全离合器,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,12,：等势性,减少能量消耗,车辆在平路上行走,零件在流水线中移位时尽量在一个平面上,鹤式起重机,吊装物体时做水平直线移动,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,13,：反向,逆向思维,采用与通常动作方向相反的动作，达到相同的目的,配对齿轮的材料不同,一软一硬,模具,硬,材料,凸模,软,材料,凹模,结果,软材料,塑性,对磨损补偿，延长模具寿命,使原来静止的物体运动，原来运动的静止，保持两个物体间原有的相对运动关系,车床,刀具固定,工件运动,改变,工件固定,刀具运动,镗床或铣床,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,14,：曲面化,圆弧与旋转,用曲线代替直线，用曲面代替平面，用球代替立方体,倒角、圆角,减少应力集中,拱形梁,提高强度,等强度梁,特殊母线形状使圆轴各截面弯矩相等,用回转运动取代直线运动,机械设计,旋转运动,更简单,旋转运动产生的,离心力,特殊作用,洗衣机,甩干,离心铸造,减少铸件外表面缺陷,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,15,：动态化,灵活性,使物体各个部分之间、动作之间自动调节，实现最佳工作状态,形状记忆弹簧,随温度变化,伸缩开闭温室天窗,柴油机调速器,像,超越离合器,将物体分解为既互相连接,，又可以相对运动的多个部分,凸缘,联轴器,刚性,连接，要求精度高,万向节,联轴器,适应两轴,角度误差,十字滑块,联轴器,适应两轴,径向误差,用垫片调节轴向间隙,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,16,：未达到或超过,放宽,问题简化,齿轮设计齿宽,一宽一窄,解决齿宽装配、加工及累计误差造成的错位,公差,不是理想的,100%,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,17,：维数变化,多维,增加,将一维线性运动改为二维平面运动或三维空间运动,计算机储存方式,纸带（一维）,磁盘,/,光盘（二维）,将来,三维存储技术,飞跃,将单层排列的物体变为多层排列,光盘库,多层,叠放光盘,方便抓取,立体,车库,增加存储量,利用给定表面的反面,磁盘由,单面,双面,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,18,：振动,使物体处于振动状态,增加振动频率,共振,电磁振动或压电振动替代机械振动,刀具振动,切削工艺,电动剃须刀、电动雕刻刀、振动式电动剪刀,振动上料机,均匀定向上料（移动物体）,筛子筛物料,电子表,石英,振荡器,更准确,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,19,：周期性作用,周而复始,用周期性动作代替连续动作；已有的改变动作频率,过盈,装配,压入法,周期性敲击法,内燃机,活塞等,周期性,工作,自动装配线,上,传送带（链）,周期性,装配操作,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,20,：有效作用连续性,提高效率,系统连续性工作,所有部件满负荷,消除动作过程中的间隙,连续旋转代替往复直线运动,计算机打印机,打印头,连续,往复打印,内燃机,爆发行程,做功,飞轮,储能,输出,保证内燃机持续运动,卡尔逊,复印机,平板,上,布静电,+,曝光,+,显影,+,定影,现代,复印机,多个,工作头,围绕,硒鼓,复印可以循环进行,搓丝,滚丝,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,21,：紧急行动,减少有害作用时间,以最快速度完成有害操作,激光,焊接法,加温时间短，影响范围小,减少焊接变形,热处理,高频或中频电流,加热零件表面,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,22,：变有害为有益,机器报废,零件方便拆卸,垃圾分离设备,回收有用物质,高压容器灌口密封结构,外侧,消弱,内侧,加强,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,23,：反馈,纠正 补偿,反馈系统,有效纠正偏差,保证系统工作正常,自行车前轮转向,把延长线在轮子与地面接触点前面,向心力,形成回位,力矩,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,24,：中介物,传递 减缓,带（链条）,机械传动的中介物,长距离传动,复印机,布墨粉,玻璃球,静电吸墨粉,硒鼓,强静电再吸布墨粉到硒鼓上,形成墨粉图像,机器安装底座上的,减震垫,减少振动对环境的影响,大型,风机,减震,问题,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,25,：自服务,自我保护意识,自润滑轴承,自身材料,孔隙,含,润滑剂,随温度应力变化渗出润滑,省略了特别的润滑措施,.,SF-1,通用型钢基无给油自润滑轴承,1,无油润滑或少油润滑，可在使用时不保养或少保养；,2,耐磨性能好，摩擦系数小，使用寿命长；,3,有适量的弹塑性，能将应力分布在较宽的接触面上,提高轴承的承载能力；,4,静动摩擦系数相近，从而保证机械的工作精度；,5,能使机械减少振动，降低噪音，防止污染，改善劳动条件；,6,在运转过程中能形成转移膜,起到保护对磨轴的作用；,7,对于磨轴的硬度要求低，从而降低了相关零件的加工难度；,8,薄壁结构，质量轻，可减小机械体积；,9,钢背面可电镀多种金属,，可在腐蚀介质中使用；目前已广泛应用于各种机械的滑动部位。,铸铁,润滑性,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,26,：复制,替代物,用简单、廉价的复制品代替复杂昂贵的物体,虚拟设计,动态虚拟仿真,虚拟装配,干,涉检查,虚拟应力分析,模拟训练,虚拟现实,仿生,法（仿生学）,人工心脏,机器人,机器动物,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,27,：低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体,低替代物,用,再生材料,木材、农作物,茎秆,代替木材,做家具、建材,用,铁芯包铜,代替,铜,导线,用,塑料,模具代替,金属,模具,钢塑材料,代替,铝,合金等,稀有金属,材料,用,模,型,试验代替,实物,试验,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,28,：机械系统的替代,低替代物,用具有,视觉,、,听觉,、,味觉,或,嗅觉,系统,代替,机械,系统,用,光、声,传感器代替,机械（位置）,传感器,用,电动机调速,代替,机械变速,用,声、光信号,传递机器运行,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,29,：气动与液压结构,将物体的,固态,部分用,气体,或,液体,替代，利用气压、液压,缓冲,作用,表面的润滑,高压气体,或,液体,隔开,表面,流体静压润滑,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,30,：柔性壳体或薄膜,用,柔软壳体,或,薄膜,替代,传统,结构,建筑物或广场顶部,柔软壳体（织物）,或,薄膜材料,施工方便,结构轻巧安全,机器内部,柔软材料,隔开成多箱,各自润滑方案,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,31,：使用多孔材料,失重铸造或烧结,大量孔隙材料,含油轴承、流体过滤器,、,轻质结构零件,材料上,打孔,减重,带孔,结构,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,32,：改变颜色,传达信息,重要信息,醒目色,危险信息,红色,方便观察,透明,结构,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,33,：同质性,相同材料,接触不发生化学或电化学反应,零件热膨胀系数相同,温度变化,不易错位,生产备料,方便,报废,时方便处理,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,34,：抛弃与修复,减载,抛弃,失去功能的部件，,补充,或,修复,损耗部分,火箭发射中，,抛弃,废料箱减轻负载,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,35,：参数变化,参数,控制,季节（温度）,决定润滑油类型,电饭煲温控器,锅底温度,传感器,改变,铁磁粉性质,开关电路,机床设计中，根据,被加工件,确定机床功率、速度,压电材料的,逆电效应,改变材料尺寸、形状、位置和方向,系统的,微位移控制,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,36,：状态变化,状态,控制,电冰箱,温控器,敏感材料状态,温控器内部压力,制冷温度,根据金属材料受,温度,影响,热处理,表面,硬度,和,强度,形状记忆合金,温度,金相组织变化,形状,热导管,工作介质,汽化,热传导,传到效率提高,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,37,：热膨胀,空间变化,过盈,装配,热膨胀,温度控制开关,两片热膨胀系数不同材料贴合,防止热膨胀,铁轨接头处,无缝线路轨道,无缝线路轨道安装时有一个安装温度要求，以达到伸缩量平均。无缝线路轨道通过扣件扣紧在混凝土轨枕上，抑制钢轨的伸缩。无缝线路,并不是全线都连在一起,，根据等级，每隔数千米有断开的一个,伸缩段,，每到,季节,变化，铁路养路工人会挑选一个适合温度的时间，松开钢轨扣件，让无缝钢轨自由伸缩，再扣紧，恢复铁路运行,。,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,38,：加速强氧化,环境变化,氧化,级别,改变,空气,纯氧,离子化氧气、臭氧环境,需要,氧气的环境,有害气体场所、抢救病人,加速化学反应,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,39,：惰性环境,特定环境,灯泡制造,防氧化,惰性,气体环境,食品防腐,包装中,惰性,气体,真空,电冰箱保鲜,低温,+,真空,干燥的,惰性,气体,防止,汽雾,产生,2025/11/28 周五,机械创新设计,原理,40,：复合材料,多选性,零件,不同部位,功能不同,特性不同,带,承受拉力,强度,在带轮中弯曲,弹性,弯曲应力小,带与轮摩擦,耐磨性,V,型带,多种复合材料,芯部,纤维或细钢丝,抗拉强度高,主体,橡胶,弹性好,表层,帆布,耐磨性好,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,将发明原理与技术冲突的对应关系编制成冲突问题,解决矩阵,专用软件,查找,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,为解决物理冲突，该理论总结了,24,个常见物理冲突问题：,常见的物理冲突,几何类,材料及能量类,功能类,长与短,多与少,喷射与卡住,对称与不对称,密度遇大小,推与拉,平行与交叉,导热率高与低,冷与热,后与薄,温度高与低,快与慢,圆与非圆,时间长与短,运动与静止,锋利与钝,黏度高与低,强与弱,窄与宽,功率大与小,软与硬,平行与垂直,摩擦系数大与小,成本高与低,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,该理论总结了用以 解决物理冲突的,11,种方法：,1.,冲突特征的空间分离。,2.,冲突特征的时间分离。,3.,将不同系统或元件与超系统相连。,4.,将系统改为反系统，或将系统与反系统相结合。,5.,系统作为一个整体具有特征,B,，其子系统具有特征,-B,。,6.,微观操作为核心的系统。,7.,系统中一部分物质的状态交替变化。,8.,由于工作条件变化使系统从一种状态向另一种状态过渡。,9.,利用状态变化所伴随的现象。,10.,用两相物质代替单相物质。,11.,通过物理作用及化学反应使物质从一种状态过渡到另一种状态,。,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,发明问题解决理论的研究在总结各种解决物理冲突的方法的基础上，提出了解决物理冲突的分离原理，它包括,:,1.,冲突双方的空间分离,2.,冲突双方的时间分离,3.,基于条件的分离,4.,整体与部分的分离,通过将相互的冲突双方分离，可以有效地降低解决冲突的难度。,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,解决物理冲突的分离原理和解决技术冲突的发明原理之间存在联系，对于每一条分离原理，有多条发明原理与之对应。,发明原理与分离原理的对应关系,分离原理,发明原理,空间分离,1,，,2,，,3,，,4,，,7,，,13,，,17,，,24,，,26,，,30,时间分离,9,，,10,，,11,，,15,，,16,，,18,，,19,，,20,，,21,，,29,，,34,，,37,基于条件的分离,1,，,5,，,6,，,7,，,8,，,13,，,14,，,22,，,23,，,25,，,27,，,33,，,35,整体与部分分离,12,，,28,，,31,，,32,，,35,，,36,，,38,，,39,，,40,2025/11/28 周五,机械创新设计,发明问题解决理论,物理冲突牵涉的对象较少，通常解决方法较简单。,各个击破,同样的工程问题通常既可以表达为技术冲突，也可以表达为物理冲突。,2025/11/28 周五,机械创新设计,课堂作业,从发明问题解决理论的角度分析一下,日本福岛核事故,事件，除了已采用的方法还有什么有效方法可以解决？,2025/11/28 周五,机械创新设计,