物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法研究及應(yīng)用

陳美蓉，江 帆，黃浩翔，黃海濤，黃玉琴

（廣州大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006）

產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)可以不斷完善產(chǎn)品功能，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。創(chuàng)新方法對(duì)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率、縮短設(shè)計(jì)周期、減低生產(chǎn)成本來(lái)說(shuō)非常重要。近幾十年來(lái)，創(chuàng)新方法的研究得到了眾多學(xué)者的關(guān)注。常用的創(chuàng)新方法有可拓創(chuàng)新方法、發(fā)明問(wèn)題解決理論(Theory of Inventive Problem Solving, TRIZ)、質(zhì)量功能展開(kāi)理論(Quality Function Depployment, QFD)[2]等。其中，可拓創(chuàng)新方法作為我國(guó)的原創(chuàng)創(chuàng)新方法，在創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面應(yīng)用廣泛。李仔浩等[3]將可拓創(chuàng)新方法應(yīng)用到發(fā)電機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，對(duì)發(fā)電機(jī)建立了形式化、定量化的可拓模型，增強(qiáng)了發(fā)電機(jī)開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可操作性；王體春等[4]對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的可拓設(shè)計(jì)模式進(jìn)行了深入分析，提出一種基于可拓本體蘊(yùn)含系的復(fù)雜產(chǎn)品可拓設(shè)計(jì)模型，并具體分析相應(yīng)模型的實(shí)現(xiàn)步驟和算法的實(shí)現(xiàn)框架，最后以水輪機(jī)設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證復(fù)雜產(chǎn)品可拓設(shè)計(jì)的有效性和可行性。唐文艷等[5]根據(jù)使用A4打印機(jī)在A3打印紙打印內(nèi)容的需要和條件的矛盾關(guān)系，對(duì)問(wèn)題建立可拓基元模型，然后以棱形思維為引導(dǎo)，設(shè)計(jì)了折疊紙打印機(jī)。

為了進(jìn)一步提高可拓創(chuàng)新方法解決問(wèn)題的效率，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者深入探討了可拓創(chuàng)新方法與TRIZ理論相融合的方法。李蘇洋等[6]提出了運(yùn)用可拓學(xué)與TRIZ結(jié)合的方法來(lái)解決矛盾問(wèn)題，給出了實(shí)際應(yīng)用案例。江帆等[7-9]從多角度將可拓學(xué)與TRIZ進(jìn)行融合，建立多種問(wèn)題求解模式，并以創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例進(jìn)行可行性驗(yàn)證，擴(kuò)充關(guān)于問(wèn)題的求解路徑。周賢永等[10]以可拓變換方法表述TRIZ的40條發(fā)明原理，為人們尋找發(fā)明原理提供參考依據(jù)。郭恒發(fā)等[11]對(duì)TRIZ和基元建模的融合做進(jìn)一步的細(xì)化研究，提高產(chǎn)品創(chuàng)意方案的生成效率。陳曉菁等[12]將TRIZ理論功能分析系統(tǒng)化、層次化的優(yōu)點(diǎn)和可拓變換方法的可拓展性相融合，提出可拓變換的專利產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。李千靜等[13]將發(fā)散樹(shù)和TRIZ理論的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新(Computer Aided Innovation，CAI)技術(shù)相融合，設(shè)計(jì)了可拓規(guī)避模型，進(jìn)一步豐富了產(chǎn)品的專利規(guī)避設(shè)計(jì)路徑。張文林等[14]將功能分析和基元理論形式化的優(yōu)點(diǎn)相融合，加強(qiáng)對(duì)信息的理解和挖掘。

蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒對(duì)物場(chǎng)分析求解問(wèn)題的方法進(jìn)行總結(jié)，得出了6種一般解法和76種標(biāo)準(zhǔn)解法。但是一般解法和標(biāo)準(zhǔn)解法的描述都比較抽象，在求解中過(guò)度依賴于工程師的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)[15]。而基元模型是可拓創(chuàng)新方法用形式化語(yǔ)言表達(dá)事、物、關(guān)系的模型描述，基元包括事元、物元及關(guān)系元[16]。本文在融合可拓創(chuàng)新方法和TRIZ的基礎(chǔ)上，具體地將物場(chǎng)分析方法用基元模型表示，并對(duì)一般解法基元模型進(jìn)行拓展與變換，建立物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法。應(yīng)用這種方法對(duì)稠油輸送工程中的油水環(huán)狀流的成型元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，證實(shí)物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的可行性。

1 基元與物場(chǎng)分析方法

1.1 基元及其拓展分析與變換

可拓創(chuàng)新方法一般經(jīng)歷建模、拓展、變換和評(píng)價(jià)四步，建模中主要是建立基元模型，包括物元、事元和關(guān)系元等。物元是產(chǎn)品模型化的表示，由對(duì)象、特征、關(guān)于特征的量值三要素構(gòu)成。事元是產(chǎn)品功能的模型化表示，表達(dá)物與物的相互作用，反應(yīng)用戶對(duì)產(chǎn)品功能的需求，由動(dòng)作、動(dòng)作特征、特征的量值三要素構(gòu)成。關(guān)系元是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模型化表示，由關(guān)系詞、關(guān)系特征、特征的量值三要素構(gòu)成。基元的一般表達(dá)式記作

式中：O表示對(duì)象，即物、動(dòng)作或者關(guān)系名，c1，c2，···，cn表示對(duì)象O的n個(gè)特征，v1，v2，···，vn是對(duì)象O關(guān)于特征c1，c2，···，cn相對(duì)應(yīng)的量值。例如，E企業(yè)的目標(biāo)是“用1年的時(shí)間提高10%的市場(chǎng)占有率”，用事元形式化表達(dá)為

特別地，對(duì)于復(fù)雜的描述對(duì)象，需要用物元、事元、關(guān)系元的復(fù)合形式來(lái)表達(dá)，稱這種復(fù)雜的基元為復(fù)合元。如“用100 mL的容器裝紅色的液體”，用物元和事元的復(fù)合形式表達(dá)為

拓展分析用形式化的方法對(duì)基元進(jìn)行拓展，從而得到多種解決問(wèn)題思路。拓展分析方法包括發(fā)散樹(shù)方法、相關(guān)網(wǎng)方法、蘊(yùn)含系方法、分合鏈方法。可拓變換是把一個(gè)對(duì)象變?yōu)榱硪粋€(gè)對(duì)象或者分解為若干對(duì)象?？赏刈儞Q方法包括基本變換、運(yùn)算變換、傳動(dòng)變換、共軛變換。拓展分析是可拓變換的前提[16]。

1.2 物場(chǎng)分析方法

物場(chǎng)分析方法是TRIZ理論中一種問(wèn)題分析的工具[17]。物場(chǎng)分析方法從物質(zhì)和場(chǎng)的角度來(lái)分析和構(gòu)造最小的技術(shù)系統(tǒng)，以語(yǔ)言符號(hào)建立系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)間的相互關(guān)系模型，直觀表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、功能之間的關(guān)系。每個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的出現(xiàn)都是為了實(shí)現(xiàn)某種確定的功能。因此，物場(chǎng)分析方法是建立在現(xiàn)有產(chǎn)品的功能分析基礎(chǔ)上的，在建立現(xiàn)有產(chǎn)品功能模型的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中存在有害作用、不足作用及過(guò)度作用等問(wèn)題，常用的符號(hào)如表1所示。

表1 模型中常用的符號(hào)Table1 Common symbols in the model

通過(guò)對(duì)大量的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)若要發(fā)揮其有用的功能，至少構(gòu)成1種最小的系統(tǒng)模型，這個(gè)最小的系統(tǒng)模型包含了3個(gè)必要的元素：2種物質(zhì)(物質(zhì)S1、S2)和一個(gè)場(chǎng)(F)。在物場(chǎng)分析中以“三角形”的方式對(duì)以上三者的關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，如圖1所示。其中，S1通常表示接受作用的工件，S2表示對(duì)工件S1施加作用的工具。

圖1 基本物場(chǎng)模型Fig.1 Basic substance-field model

物場(chǎng)模型中，物質(zhì)是廣義的物質(zhì)，包括材料、技術(shù)系統(tǒng)或其子系統(tǒng)、外部環(huán)境甚至各種生物，如地球、水、計(jì)算機(jī)等。廣義定義物質(zhì)可以充分展示系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)間和外部因素對(duì)系統(tǒng)的影響。場(chǎng)表示物質(zhì)間的相互作用或效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要手段，在工程技術(shù)中，常將場(chǎng)定義為物理學(xué)中的場(chǎng)，即重力場(chǎng)、電磁場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)、聲場(chǎng)等。

1.3 基于基元的物場(chǎng)模型

對(duì)于物場(chǎng)模型出現(xiàn)的問(wèn)題，TRIZ提供解決問(wèn)題的一般解法有6種，適用于所有物場(chǎng)問(wèn)題。但是一般解法的結(jié)果比較固定，對(duì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的依賴性比較強(qiáng)，問(wèn)題適配性差。林貴杰等[18]結(jié)合黑箱模型提出了物場(chǎng)分析與可拓學(xué)相結(jié)合的概念設(shè)計(jì)模型，增強(qiáng)了物場(chǎng)分析的使用性；但是該模型僅單一地建立了2種物質(zhì)和場(chǎng)之間的事元模型，沒(méi)有具體分析2種物質(zhì)和場(chǎng)三者間的兩兩關(guān)系。為了增強(qiáng)一般解法的可拓性，本文采用基元模型描述物場(chǎng)分析方法，以M1、M2、M3分別表示物質(zhì)S1、S2和場(chǎng)F(需要注意的是，物場(chǎng)模型中物質(zhì)有時(shí)也是一種結(jié)構(gòu)，故M1和M2也可能是結(jié)構(gòu)關(guān)系元R1、R2)，以事元A1、A2、A3分別表示場(chǎng)F和物質(zhì)S1、場(chǎng)F和物質(zhì)S2、S1和S2之間的相互作用，關(guān)系元R表示物質(zhì)S2對(duì)物質(zhì)S1的效應(yīng)關(guān)系，場(chǎng)F以關(guān)聯(lián)媒介形式發(fā)揮作用。這里的事元和關(guān)系元都是復(fù)合元，如圖2所示。

圖2 物場(chǎng)模型的基元描述Fig.2 Elementary description of substance-field model

值得注意的是，關(guān)系元是對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行首次評(píng)價(jià)的基元，其中效應(yīng)程度的量值是評(píng)價(jià)的衡量指標(biāo)，直接判斷系統(tǒng)是否需要改進(jìn)。

對(duì)于一個(gè)完整有效的物場(chǎng)模型，基元模型有

用基元模型具體地描述物場(chǎng)模型中物、場(chǎng)的特征和量值以及各元素間的關(guān)系，使關(guān)于一般解法的模型能夠做進(jìn)一步的拓展與變換，從而擴(kuò)大一般解法關(guān)于問(wèn)題的求解范圍。

2 基元物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的應(yīng)用

2.1 物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的構(gòu)建

物場(chǎng)分析中，基本的物場(chǎng)模型有4類，分別是有效的完整物場(chǎng)模型、不完整模型、效應(yīng)不足模型和有害效應(yīng)模型。有效完整模型是設(shè)計(jì)者所追求的結(jié)果，不需要進(jìn)行改進(jìn)，后三者是技術(shù)系統(tǒng)未能滿足使用功能的問(wèn)題模型，需要對(duì)其進(jìn)行求解。對(duì)于問(wèn)題模型，研究者總結(jié)了6種一般解法，如表2所示。

表2 物場(chǎng)分析的6種一般解法Table2 Six kinds of general solutions about substance-field analysis

以物場(chǎng)效應(yīng)不足模型為例詳細(xì)闡述物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的應(yīng)用。效應(yīng)不足的問(wèn)題模型如圖3所示。技術(shù)系統(tǒng)出現(xiàn)效應(yīng)不足的問(wèn)題，用關(guān)于M2對(duì)M1的復(fù)合事元A3和技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)合關(guān)系元R來(lái)描述。

圖3 效應(yīng)不足模型Fig.3 Insufficient effect model

根據(jù)對(duì)技術(shù)系統(tǒng)效應(yīng)不足問(wèn)題的分析，可能是工具M(jìn)2對(duì)工件M1的作用不足，也可能是場(chǎng)M3的作用效應(yīng)不足。

針對(duì)效應(yīng)不足問(wèn)題，查詢表2，可以選擇一般解法4～6來(lái)求解。這里假設(shè)M1、M2一定時(shí)，功能的不足表現(xiàn)為場(chǎng)的效應(yīng)程度不足，那么需要對(duì)場(chǎng)進(jìn)行求解，故選用一般解法4，即引入場(chǎng)M3′代替原有的場(chǎng)。根據(jù)物場(chǎng)模型元素的相關(guān)性分析，進(jìn)行拓展與變換，M3的量值先實(shí)施主動(dòng)變換得

實(shí)際上，也可以對(duì)M3的對(duì)象或者特征實(shí)施主動(dòng)變換，分析方法與量值實(shí)施的主動(dòng)變換一樣，這里不再展開(kāi)具體分析。根據(jù)傳導(dǎo)變換法則，場(chǎng)M3實(shí)施主動(dòng)變換后將引起復(fù)合事元A1、A2、A3發(fā)生被動(dòng)傳導(dǎo)變換，則有

經(jīng)過(guò)一系列的可拓與變換后，最終得到具體的求解方案。復(fù)合關(guān)系元發(fā)生被動(dòng)傳導(dǎo)變換有

經(jīng)過(guò)上述的求解分析，求解后的有效完整的物場(chǎng)模型如圖4所示。

圖4 求解后的模型Fig.4 Model after solution

實(shí)際使用中，可以將上述過(guò)程視作一個(gè)具體的物場(chǎng)模型的一般解法的拓展與變換的特定規(guī)則(這里是一般解法4的拓展變換規(guī)則，其他解法類似)，直接利用這個(gè)規(guī)則得到待求解系統(tǒng)的一個(gè)解決方案，不需具體重復(fù)這個(gè)過(guò)程。

2.2 求解流程

針對(duì)創(chuàng)新問(wèn)題的求解，設(shè)計(jì)物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的求解流程圖，如圖5所示。具體的流程為：(1) 選取存在問(wèn)題的技術(shù)系統(tǒng)，初步分析當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，縮小問(wèn)題區(qū)域范圍；(2) 對(duì)存在問(wèn)題的區(qū)域進(jìn)行具體描述，并構(gòu)建物場(chǎng)模型，采用基元模型描述物場(chǎng)模型；(3) 判斷上述物場(chǎng)模型的類型，根據(jù)問(wèn)題類型選擇相對(duì)應(yīng)的一般解法；(4) 運(yùn)用選定的一般解法的基元模型進(jìn)行拓展分析和可拓變換，以生成具體的創(chuàng)意或方案；(5) 利用優(yōu)度評(píng)價(jià)法對(duì)生成的創(chuàng)意或解進(jìn)行優(yōu)度評(píng)價(jià)，選擇最優(yōu)創(chuàng)意或解，結(jié)束求解。若所選擇的最優(yōu)創(chuàng)意或解不能改善技術(shù)系統(tǒng)，則需重新判斷物場(chǎng)模型的類型，再求解問(wèn)題。

圖5 問(wèn)題求解流程Fig.5 Problem solving process

3 案例分析

3.1 選取待求解系統(tǒng)

稠油是一種密度大、黏度高、流動(dòng)性差的石油，在輸送的過(guò)程中需要消耗大量的能量才能克服其流動(dòng)流阻。由于水的黏度(1.005 mPa·s)與稠油的黏度(＞50 mPa·s)相差較大，而兩者的密度相近，因此有學(xué)者提出，以環(huán)狀流的流型輸送稠油(水包裹稠油)能減少流動(dòng)摩擦的損失。環(huán)狀流的形成與流動(dòng)，是本文選擇的一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)。

3.2 分析物場(chǎng)模型，確定問(wèn)題

在液體的流動(dòng)中，特別是兩相流或多相流，壓力是驅(qū)動(dòng)流動(dòng)的關(guān)鍵因素，因此，在選擇的技術(shù)系統(tǒng)中，壓力場(chǎng)是發(fā)生效應(yīng)的物理場(chǎng)。環(huán)狀流是特殊的兩相流(由環(huán)狀水相和中心油相組成)流型，僅僅依靠壓力場(chǎng)和普通管道難以在輸送初期形成完整的環(huán)狀流流型。構(gòu)建物場(chǎng)模型如圖6所示，其中，M1是環(huán)狀流S1的物元模型 ，M2是普通管道S2的物元模型，M3是壓力場(chǎng)F的物元模型，A3是管道S2對(duì)環(huán)狀流S1產(chǎn)生作用的復(fù)合事元模型，R是M1和M2效應(yīng)關(guān)系的復(fù)合關(guān)系元模型。

圖6 現(xiàn)有系統(tǒng)的物場(chǎng)模型Fig.6 Substance-field model of existing system

根據(jù)上述分析，將油水環(huán)狀流形成的技術(shù)系統(tǒng)的物場(chǎng)模型，用基元描述為

3.3 選則一般解法

分析當(dāng)前物場(chǎng)模型發(fā)現(xiàn)，普通管道S2無(wú)法快速形成完整的環(huán)狀流S1，故物場(chǎng)模型是效應(yīng)不足模型。查詢表2，選擇一般解法6，即引入第三種物質(zhì)S2′和第二個(gè)場(chǎng)F′替代原有的普通管道S2和壓力場(chǎng)F。

3.4 拓展與變換，生成創(chuàng)意

技術(shù)系統(tǒng)中環(huán)狀流的難以形成與普通管道S2的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，根據(jù)環(huán)狀流水包裹稠油的特點(diǎn)與一般解法6的啟示(即把解法6作為一種拓展變換)，先由普通管道物元M2拓展變換出能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)狀流流型的環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)關(guān)系元R1，包含管道S2與進(jìn)油管S3的連接關(guān)系R2和管道S2與進(jìn)水管S4的連接關(guān)系R3。這個(gè)結(jié)構(gòu)是對(duì)普通管道增加2個(gè)輸入口，使輸入端成“”形。其中，水平輸入口連接進(jìn)油管，2個(gè)垂直輸入口連接進(jìn)水管。為了緩解輸入時(shí)兩種流體的相互沖擊，將進(jìn)油管設(shè)計(jì)為長(zhǎng)管，并伸入至輸送管內(nèi)，此時(shí)，進(jìn)油管的管徑小于普通管道S2的管徑，為水的流動(dòng)提供空間，這樣就構(gòu)成了能夠生成油水環(huán)狀流的環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)關(guān)系元表達(dá)為

式中：

式中：d為輸送管內(nèi)徑。

這種環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)是一種關(guān)于S2在一般解法6拓展變換基礎(chǔ)上的具體結(jié)構(gòu)創(chuàng)意，R1對(duì)應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示的創(chuàng)意N1。

圖7 創(chuàng)意結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of scheme structure

通過(guò)對(duì)連接關(guān)系R2和R3的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水管S4、進(jìn)油管S3、普通管道S2都具有相對(duì)獨(dú)立性，進(jìn)而對(duì)這些獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行第二次可拓變換，以獲得其他創(chuàng)意。

進(jìn)油管S3作為環(huán)狀流中心油相的輸入管，其伸入普通管道內(nèi)的管段形狀對(duì)環(huán)狀流的形成具有重要影響。在環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)R1中，進(jìn)油管S3的物元模型M4的形狀是直管形，繼續(xù)對(duì)物元M4的“形狀”特征進(jìn)行量值發(fā)散分析。

根據(jù)發(fā)散分析，運(yùn)用置換法以M4′、M4′′、M4′′′替換M4，并代入到環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)R1中，得到R1′～R1′′′3種創(chuàng)意(具體表達(dá)式略)，它們的結(jié)構(gòu)如圖7所示的N2～N4。

3.5 創(chuàng)意評(píng)價(jià)

上述4種創(chuàng)意的不同之處是進(jìn)油管的形狀。因此，針對(duì)進(jìn)油管的形狀，對(duì)4種創(chuàng)意進(jìn)行優(yōu)度評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)創(chuàng)意。

1) 首次評(píng)價(jià)

上述4種創(chuàng)意環(huán)隙噴嘴結(jié)構(gòu)都能夠形成水包裹稠油的環(huán)狀流，都能解決原來(lái)的物場(chǎng)模型效應(yīng)不足問(wèn)題，故可繼續(xù)對(duì)4種創(chuàng)意做下一步的優(yōu)度評(píng)價(jià)。

2) 選取衡量指標(biāo)

設(shè)計(jì)的技術(shù)系統(tǒng)是為了實(shí)現(xiàn)油水環(huán)狀流，因此在選擇衡量指標(biāo)時(shí)應(yīng)關(guān)注流型的情況，同時(shí)考慮制造工藝和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)衡量指標(biāo)集為

MI={MI1,MI2,MI3}

式中：M I1=(結(jié)構(gòu)性,X1)；M I2=(制造工藝性,X2)；MI3=(成型穩(wěn)定性,X3)；X1、X2、X3是各衡量指標(biāo)的量值域。

3) 確定權(quán)系數(shù)

分析上述創(chuàng)意結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)狀流成型的影響以及調(diào)查相關(guān)研究資料，對(duì)3個(gè)衡量指標(biāo)的重要程度進(jìn)行權(quán)系數(shù)分配，分別為：α1=0.3，α2=0.3，α3=0.4。

4) 建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算關(guān)聯(lián)度并規(guī)范化

3個(gè)衡量指標(biāo)屬于定性表征，相對(duì)離散，均建立簡(jiǎn)單關(guān)聯(lián)函數(shù)ki(xi)(i=1,2,3)。

設(shè)xij表示創(chuàng)意Nj關(guān)于衡量指標(biāo)MIi的取值，關(guān)聯(lián)度為ki(xij)(j=1,2,3,4)。4種創(chuàng)意中，創(chuàng)意N1的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，取值k1(x11)=1；其次是創(chuàng)意N2和N3，取k1(x12)=0，k1(x13)=0；創(chuàng)意N4的波浪形結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，取k1(x14)=?1。關(guān)于制造工藝性，直管相對(duì)是最容易制造的，取k2(x21)=2，其次是漸擴(kuò)管和漸縮管，取k2(x22,x23)=1，而波浪管的制造最困難，取k2(x24)=?2。一般情況下，稠油的輸入流速會(huì)比水的輸入流速快，環(huán)狀流成型穩(wěn)定性與管道中流體的壓降有關(guān)，直管結(jié)構(gòu)特性相對(duì)一般，取k3(x31)=0。波浪管的結(jié)構(gòu)也能形成環(huán)狀流，但是形成環(huán)狀流初期的稠油會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)，取k3(x34)=?1；漸縮管在形成環(huán)狀流初期，由于稠油的流動(dòng)壓力上升趨勢(shì)大，管道整體壓力呈上升趨勢(shì)，而相同條件下漸擴(kuò)管結(jié)構(gòu)中稠油壓力的下降趨勢(shì)大。因此管道整體壓力呈下降趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)比分析，漸擴(kuò)管結(jié)構(gòu)的壓降會(huì)小于漸縮管的壓降，而壓降越小，越有利于環(huán)狀流的穩(wěn)定成型，取k3(x32) =?1，k3(x33)=2。

根據(jù)規(guī)范關(guān)聯(lián)公式

對(duì)各關(guān)聯(lián)值進(jìn)行規(guī)范化。

5) 優(yōu)度計(jì)算

表3 各創(chuàng)意的優(yōu)度評(píng)價(jià)Table3 Optimization evaluation of each scheme

由計(jì)算所得的優(yōu)度值可知，創(chuàng)意N3的優(yōu)度值最大，后續(xù)可選擇創(chuàng)意N3進(jìn)行細(xì)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通過(guò)仿真分析，創(chuàng)意N3在不同時(shí)間t形成環(huán)狀流的相場(chǎng)云圖如圖8所示。其中，白色區(qū)域?yàn)檫M(jìn)油管的壁厚，灰色區(qū)域?yàn)樗?，黑色區(qū)域?yàn)槌碛拖?，其他顏色代表稠油與水的混合流體。

圖8 創(chuàng)意N3環(huán)狀流形成過(guò)程Fig.8 Formation process of annular flow of N3

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)TRIZ中物場(chǎng)分析的求解模型相對(duì)固定的缺點(diǎn)，結(jié)合基元模型的形式化和可拓性特點(diǎn)，用基元模型對(duì)物場(chǎng)模型的各元素及各元素之間的關(guān)系進(jìn)行具體化、形式化描述，使物場(chǎng)模型的元素具有可拓性，從而擴(kuò)大物場(chǎng)分析方法的求解范圍。

(2) 用基元模型描述物場(chǎng)分析的一般解法，建立了物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的求解流程，為物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

(3) 應(yīng)用物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法設(shè)計(jì)了油水環(huán)狀流噴嘴結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了物場(chǎng)?可拓創(chuàng)新方法指導(dǎo)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性。