應用TRIZ理論解決雷達桅結構振動問題研究

杜宜洋

（大連職業(yè)技術學院，遼寧 大連 116000）

0 引言

隨著造船行業(yè)的不斷發(fā)展壯大，船用雷達桅已經(jīng)更新?lián)Q代。船舶在大海中航行時，會受到風、浪、洋流等外部激勵，同時一些周期性的激勵也會由船舶自身的主機和推進器產(chǎn)生，甲板會傳遞這些激勵到雷達桅上，就加劇了雷達桅的振動，影響了雷達桅上電子儀器的正常工作，甚至嚴重會振落儀器，造成事故，影響船舶的正常航行。

一般來說，影響雷達桅振動的因素主要有三個：1）船舶在航行過程中產(chǎn)生的激勵；2）基座；3）雷達桅自身結構設計。桅桿的高度增加會增加雷達桅結構振動風險，同時會導致船舶共振幾率增加，影響航行。本文基于 TRIZ(發(fā)明問題解決理論)的思想和方法對雷達桅結構振動問題展開研究，利用 TRIZ的工具和方法確定結構優(yōu)化方案，以盡量低的振動頻率實現(xiàn)雷達桅的方案設計。

1 TRIZ理論方法和問題處理流程

創(chuàng)新驅動，方法先行。TRIZ理論方法是以Genrich·Altshuller為首的前蘇聯(lián)數(shù)十家科研團隊對上百萬份的專利文獻進行系統(tǒng)地分析和整理，并對其中具有數(shù)以萬計的具有代表性的專利為重點進行歸納和總結，建立了一套以技術系統(tǒng)進化原理為核心的、體系化的、實用性強的解決問題的理論[1]。TRIZ被認為是目前最全面系統(tǒng)地論述發(fā)明創(chuàng)造、實現(xiàn)技術創(chuàng)新的新理論，運用這一理論可以大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進程，進而得到高質量的創(chuàng)新產(chǎn)品[2,3]。Altshuller將TRIZ矛盾問題解決流程分為四個階段。實際問題——TRIZ標準問題——TRIZ標準解決方案——實際解決方案[4]。創(chuàng)新問題解決的過程就是將實際問題轉換表達為一個TRIZ標準問題，然后利用TRIZ標準問題的解轉化成實際的解決方案。

2 應用 TRIZ理論解決雷達桅結構振動題的過程

1）系統(tǒng)功能分析

將雙燃料 VLCC的輕量化設計問題轉化為TRIZ標準問題，該問題的技術系統(tǒng)是雷達桅支撐結構，主要功能是將雷達桅固定在船上，存在的問題是雷達桅支撐結構系統(tǒng)振動過大。在技術系統(tǒng)組件中，系統(tǒng)為雷達桅支撐結構，子系統(tǒng)包括基座、肘板、甲板、甲板下加強，超系統(tǒng)為船體。理清各組件的關系及其在系統(tǒng)中的作用，為后續(xù)的最終理想解法和資源分析提供支持。

2）資源分析

對雷達桅結構系統(tǒng)地進行資源分析，可用資源如表1所示：

表1 資源分析

可利用的派生資源有電場和磁場，提出方案1：引入電磁場，減小基座對于雷達桅結構的作用力，降低局部強度。

3）最終理想解法

雷達桅結構是從羅經(jīng)甲板穿至駕駛甲板，占用了一部分上層建筑，所以雷達桅基座加強需要改變上層建筑結構，通過與雷達桅設計人員和房間布置人員討論后，認為雷達桅基座穿過羅經(jīng)甲板后，不利于通道內的行走，最終理想解是在不改變上層建筑結構的前提下將雷達桅結構固定在甲板上，達到理想解的障礙是雷達桅基座結構形式。因此提出技術方案 2：將雷達桅基座結構形式改為半圓管，代替原來的圓管結構。

雷達桅基座結構會影響船舶局部強度，需要減小其對局部強度的影響，因此提出技術方案：技術方案 3：雷達桅基座結構采用半圓管形式的同時，多增設兩個肘板加強過度；技術方案 4：增加雷達桅基座面積，分散應力。

因雷達桅結構的布置位置對船舶的局部強度會產(chǎn)生較大的影響，因此提出技術方案 5：通過方案對比選取對局部強度影響最小的位置，優(yōu)選雷達桅結構的布置位置。

4）技術矛盾

根據(jù) TRIZ技術矛盾分析方法，將雷達桅結構振動問題中的技術矛盾用 39個通用工程參數(shù)表達，并根據(jù)技術矛盾矩陣查找解決方案。主要技術矛盾如圖1所示。

圖1 技術矛盾分析

確定要解決的技術矛盾為 EC-1，它發(fā)生在（增大了基座與甲板間接觸面積）與（降低了基座的結構強度）之間，發(fā)生在（改進雷達桅基座的形狀）的時候。

確定要解決的技術矛盾為 EC-2，它發(fā)生在（增強了船體對基座的支撐）與（減小了船舶的艙容）之間，發(fā)生在（將基座轉化為船體的一部分）的時候。

確定要解決的技術矛盾為 EC-3，它發(fā)生在（增大了基座與甲板間接觸面積）與（增加了甲板結構的重量）之間，發(fā)生在（改進甲板的形狀）的時候。

改善的參數(shù)包括：26物質的量、11應力/壓強、27可靠性。惡化的參數(shù)包括：8靜止物體的體積、14強度、32可制造性。根據(jù)阿奇舒勒矛盾矩陣表得到對應的創(chuàng)新原理：35物理或化學參數(shù)改變原理、1分割原理、27廉價替代品原理、29其他和液壓結構原理。

根據(jù)創(chuàng)新原理35和29提出技術方案6：雷達桅基座結構選用方管，代替原來的圓管結構，既增加了摩擦力，又保證了上層建筑結構可以對位。

5）物理矛盾

雷達桅基座應該結構完整，以滿足對雷達桅結構強度支撐要求；但是，雷達桅基座占用了一部分上層建筑的地方，根據(jù)空間分離原理提出技術方案 7：設計一種上層建筑結構，圍繞在雷達桅圓管形式基座周圍。

3 技術方案的評價分析與驗證

通過對上述7個技術方案從消除矛盾的程度、是否產(chǎn)生新的危害、成本、復雜性和可行性5個方面進行綜合評價比較，最終技術方案 3：雷達桅基座結構采用半圓管形式的同時，增設四個肘板加強過度的綜合評分最高，通過結構分析軟件Patran對雷達桅結構振動的影響展開研究。

經(jīng)過對比分析確定最終針對雷達桅結構振動問題的設計方案：雷達桅基座采用半圓管結構形式，保證上層建筑結構不改變；在雷達桅基座的半圓面增設四個肘板，均勻分布，減小應力集中影響。

4 結語

本文基于發(fā)明問題解決理論的思想和方法，對雷達桅結構振動問題展開分析，利用系統(tǒng)功能分析、技術矛盾分析等工具提出雷達桅結構優(yōu)化的設計方案，并通過數(shù)值仿真進行驗證。