基于TRIZ理論的機場消防車頂蓋設(shè)計*

王云鵬，王 都，楊 科

(陜西重型汽車有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

由于機場各種不確定因素的存在，飛行事故也時有發(fā)生，因此都會配置相關(guān)設(shè)施隨時應(yīng)對突發(fā)狀況。機場消防車是指專門用于預(yù)防及撲救飛機火災(zāi)、并對機上乘員予以及時救援、可在車輛行駛中噴射滅火劑的機場專用消防車輛[1]。

消防水炮是消防工作中最常用的滅火裝備之一，不僅可以用于消防車、消防船、海監(jiān)船等移動設(shè)備上，還可以固裝在油罐區(qū)、工業(yè)園、港口碼頭等火災(zāi)高發(fā)區(qū)域。消防水炮的反作用力非常大，并且由于持續(xù)時間長，方向不定，對承載物的承載能力有很大要求。對于機場消防車，消防水炮的承載物，即機場消防車頂蓋，需要承受住大范圍角度的反作用力，故需要在不影響重量的前提下進行創(chuàng)新設(shè)計，增加其承載力，以達到使用需求。

相對傳統(tǒng)創(chuàng)新方法，TRIZ理論(Theory of Inventive Problem Solving)使得創(chuàng)新過程效率提高，能夠幫助預(yù)測產(chǎn)品的發(fā)展角度，具有良好的可推廣性和普適性。筆者以機場消防車頂蓋設(shè)計為例，利用TRIZ理論進行設(shè)計，得出優(yōu)選方案，為機場消防車頂蓋設(shè)計提出具有參考性的設(shè)計方案，并為其他消防工具的創(chuàng)新設(shè)計提供新思路。

1 TRIZ理論和消防車頂蓋設(shè)計

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是前蘇聯(lián)G．S．Altshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員提出的發(fā)明問題解決理論，目標(biāo)就是把創(chuàng)新問題轉(zhuǎn)換為常規(guī)問題，利用前人的經(jīng)驗快速獲得創(chuàng)新問題解決方案。TRIZ理論的幾大經(jīng)典理論體系包括：技術(shù)系統(tǒng)八大進化法則、最終理想解IFR、40個發(fā)明原理、39個工程參數(shù)及矛盾矩陣、物理矛盾和四大分離原理、物一場模型分析、發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問題解決算法ARIZ、科學(xué)效應(yīng)和知識庫。TRIZ理論能夠系統(tǒng)地分析問題，直面問題矛盾所在，并解決它，幫助設(shè)計者突破思維慣性，以新的視角分析并解決問題[2]。圖1為基于TRIZ理論的產(chǎn)品開發(fā)流程。

圖1 基于TRIZ理論的產(chǎn)品開發(fā)流程

1.2 消防車頂蓋方案

基于現(xiàn)有車型及設(shè)計方向，認(rèn)為加強頂蓋強度能夠增加其承載力，但是會增加駕駛室重量。利用TRIZ理論，這種矛盾屬于技術(shù)矛盾，通過查閱TRIZ矛盾矩陣表，得到解決矩陣[3]。對資料進行整理，結(jié)果如表1所列。

表1 消防車頂蓋分析表

查看工程參數(shù)提供的發(fā)明原理，并根據(jù)成本，生產(chǎn)難度等方面進行分析，得出3個設(shè)計方案，如表2所列。

表2 消防車頂蓋分析表

對表2進行分析，并進行概念設(shè)計，得到3個設(shè)計方案，初始方案和設(shè)計方案如圖2～5所示。

圖2 消防車頂蓋初始方案 圖3 消防車頂蓋設(shè)計方案1

圖4 消防車頂蓋設(shè)計方案2 圖5 消防車頂蓋設(shè)計方案3

此圖為目前消防車頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)，后續(xù)方案均在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整。

方案1根據(jù)組合原理，增加組合橫梁，具體為雙層焊接橫梁，焊接螺栓等，增強承受力。

方案2根據(jù)中介原理，對原先較分散的焊點進行重新布置，同時對薄弱地方進行增加焊點密度處理。

方案3根據(jù)多孔材料原理和組合原理，在前橫梁表面焊接一個多孔橫梁，在盡減輕重量的前提下增加強度。

2 仿真結(jié)果分析

使用軟件HyperMesh進行分析，按照水炮噴射方向，載荷共有9種，載荷大小為4500 N，為水炮反作用力平均值的1.5倍，方向與噴射方向相反。載荷投影與x軸夾角分別為180°，90°，7.5°，噴射仰角分別為-45°，0°，70°，按照噴射方向?qū)⒐r標(biāo)記為：180_-45，180_0，180_70，90_-45，90_0，90_70，7.5_-45，7.5_0，7.5_70，如圖6所示[4]。

圖6 消防水炮載荷

對三個方案進行90_-45工況對比，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 方案1仿真結(jié)果 圖8 方案2仿真結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，方案1，2，3，90_-45工況下最小靜態(tài)安全因子如表3所列。

表3 90_-45工況下最小靜態(tài)安全因子

圖9 方案3仿真結(jié)果

由表3可得，只有方案3在此工況下最小靜態(tài)安全因子大于1，故初步選用方案3，并對其在各個工況下進行分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 方案3在不同工況下的仿真結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果，方案3在不同工況下最小靜態(tài)安全因子如表4所示。

表4 方案3各工況最小靜態(tài)安全因子

結(jié)論：方案3在各工況下最小靜態(tài)安全因子均大于1，滿足設(shè)計要求。

3 結(jié) 語

以機場消防車頂蓋設(shè)計為例，應(yīng)用了TRIZ理論進行了產(chǎn)品方案的設(shè)計，通過對設(shè)計方案進行多工況仿真分析，驗證實驗方案的可行性。TRIZ理論可以幫助設(shè)計師很好地進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計和改良，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的高效創(chuàng)新和改良，并以高效的方式解決實際應(yīng)用問題。