CAE 及TRIZ 理論在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

張國富，蘇喚喚

（1.山東工業(yè)技師學(xué)院組織人事處，山東 濰坊 261053；2.濰坊學(xué)院機械與自動化學(xué)院，山東 濰坊 261061）

0 引言

產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，一個優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計是企業(yè)具有行業(yè)競爭力的關(guān)鍵。而CAE技術(shù)和TRIZ 創(chuàng)新理論是可以幫助設(shè)計者獲得創(chuàng)新的理念有利工具，因此，將TRIZ 理論與計算機輔助工程相結(jié)合來進行技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱點。

1 CAE 技術(shù)簡介

1.1 CAE 定義

CAE（Computer Aided Engineering）是計算機輔助工程的簡稱，是用計算機來輔助分析，并求解工程設(shè)計中各部分結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，對其進行優(yōu)化等。CAE技術(shù)可以分析靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)，研究線性和非線性問題，以及固體、流體、電磁分析等[1]。

1.2 CAE 求解過程

CAE 系統(tǒng)的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，它的分析過程是將形狀較為復(fù)雜的連續(xù)體所對應(yīng)的求解區(qū)域逐步的分解為有限個的形狀相對簡單的子區(qū)域。運用CAD 創(chuàng)建CAE 的幾何模型及物理模型，輸入所需分析數(shù)據(jù)。同時也需運用CAD 來形象的輸出CAE 的運算結(jié)果，如值線圖，彩色明暗圖，以及動態(tài)顯示圖等。

1.3 CAE 軟件及其應(yīng)用

常見的CAE 軟件有Hyperworks、Pro/ENGINEER、ADINA、Abaqus 等，其中Ansys 是一種很經(jīng)典的CAE，在國內(nèi)運用廣泛，特別是在科學(xué)研究領(lǐng)域。

隨著CAD 技術(shù)的日漸普及，工程技術(shù)人員已逐漸將主要精力轉(zhuǎn)化到如何進行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，增強工程結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品質(zhì)量上來。CAE 成為產(chǎn)品制造業(yè)逐步信息化的技術(shù)關(guān)鍵。

2 產(chǎn)品設(shè)計理論的重要作用

產(chǎn)品設(shè)計是從市場的需求開始，直到獲得產(chǎn)品的設(shè)計解，此項工作是需要多種專業(yè)的理論知識和豐富的經(jīng)驗相結(jié)合來完成[2]。產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計就是要解決發(fā)明過程中遇到的問題，至少要解決一個設(shè)計沖突，用戶的需求是來進行產(chǎn)品設(shè)計的最初構(gòu)思想法；根據(jù)用戶的需求來進行產(chǎn)品的功能分析，并建立好功能模型，發(fā)現(xiàn)存在的沖突；利用分離原理、40 條發(fā)明原理、標準解以及效應(yīng)知識庫等工具來解決沖突，得到發(fā)明問題的原理解；創(chuàng)新設(shè)計的關(guān)鍵就是解決此類問題[3]。

運用TRIZ 理論發(fā)現(xiàn)并解決矛盾是產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵，而如何找到矛盾，并能夠準確地定義矛盾具有重要意義。

3 TRIZ 理論及其在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

TRIZ 理論提供了由39 個矛盾和40 條發(fā)明原理所組成的沖突矩陣，并為工程設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題并解決，提供了一系列系統(tǒng)的理論和方法工具，包括沖突的解決方案、發(fā)明原理知識庫、效應(yīng)知識庫、可用資源知識庫等。沖突的解決方案如表1 所示[4]。

表1 沖突解決方案

發(fā)明原理知識庫的框架如圖1 所示。

圖1 發(fā)明原理知識庫框架

效應(yīng)知識庫的框架如圖2 所示。

圖2 效應(yīng)知識庫框架

可用資源信息樹如圖3 所示。

圖3 可用資源信息樹

TRIZ 理論分析和解決問題是有一定的過程。首先，要對設(shè)計中的問題來進行準確的定義。有些問題可能不太明顯，針對此類問題，可以采用理想解的方法來定義問題。其次，進行問題分析，找出問題的矛盾點。遇到矛盾比較明顯的，則可運用沖突矩陣、物質(zhì)-場分析等進行解決；有的問題矛盾并不明顯，工程技術(shù)人員找不到情況下，則可采用效應(yīng)知識庫來進行解決。最后，完成評價與反饋，如果獲得了滿意的解決方法，則表示獲得是最終解，可以將最終解進行應(yīng)用實施；如果沒有獲得滿意的方案，則可以對問題進行重新分析，開始新一輪的產(chǎn)品設(shè)計過程[5]。

4 CAE 在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)設(shè)計出的新產(chǎn)品能否得以實現(xiàn)，能否真正的投入實際的生產(chǎn)和生活中，得到最終的效益，這在工業(yè)生產(chǎn)中有重要的意義，CAE 技術(shù)是解決這一問題的重要途徑。

每一個產(chǎn)品從設(shè)計初期，到技術(shù)設(shè)計階段，再到詳細設(shè)計階段，甚至到報廢階段，都是一個完整的生命周期。CAE 在整個產(chǎn)品周期的各個階段都具有重要的意義[6]。

4.1 初步設(shè)計階段

產(chǎn)品設(shè)計初期，根據(jù)市場對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及功能的需求，完成產(chǎn)品的規(guī)劃以及方案的設(shè)計。此時，CAE 為設(shè)計人員提供有關(guān)設(shè)計方案的驗證、計算與分析，并為其提供一系列的參考價值。

4.2 詳細設(shè)計階段

在這個階段，整個產(chǎn)品設(shè)計被全部打開，并細化，大到系統(tǒng)的設(shè)計以及部件的裝配，小到各個子部件的裝配、以及小零件的設(shè)計，甚至到所用的材料以及產(chǎn)品制造工藝等等。此時，CAE 技術(shù)就是通過仿真技術(shù)來驗證各個零部件的預(yù)期性能以及制造的可行性；為達到設(shè)計要求，應(yīng)采用何種加工設(shè)備；如何簡化工裝以及工藝流程步驟等。

4.3 試驗階段

此階段是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。為了更好地進行實驗，以往都是先制造樣機，在試驗的過程中，如某一環(huán)節(jié)失敗，則需要重新進行設(shè)計、重新制造樣機、重新投入試驗，直到試驗成功。這種傳統(tǒng)的試驗過程，既耗時耗力，又浪費財力物力。此時，可以采用CAE 技術(shù)進行模擬仿真，必將減少制造試驗樣機的數(shù)量以及試驗的次數(shù)。通過CAE 仿真試驗，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，及時修改問題設(shè)計，大大降低了設(shè)計成本。

4.4 制造階段

此階段是產(chǎn)品投入實際制造生產(chǎn)的階段。通過CAE 技術(shù)可以進一步確認并優(yōu)化產(chǎn)品制造的工藝步驟，可以對加工過程出現(xiàn)的錯誤進行運算，隨時進行圖紙的修改，從而降低廢料及廢品率。

5 結(jié)語

CAE 技術(shù)可以應(yīng)用于各種產(chǎn)品設(shè)計過程之中，在產(chǎn)品的整個生命周期中發(fā)揮著重要作用，給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。TRIZ 理論為設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題并解決問題，提供了一系列系統(tǒng)的理論和方法工具，提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量和水平。它提供了一種辯證的思維方式，而CAE 技術(shù)則將TIRZ 理論獲得的理想解決方案現(xiàn)實化，最終解決矛盾，完成產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。