TRIZ理論在機(jī)械類本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討

王維剛,張 穎,林玉娟,龍飛飛 (大慶石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶163318)

我國(guó)提出了21世紀(jì)人才培養(yǎng)的新要求:從以傳授和繼承知識(shí)為主的培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)向加強(qiáng)素質(zhì)教育,拓寬口徑,著力培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)獲取和運(yùn)用知識(shí)的能力、獨(dú)立思維和創(chuàng)新能力,融傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)為一體的具有時(shí)代特征的人才培養(yǎng)模式[1]。高等工科院校機(jī)械工程類本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng),培養(yǎng)學(xué)生勇于探索和開拓創(chuàng)新精神有著不可替代的作用,是全面素質(zhì)教育和創(chuàng)新教育的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)[2]。我國(guó)在校大學(xué)生主要缺乏的是動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。國(guó)內(nèi)各高校機(jī)械類學(xué)生畢業(yè)選題多為往屆學(xué)生做過的設(shè)計(jì)、研究或?qū)嶒?yàn),很少自己立題,這不利于大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對(duì)這種狀況,筆者進(jìn)行了相關(guān)探討,在機(jī)械工程類本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中引入了TRIZ理論,進(jìn)行以培養(yǎng)機(jī)械類設(shè)計(jì)創(chuàng)新人才為目標(biāo)的教學(xué)改革探索與實(shí)踐活動(dòng),從而為高校學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)提供一定參考。

1 TRIZ理論的基本原理

TRIZ理論是G.S.Alt-shuller等人從1946年開始在研究大量專利產(chǎn)品的基礎(chǔ)上提出的,經(jīng)過多年發(fā)展,TRIZ理論已經(jīng)形成了一套較為完整的體系[2]。

圖1 TRIZ創(chuàng)新求解基本原理

TRIZ理論認(rèn)為當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)某個(gè)特性或參數(shù)得到改善時(shí),常常會(huì)引起另外的特性或參數(shù)劣化、該矛盾稱為 “技術(shù)矛盾”。為了解決該矛盾,Alt-shuller從其所研究的4萬個(gè)專利解決方法中發(fā)現(xiàn)只有39個(gè)參數(shù)改進(jìn)或劣化,每個(gè)問題可以描述為39個(gè)參數(shù)中任意2個(gè)參數(shù)間的沖突,許多專利發(fā)明從不同領(lǐng)域有效地解決了這些矛盾。Altshuller通過研究,把39個(gè)參數(shù)作為改善參數(shù)和劣化參數(shù)并分別作為一張表的行和列,由此組成了一個(gè)39×39矛盾矩陣[3],并為行列交叉點(diǎn)形成的每個(gè)矛盾提供了最常用的創(chuàng)新原則。但值得注意的是并不是每個(gè)參數(shù)都構(gòu)成矛盾。TRIZ創(chuàng)新求解基本原理如圖1所示。

2 TRIZ理論解決機(jī)械設(shè)計(jì)問題的機(jī)制

機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計(jì)中絕大多數(shù)涉及到機(jī)械機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),而這些設(shè)計(jì)大部分來自工程實(shí)際問題。

TRIZ理論認(rèn)為,解決工程問題最有效的途徑是克服沖突,技術(shù)沖突在改善技術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)參數(shù)的同時(shí)又對(duì)該系統(tǒng)的另一個(gè)參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響。解決技術(shù)沖突是指改進(jìn)一技術(shù)參數(shù)的性能的同時(shí),系統(tǒng)中另一個(gè)技術(shù)參數(shù)的性能得到改進(jìn)或保持不變,從而實(shí)現(xiàn) “雙贏”。運(yùn)用技術(shù)沖突解決問題以39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)、40啟發(fā)式原理及沖突矩陣為基礎(chǔ)。首先,對(duì)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行功能分析,用技術(shù)特性描述子功能,若存在技術(shù)沖突,提出改進(jìn)和惡化的技術(shù)特性,將這些技術(shù)特性泛化為39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中的2個(gè)。其次,通過標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù),應(yīng)用沖突矩陣尋找解決問題的1～6個(gè)啟發(fā)式原理。每一啟發(fā)式原理由原理的應(yīng)用形式、若干個(gè)應(yīng)用實(shí)例、實(shí)例圖和實(shí)例說明組成,這些原理可以給設(shè)計(jì)師直接的啟發(fā)。最后,將要解決的工程問題與指定的幾個(gè)啟發(fā)式原理進(jìn)行對(duì)比分析,經(jīng)評(píng)價(jià),應(yīng)用相似原理得到解決該問題的創(chuàng)新解,技術(shù)沖突的解決過程如圖2所示。

3 設(shè)計(jì)案例分析

機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計(jì)中絕大多數(shù)涉及到機(jī)械機(jī)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),而這些設(shè)計(jì)大部分來自工程實(shí)際問題。

以大型螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng) (例如氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上汽缸用的螺栓法蘭聯(lián)接)為例,在高溫高壓的工作條件下,要求各個(gè)氣缸間用法蘭連接的接合處具有高度的密封性能,但目前采用常規(guī)的聯(lián)接方法使用螺栓數(shù)量達(dá)100多個(gè),給維修帶來極大不便。為解決該問題,通常采用對(duì)稱的法蘭結(jié)構(gòu) (圖3),若為了保證密封性,必須增加螺栓的數(shù)量;若要減少螺栓數(shù)量,密封性又無法保證,因而這一矛盾 (沖突)無法解決,不能實(shí)現(xiàn)雙贏。為此,運(yùn)用TRIZ理論解決該問題,從而使法蘭結(jié)構(gòu)既有良好密封性能又只使用少量螺栓。

在螺栓法蘭聯(lián)接系統(tǒng)中,有子系統(tǒng)法蘭、螺栓和墊片。若子系統(tǒng)法蘭結(jié)構(gòu)保持不變,要保持良好的密封性,需要較多螺栓的數(shù)目;為了維修方便,減輕質(zhì)量,使用較少螺栓,但法蘭結(jié)構(gòu)不變,則密封性能下降。顯然,為了可靠的密封性和維修方便,子系統(tǒng)法蘭和螺栓之間存在沖突,屬于技術(shù)沖突。

由此看出,系統(tǒng)欲改善的技術(shù)特性是維修方便 (少量螺栓),經(jīng)泛化后的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)是33(操作簡(jiǎn)單性);惡化的技術(shù)特性為密封性下降,經(jīng)泛化的標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)為13(系統(tǒng)的穩(wěn)定性)和27(系統(tǒng)的可靠性),則構(gòu)成2個(gè)技術(shù)沖突 (即33-13和33-27)。依據(jù)文獻(xiàn) [3]中的矛盾矩陣,解決該問題可以沿著原理17、30、32、35、27、40思路考慮解決,其中原理17和20啟發(fā)作用最明顯。原理17(維度變化)是將一維物體變化為二維或三維物體,將物體傾斜或側(cè)向放置,解決問題的思路是將一個(gè)半法蘭盤結(jié)合面相對(duì)另一個(gè)半法蘭盤傾斜一定角度放置。原理20(可撓性膜片或薄膜,柔性物質(zhì)或結(jié)構(gòu))是使用可撓性膜片或薄膜替代原有的結(jié)構(gòu),使用可撓性膜片或薄膜將物體與環(huán)境隔離,受此原理啟迪,解決問題的思路是將一個(gè)半法蘭盤用彈性材料制作,在力的作用下可產(chǎn)生彈性變形。

圖2 解決技術(shù)沖突的過程

圖3 典型的法蘭結(jié)構(gòu)

圖4 螺栓法蘭聯(lián)結(jié)新方案

綜合兩種解決問題的思路,將法蘭盤結(jié)合面相對(duì)傾斜一個(gè)角度,用數(shù)量較少的螺栓聯(lián)接,在力作用下,其中一個(gè)半法蘭盤產(chǎn)生彈性變形并被壓平 (另一個(gè)半法蘭盤較厚,視為剛體),從而也保證了密封性。由此,設(shè)計(jì)出新穎的螺栓法蘭聯(lián)接裝置 (圖4),該裝置既有良好密封性能又只使用少量螺栓,很好地解決上述法蘭結(jié)構(gòu)的問題。

4 結(jié) 語

依據(jù)TRIZ理論的基本原理和解決技術(shù)沖突機(jī)制,及其在機(jī)械類畢業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的解決以螺栓法蘭聯(lián)結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,詳述了 TRIZ理論在機(jī)械類畢業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過程。實(shí)踐效果證明,運(yùn)用TRIZ理論指導(dǎo)畢業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新是切實(shí)可行的,能夠很好地實(shí)現(xiàn)學(xué)生的工程能力、創(chuàng)新能力、創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。將TRIZ理論應(yīng)用到機(jī)械類本科畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是一個(gè)全新的研究課題,需要高校機(jī)械類專業(yè)的廣大教生的不懈努力與積極探索。通過運(yùn)用TRIZ理論解決機(jī)械類畢業(yè)設(shè)計(jì)中的問題,讓學(xué)生掌握創(chuàng)新手段和方法,使之成為創(chuàng)新型工程技術(shù)人才。

[1]張學(xué)忱,高柏.大學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中的創(chuàng)新設(shè)計(jì) [J].黑龍江高級(jí)研究.2006,(9):152～154.

[2]黃秀芳.TRIZ理論基本原理及實(shí)現(xiàn) [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2003,(10):55～57.

[3]鄭稱德.TRIZ理論及其設(shè)計(jì)模型 [J].管理工程學(xué)報(bào),2003,17(1):84～87.