物场模型分析与标准解法.ppt

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1、第六章 物场模型分析与标准解法,2,4,第一节 物场模型的概念与分类,第二节 物场分析的一般解法,第三节 物场模型的构建及应用,第四节 物场分析的标准解法系统,返回,第六章 物场模型分析与标准解法,解决技术冲突需要通过冲突矩阵来找到对应的发明原理，再根据发明原理进行发明创造。然而能迅速地确定技术冲突类型，才能在矩阵中找到相对应的发明原理，这需要工作人员的经验和判断力，但是在许多未知领域却无法确定技术冲突的类型，所以需要另一种工具来引领我们找到技术冲突的类型，于是TRIZ理论又引入了物场模型。物场模型是TRIZ理论中一种重要的问题描述和分析工具，用来建立与现存技术系统问题相联系的功能模型。在解决

2、问题过程中，可以根据物场模型所描述的问题，来查找相对应的一般解法和标准解法。因此熟练使用该工具，可以实现创新设计。,返回,第一节 物场模型的概念与分类,一、物场模型的概念系统的作用就是为了实现某种确定的功能，产品是功能的实现。所谓功能，是指系统的输出与输入之间正常的、期望存在的关系。系统的功能可以是一个比较大的总功能，也可以是分解到子系统的功能，还可以一直分解下去，直至达到底层的功能为止。底层的功能结构上比较简单，容易进行理解和表达。阿奇舒勒通过对功能的研究，发现并总结出3条定律:(1)所有的功能都可以分解为3个基本元件(S1，S2，F)。(2)一个存在的功能必定由3个基本元件组成。(3)将相

3、互作用的3个基本元件进行有机组合将形成一个功能。理想的功能是场F通过物质S2作用于物质S1并改变S1。,下一页,返回,第一节 物场模型的概念与分类,其中，物质的定义取决于每个具体的应用，可以是材料、工具、零件、人或者环境等。S1是系统动作的接受者，S2通过某种形式作用在S1上。完成某种功能所需的方法或手段就是场，它可以给系统提供能量，促使系统发生反应，从而实现某种效应。作用在物质上的能量或场主要有:Me机械能，Th热能，Ch化学能，E电能，M磁场，G 重力场等。为了表达方便，功能用一个三角形来进行模型化，三角形下边的两个角是两个物体(或称为物质)，上角是作用或效应(或称为场)。物体可以是工件或

4、工具，场是能量形式通常任何一个完整的系统功能，都可以用一个完整的物场三角形进行模型化，称为物场分析模型，如图6-1所示。如果是一个复杂的系统，可以用多个物场三角形来进行模型化,上一页,下一页,返回,第一节 物场模型的概念与分类,物场模型的三元件之间的关系可以用图6-2中四种不同的连接线表示。二、物场模型的分类根据对众多发明实例的研究，TRIZ理论把物场模型分为以下四类。1.有效完整模型该功能中的三元件都存在，且都有效，能实现设计者追求的效应。2.不完整模型组成功能的三元件中部分元件不存在，需要增加元件来实现有效完整功能，或者用一种新功能代替。3.非有效完整模型功能中的三元件都存在，但设计者追求

5、的效应未能完全实现。如产生的力不够大，温度不够高等，需要改进以达到要求。,上一页,下一页,返回,第一节 物场模型的概念与分类,4.有害完整模型功能中的三元件都存在，但产生了与设计者追求的效应相冲突的效应。创新的过程中要消除有害效应。如果三元件中的任何一个元件不存在，则表明该模型需要完善，同时也就为发明创造、创新性思索指明了方向;如果具备所需的三元件，则物场模型分析就可以为我们提供改进系统的方法，从而使系统更好地完成功能。TRIZ中重点关注的是不完整模型、非有效完整模型和有害完整模型，针对这三种模型，提出了物场模型分析的一般解法和76个标准解法。三、物场模型的解题模式,上一页,下一页,返回,第一

6、节 物场模型的概念与分类,利用物场模型方法对技术系统分析后，可以将其归纳到不同的类别中。对于每种类别来说，它们都有自己特别的、规范的解题方法，即为标准解。显然，标准解具有特定性、通用性和普遍性等特点，这些特点使得物场分析与标准解，作为一类TRIZ解题方法，在解决实际问题时更具有广泛性。由于物场模型揭示了技术系统结构上的内涵和特点，而标准解是利用物场分析方法解决发明问题的一个工具，因此我们可以借助物场模型分析与标准解这个TRIZ解题方法，从技术系统的结构角度出发，得到物场分析与标准解的解题模式，如图6-3所示。下面首先介绍物场模型的一般解法，然后在本章后面将专门介绍物场模型分析的76个标准解法。

7、,上一页,返回,第二节 物场分析的一般解法,针对物场模型的不同类型，TRIZ理论提出了相对应的6个一般解法，下面分别进行介绍。一、不完整模型一般解法1:(1)补齐所缺失的元件，增加场F或工具S2，完整模型(图6-4)。(2)系统地研究各种能量场，机械能热能化学能电能磁能。二、有害完整模型有害效应的完整模型，元件齐全，但S1和S2之间的相互作用结果是有害的或不希望得到的，因此场F是有害的。一般解法2:,下一页,返回,第二节 物场分析的一般解法,加入第三种物质S3，S3用来阻止有害作用。S3可以是通过S1或S2改变而来，或者是S1/S2共同改变而来(图6-5)。一般解法3:(1)增加另外一个场F2

8、来抵消原来有害场F的效应(图6-6)。(2)系统地研究各种能量场，机械能热能化学能电能磁能。三、非有效完整模型非有效完整模型是指，构成物场模型的元件是完整的，但有用的场F效应不足，比如太弱或太慢等。一般解法4:用另一个场F2(或者F2和S3一起)代替原来的场F1(或者F1及S2)，如图6-7所示。,上一页,下一页,返回,第二节 物场分析的一般解法,一般解法5:(1)增加另外一个场F2来强化有用的效应，如图6-8所示。(2)系统地研究各种能量场，机械能热能化学能电能磁能。一般解法6:(1)插进一个物质S3并加上另一个场F2来提高有用效应，如图6-9所示。(2)系统地研究各种能量场，机械能热能化学

9、能电能磁能。综上所述，物场模型的一般解法共有六种。只要能够恰当地运用这六种解法，或者将这六种解法有机地组合起来，就可以产生极大的效应。应用这六种解法，可以有效地解决那些不太复杂的问题，从而避免动用过于复杂的模型，如76个标准解。,上一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,一、物场模型的构建步骤一个完整的模型是两种物质和一种场的三元有机组合。创新问题被转化成这种模型，目的是为了阐明两种物质和场之间的相互关系。当然，复杂的系统可以相应用复杂的物场模型进行描述。通常构建物场模型有以下4个步骤:第一步:识别元件定义模型中的3个基本元件，在此需要注意的是场或者作用在两个物体上、或者和物体S2组合成一个

10、系统。第二步:构建模型在完成以上两步后，应该对系统的完整性、有效性进行评估。如果缺少组成系统的某元件，那么就要尽快确定它。,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,第三步:从一般解法或76种标准解中选择合适的解作为解决方案。该步骤要求从TRIZ理论所提供的一般解法或76个标准解法中选择一个或几个适合解决该问题的方案。需要注意的是，不要轻易排除可能的解，看似不适合的解可能会从另一个角度得到很好的运用。第四步:进一步发展所得解的概念，以支持获得的最佳解决方案，从而达到系统的有效和完善。注意，在第三步和第四步中，要充分挖掘和利用其他知识性工具最后，可结合具体的领域知识，实现具体解，使问题得到解决

11、。图6-10所示为利用物场模型解决问题的流程图，该图明确地指出了设计人员如何运用物场模型实现创新。从图中可以看出，其中的分析性思维和知识性工具之间有一个固定的转化关系。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,这个循环过程不断地在第三步和第四步之间往复进行，直到建立一个完整的模型。其中的第三步使设计人员的思维有了重大的突破为了构建一个完整的系统，在可能的条件下，设计人员应该尽可能考虑多种选择方案。下面通过一个例子来介绍物场模型分析方法的应用。工艺上常用电解法生产纯铜，在电解过程中，少量的电解液会残留在纯铜的表面。在存储过程中，电解质蒸发并在纯铜表面形成氧化斑点。这些斑点将造成很大的

12、经济损失，因为每片纯铜上都存在不同程度的缺陷。为了减少这种损失，在对纯铜进行存储前，每片纯铜都要清洗，但是要彻底清除纯铜表面的电解质仍然很困难，因为纯铜表面的毛孔非常细小。那么，怎样才能改善清洗过程，使纯铜得到彻底的清洗呢?下面应用物场模型分析方法来解决该问题。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,1.识别元件 电解质=S1 水=S2 机械清洗过程=FM2.构建模型图6-11为该系统的物场模型，在现有的情况下，系统不能满足渴望效应的要求，因为纯铜表面会变色。因此本问题属于第三类模型，是非有效完整模型。3.从一般解中选择一个合适的解对于非有效完整模型有3个一般解法，其中一般解法5

13、是在模型场中插入一种附加场以增强这种效应(清洗)，如图6-12所示。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,4.进一步发展这种概念，以支持所得解决方案事实上，还有几种场可以用来加强清洗的效应，如利用超声波、热水的热能、表面活性剂能去除污点的化学特性、磁场磁化水，进而改善清洗过程。以上各种能量形式，对改善清洗效果都是有效的，但都没有达到理想解。TRIZ要求对问题彻底解决，追求获得最终理想解。现在考虑另一种一般解法，从而再循环进行第三步中的过程。对在第三步中描述的每一种一般解，其相关的概念都应该在第四步中得到继续的发展，探求所有的可能性。对每一种情况都要想一想究竟是为什么。5.从一般

14、解中选择另一个不同的解利用一般解法6，插入物质S3和另一种场F2来提高有用效应，如图6-13所示:,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,6.发展一种概念以支持解F76是热能，S3是水蒸气(图6-13)。应用过热水蒸气(水在一定的压力下，温度可达100以上)。水蒸气将被迫进入纯铜表面非常细小的毛孔中，使电解质离开纯铜表面，从而将其彻底排出微孔。把一个复杂的问题分成许多简单易解的问题，在技术领域里是一种常规的做法。物场模型分析方法，首先可以用在复杂的大问题上，同时也可用在简单的小问题上灵活的运用物场分析，把实际工作中需要解决的问题用物场模型描述，明确物场模型中三元件的相互关系，把需

15、要解决的问题模式化，然后用一般解法和76种标准解就可以实现创新设计，从而解决技术冲突。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,二、利用物场模型实现创新例6-1 钢丸发送机弯管部分的磨损问题。钢丸发送机的弯管部分是强烈磨损区，如图6-14所示，而在弯管部分添加保护层的效果很有限，如何解决这个问题?对发送机进行物场分析可知，钢丸为目标物S1，管子为工具S2,F为机械力。分析发现管子和钢丸间既有好的作用(管子为钢丸导向)，又有坏的作用(钢丸冲击和磨损弯管部分)。为解决这一问题，根据标准增加一个修正物S3，S3可以是钢丸、管子或这两者。解决方案:经过分析，选取S3=S1，即用钢丸本身兼做

16、保护层。实施办法为，在弯管外放置磁体，将飞行中的钢丸吸附在弯管内壁，形成保护层，如图6-15所示。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,由此可见，如果物场结构中两物体间既有好的作用又有坏的作用，而且没有必要保持两物质的直接接触，且不希望或不允许引入新的物质，则将两物质加以修正，组合成第三个物质，使问题得以解决。例6-2 过滤器的清理问题。为了清除燃气中的非磁性尘埃，使用多层金属网的过滤器。这些过滤器能令人满意地挡住尘埃，但也因此而难以清理为了清理尘埃，必须经常关闭过滤器，长时间地向相反方向鼓风。如何解决经常关闭过滤器这个问题呢?经过物场分析，问题是这样解决的。利用铁磁颗粒替代过

17、滤器的多层金属网，铁磁颗粒在铁磁两级之间形成多孔结构。借助于磁场接通与关闭来有效地控制过滤器。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,当捕捉尘埃时(接通时)，过滤器孔变小;当进行清理尘埃时(关闭时)，过滤器孔变大。在该问题中，已经给出了一个完整的物场模型:S1(尘埃)，S2(多层金属网)，F(由空气流形成的力场)。解决方法如下:(1)把S2碎化为铁磁颗粒(S2)。(2)场的作用不指向S1(制品)，而指向(S2)。(3)场本身不是机械场F(机械)，而是磁场F(磁场)。这一解决方法可用图6-16表示。,上一页,下一页,返回,第三节 物场模型的构建及应用,由此可见，物场发展规则是一种有

18、力的解决方案:S2(工具)分散程度增加，物场有效性也随之提高;场作用于S2(工具)比作用于S1(制品)有效;在物场中电场(电磁场、磁场)比非电场(机械场、热场等)有效。实际上几乎用不着证明，孔颗粒越小，控制工具的灵活性越高。同样明显的是，改变工具(它取决于人)比改变制品(它往往是天然物)有利。,上一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,一、标准解法系统的由来在研究物场模型中发现:技术系统构成的3个要素物质S1、物质S2和场F三者缺一不可，否则就会造成系统的不完善，或当系统中某一物质所特定的机能没有实现时，系统内部就会产生各种冲突(技术难题)。为了解决系统产生的问题，可以引入另外的物质或改进

19、物质之间的相互作用，并伴随能量(场)的生成、变换、吸收等，物场模型也从一种形式变换为另一种形式。因此各种技术系统及其变换都可用物质和场的相互作用形式表述，将这些变化的作用形式归纳总结后，就形成了发明问题的标准解法系统发明问题的标准解法系统可以用来解决技术系统内的冲突，同时也可以根据用户的需求进行全新的产品设计。,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,这样的解法规则，阿奇舒勒一共发现总结了76个，由于这些规则对于不同工程领域的问题是通用的，所以称为标准解法系统。二、标准解法系统的内容在物场模型分析的应用过程中，由于面临的问题广泛而复杂，物场模型的确立和使用有相当的困难，所以TRIZ理论为

20、物场模型提供了模式的解法，即为标准解法。它适用于解决标准问题并能快速获得解决方案，因此在产品设计中通常用来解决概念设计的开发问题。标准解法是阿奇舒勒后期进行TRIZ理论研究的重要成果，也是TRIZ高级理论的精华之一。标准解法系统中包括了76个标准解法，共分为5级，18个子级各级中解法的先后顺序也反映了技术系统必然的进化过程和进化方向。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,第1级中的解法聚焦于建立和拆解物场模型，包括创建需要的效应或消除不希望出现的效应的系列法则，每条法则的选择和应用将取决于具体的约束条件。第2级由直接进行效应不足的物场模型的改善，以及提升系统性能但实际不增加系

21、统复杂性的方法所组成。第3级包括向超系统和微观级转化的法则。这些法则继续沿着(第2级中开始的)系统改善的方向前进。第2级和第3级中的各种标准解法均基于以下技术系统进化路径:增加集成度再进行简化的法则;增加动态性和可控性进化法则;向微观级和增加场应用的进化法则;子系统协调性进化法则等。第4级专注于解决涉及测量和探测的专项问题。虽然测量系统的进化方向主要服从于共同的一般进化路径，但这里的专项问题有其独特的特性。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,尽管如此，第4级的标准解法与第1级、第2级、第3级中的标准解法有很多还是相似的。第5级包含标准解法的应用和有效获得解决方案的重要法则。

22、一般情况下，应用第1-4级中的标准解法会导致系统复杂性的增加，因为给系统引入了另外的物质和效应是极有可能的。第5级中的标准解法将引导大家如何给系统引入新的物质又不会增加任何新的东西。换句话说，这些解法专注于对系统的简化。标准解法可帮助发明者获得20%以上困难问题的高水平解决方案。此外，还可以用来进行对各种系统进化的有限预测，以发现某些非标准问题的部分解，并进行改进以获得新的解法方案。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,在1一5级的各级中，又分为数量不等的多个子级，共有18个子级，每个子级代表着一个可选的问题解决方向。在应用前，需要对问题进行详细的分析，建立问题所在系统或子系

23、统的物场模型，然后根据物场模型所表述的问题，按照先选择级再选择子级，使用子级下的几个标准解法来获得问题的解。标准解法系统的15级具体分布如表6-1、表6-2、表6-3、表6-4、表6-5所示。三、应用标准解法的步骤物场分析模型的标准解分为5级、18个子级，共76个标准解法，给实际问题提供了丰富的解决方法。通过物场分析，可以快速有效地使用标准解法来解决那些设计和技术难题。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,但是，由于标准解法数量较多，使用起来不是很容易和方便，如何快速找到合适的标准解法，成为使用者的一个难题。对于初学者来说，更是无从下手。而且，如果选择不当，还会导致使用者走上

24、弯路，从而降低了应用标准解法解决问题的效率。其实，在人们对其不断地使用和实践的过程中，已经总结出了一整套的使用步骤与流程，让发明问题标准解的使用能够循序渐进，变得比较容易操作。因此，使用标准解法解决问题时必须遵循一定的步骤，下面给出应用标准解法求解的4个步骤。1.确定所面对的间题类型首先要确定所面对的问题是属于哪一类的问题，是要对系统进行改进，还是对某件物体有测量或探测的需求。问题的确定过程是一个复杂的过程，可以按照下列顺序进行:,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,(1)问题工作状况的描述，以图文并茂的方式介绍问题状况的描述为最好。(2)将产品或系统的工作过程进行分析，尤其

25、是物流过程需要表达清楚。(3)组件模型分析包括系统、子系统、超系统这3个层面的组件，以确定可用资源。(4)功能结构模型分析是将各个元件间的相互作用表达清楚，用物场模型的作用符号进行标记。(5)确定问题所在的区域和组件，划分出相关的元件，作为下一步工作的核心。2.对技术系统进行改进如果面临的问题是要求对技术系统进行改进，则应按下列顺序进行:(1)建立现有技术系统的物场模型。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,(2)如果是不完整物场模型，应用标准解法第1.1级中的8个标准解法。(3)如果是有害效应的完整物场模型，应用标准解法第1.2级中的5个标准解法。(4)如果是效应不足的完整

26、物场模型，应用标准解法第2级中的23个标准解法和标准解法第3级中的6个标准解法。3.对某个组件进行测量或探测如果问题是对某个组件有测量或探测的需求，应用标准解法第4级中的17个标准解法。4.标准解法简化当你获得了对应的标准解法和解决方案，检查模型(即技术系统)是否可以应用标准解法第5级中的17个标准解法来进行简化。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,标准解法第5级也可以被认为是否有强大的约束限制着新物质的引入和交互作用。在应用标准解法的过程中，必须紧紧围绕技术系统所存在问题的最终理想解，并考虑系统的实际限制条件，灵活地进行运用，并追求最优化的解决方案。在很多情况下，综合应用

27、多个标准解法，对问题的彻底解决具有积极的意义，特别是第5级中的17个标准解法。四、标准解法的应用流程上述发明问题76个标准解法的应用步骤，可以用流程图来表示，如图6-17所示。五、利用标准解法实现创新,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,例6-3 飞机发动机罩的改进设计。1.间题描述飞机发动机罩主要用来给飞机提供足够的空气，满足飞机起飞的要求。随着人们对飞机要求的提高，飞机发动机的功率越来越大，发动机需要的进风量就更大，这就要求机罩的体积增大。但是，机罩越大，它离地面的距离就越近，在飞机起飞降落时容易发生各种危险。2.建立物场模型该问题的物场模型如图6-18所示，S1为机罩，

28、S2为地面，机罩S1体积的增大，虽然可以为发动机提供更大的进风量，但是会在地面S2和机罩S1之间引入有害作用。该物场模型属于具有有害效应的完整物场模型。3.求标准解对系统进行改进,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,由于系统涉及有害效应，所以应用标准解法第1级(标准解法1.2中的5个标准解法。经过分析，该问题不允许引入新的物质，可以采用标准解法10来解决问题，即可以通过改变S1和S2来消除有害作用。具体措施为:(1)对S2的改变。考虑改变地面形态，如改变跑道两侧地面的形状，来提高采风量。(2)对S1的改变。改变机罩形状，将圆形机罩变为椭圆形或方形。改变机罩位置，考虑到机罩与地

29、面的关系，提升机罩在飞机上的位置，调高机罩。,上一页,下一页,返回,第四节 物场分析的标准解法系统,综合以上分析，可以采取调高机罩位置或改变机罩形状的方法来解决这个问题。图6-19是改进后的设计方案示意图与改进前的比较。改进后的方案把发动机罩的底部由曲线变为直线，解决了既增加空气吸入量，又不减小罩与地面距离的问题。,上一页,返回,谢谢观赏,图6-1 物场分析模型,返回,图6-2 表示元件关系的连接线,返回,图6-3 物场模型的解题模式,返回,图6-4 补充元件,返回,图6-5 加入S3阻止有害作用,返回,图6-6 加入F2消除有害效应,返回,图6-7 用F2(S3)替代F1(S2),返回,图6

30、-8 另外加入场F2,返回,图6-9 加入S3和F2,返回,图6-10 物场模型解决问题的流程,返回,图6-11 不能满足渴望效应的物场模型,返回,图6-12 附加一种场以加强这种效应,返回,图6-13 从一般解中选择另一种解决方法,返回,图6-14 弯管部分是强烈磨损区,返回,图6-15 用钢丸自身保护弯管部分,返回,图6-16 原物场与新物场模型,返回,表6-1 标准解法第1级,下一页,返回,表6-1 标准解法第1级,上一页,下一页,返回,表6-1 标准解法第1级,上一页,返回,表6-2 标准解法第2级,下一页,返回,表6-2 标准解法第2级,上一页,下一页,返回,表6-2 标准解法第2级

31、,上一页,下一页,返回,表6-2 标准解法第2级,很不错滴 呦,上一页,下一页,返回,表6-2 标准解法第2级,上一页,下一页,返回,表6-2 标准解法第2级,上一页,返回,表6-3 标准解法第3级,下一页,返回,表6-3 标准解法第3级,上一页,返回,表6-4 标准解法第4级,下一页,返回,表6-4 标准解法第4级,上一页,下一页,返回,表6-4 标准解法第4级,上一页,下一页,返回,表6-4 标准解法第4级,上一页,下一页,返回,表6-4 标准解法第4级,上一页,返回,表6-5 标准解法第5级,下一页,返回,表6-5 标准解法第5级,上一页,下一页,返回,表6-5 标准解法第5级,上一页,下一页,返回,表6-5 标准解法第5级,上一页,返回,图6-17 发明问题标准解法的应用流程,返回,图6-18 机罩有害效应物场模型,返回,图6-19 飞机发动机罩改进设计方案示意图,返回,