基于TRIZ理論的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

冷崇杰，項輝宇 ，閆曉玲

（北京工商大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京 100048）

0 引言

TRIZ是俄文“Theofia Resheneyva Isobretatelskehuh Zadach”的縮寫，含義是發(fā)明問題解決理論，其英文縮寫是TIPS（Theory of Inventive Problem Solving），其研究始于1946年，由蘇聯(lián)發(fā)明家Genrich S. Altshuller和他的團隊（原蘇聯(lián)的大學(xué)、研究所和企業(yè)組成數(shù)百人的研究組織）分析研究了世界近250萬件發(fā)明專利[1-4]，對這些專利進行長期的分析、歸納和提煉，綜合多個學(xué)科領(lǐng)域的原理、法則形成了TRIZ理論體系。其主要功能是研究人類進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理和法則，并將之歸納總結(jié)形成一套能創(chuàng)造出系統(tǒng)性創(chuàng)新與指導(dǎo)設(shè)計者思考方向的方法論和工具體系。

近幾年來，TRIZ理論在家電及其他機電產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用。例如，1997年韓國三星公司引入TRIZ專家對研發(fā)工程師進行培訓(xùn)，2003年在67個項目中運用TRIZ理論，獲得了52項專利，節(jié)省研發(fā)經(jīng)費1.5億美元，正是TRIZ理論的引入，給三星電子帶來了巨大的經(jīng)濟和社會效益。TRIZ理論創(chuàng)新并不只是概念，還有成熟的理論體系、具體的工具和實現(xiàn)方法。本文以洗衣機結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，研究了TRIZ理論在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用。

1 TRIZ方法指導(dǎo)新產(chǎn)品設(shè)計的思路和方法

TRIZ方法論的核心思想是，對于一個具體問題，使用通常的方法不能直接找到此問題的具體解，那么，就將此問題先（通過通用工程參數(shù)或物—場模型描述）轉(zhuǎn)換并表達為一個TRIZ問題，然后利用TRIZ體系中的九大理論和工具進行TRIZ問題的解決，從而獲得TRIZ問題的解，最后將TRIZ問題與具體問題相對照，考慮實際條件的限制，轉(zhuǎn)化為具體問題的解，并在實際設(shè)計中加以實現(xiàn)，最終獲得具體問題的實際解[1]。如圖1所示。

圖1 TRIZ 方法論

就新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計而言，TRIZ為其指出了解決問題的思路和方法，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用TRIZ理論可以更好地解決問題。

2 產(chǎn)品設(shè)計的TRIZ工具體系及路徑

TRIZ理論不僅能找到解決問題的路徑，而且為解決問題找到了通行的方法，為新產(chǎn)品設(shè)計提供了可實現(xiàn)的工具和路徑[2]。表1為TRIZ理論的工具體系表，TRIZ理論工具體系的基本應(yīng)用流程是，對于一個新問題，首先要對問題進行分析，確定出問題模型，針對不同的問題模型選用相應(yīng)的工具，最后提出解決問題的方案模型。如表1所示，TRIZ理論將問題模型分為技術(shù)矛盾、物理矛盾、功能化模型、物場模型幾種類型，對應(yīng)的求解工具是TRIZ理論中的矛盾矩陣、分離原理、知識庫和標準解法系統(tǒng)，采用的解決方案分別對應(yīng)的是TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、知識庫中方案、標準解法。

表1 TRIZ工具體系

2.1 矛盾和39個通用工程參數(shù)

TRIZ理論認為，發(fā)現(xiàn)和消除矛盾是產(chǎn)品進化和發(fā)展的主導(dǎo)力量，解決問題的關(guān)鍵是解決矛盾[3]，而找到矛盾、準確地定義矛盾是解決問題的的前題條件。TRIZ將技術(shù)系統(tǒng)矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾，技術(shù)矛盾是指系統(tǒng)中兩個參數(shù)之間的矛盾，如果改善系統(tǒng)參數(shù)A，將導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)B的惡化；物理矛盾是指系統(tǒng)中一個參數(shù)的矛盾，技術(shù)系統(tǒng)既要求某參數(shù)A的性質(zhì)為正（＋），又要求某參數(shù)A的性質(zhì)為負（－）。

TRIZ理論在250萬發(fā)明專利中總結(jié)提煉出工程領(lǐng)域內(nèi)常用的表述系統(tǒng)性能的39個通用工程參數(shù)，這些通用工程參數(shù)是一些物理、幾何和技術(shù)性能的參數(shù)，它是TRIZ的通用語言，是連接具體問題與TRIZ理論的橋梁，將一個具體問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題需要使用通用工程參數(shù)進行問題的表達，因此，在實際問題中，工程參數(shù)的正確選擇是快速、準確解決問題的首要條件。

2.2 創(chuàng)新原理

不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循共同的規(guī)律，TRIZ理論將這些共同的規(guī)律歸納成51（原來為40條，現(xiàn)發(fā)展為51條）條發(fā)明創(chuàng)造遵循的原理[1]，51條創(chuàng)新原理是TRIZ理論中最主要和最易使用的解決方案，是TRIZ解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵，很多發(fā)明創(chuàng)造問題都可以用51條創(chuàng)新原理來解決。這51條原理本身較為抽象，作為解決具體技術(shù)矛盾的指導(dǎo)方針，還需要進一步轉(zhuǎn)化為具體的解決對策。

2.3 矛盾矩陣

矛盾矩陣是TRIZ理論中最有用的方法，就是為解決技術(shù)矛盾而構(gòu)造的，由39個通用工程參數(shù)和51個創(chuàng)新原理建立矛盾矩陣第一列表示系統(tǒng)欲改善的39個通用技術(shù)參數(shù)，第一行表示惡化的39個通用工程參數(shù)，每行與列對應(yīng)的方格內(nèi)的數(shù)字是創(chuàng)新原理的編號，它提示設(shè)計者最有可能解決問題的探索方向和方法[2]。如表2所示。

矛盾矩陣利用39個通用技術(shù)參數(shù)，組成1500對技術(shù)矛盾描述實際問題，總結(jié)了1200多對技術(shù)矛盾的常用的創(chuàng)新原理。針對每一對技術(shù)矛盾，矛盾矩陣推薦1～4個創(chuàng)新原理。因此矛盾矩陣可以大大提高解決問題的準確率和效率。

表2 TRIZ矛盾矩陣

3 TRIZ理論解決新產(chǎn)品設(shè)計的過程

將特定的問題應(yīng)用39個技術(shù)參數(shù)準確地描述后將問題轉(zhuǎn)化成TRIZ中的矛盾并判斷其矛盾類型（技術(shù)矛盾或物理矛盾），若為技術(shù)矛盾則根據(jù)矛盾矩陣表查找出相應(yīng)的創(chuàng)新原理，將創(chuàng)新原理逐個應(yīng)用到具體問題上，結(jié)合實際工況，確定適合解決問題的創(chuàng)新原理，如圖2所示。

圖2 TRIZ理論解題模式圖

以下結(jié)合洗衣機外箱體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計研究TRIZ理論的應(yīng)用。

4 TRIZ理論在洗衣機結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用

在我國洗衣機30多年的發(fā)展過程中，從單一手工操作的洗衣機到目前的全自動智能模糊控制洗衣機，其控制方式發(fā)生了根本的變化，但是，洗衣機的外箱體結(jié)構(gòu)卻始終未變，在結(jié)構(gòu)上長期以來存在以下問題，現(xiàn)利用TRIZ理論解決該問題。

4.1 提出原始問題

1）洗衣機重量重，相對洗衣空間小，成本較高。

2） 洗衣機外箱體（0.6—0.8mm厚，A3板沖壓噴粉制造而成）受潮腐蝕易損壞，造成洗衣機的壽命大大縮短。

4.2 定義矛盾

將原始問題描述為兩個標準技術(shù)參數(shù)[5]：第一個參數(shù)是洗衣機的重量，第二個參數(shù)是洗衣機的體積，要改善的參數(shù)是洗衣機的重量，惡化的參數(shù)是洗衣機的體積（洗衣空間），根據(jù)TRIZ理論矛盾定義，確定這是一對技術(shù)矛盾。

4.3 根據(jù)矛盾矩陣表確定創(chuàng)新原理

本設(shè)計要改善的參數(shù)是靜止物體的重量，但由此惡化的參數(shù)是靜止物體的體積，根據(jù)矛盾矩陣表查得出5號、14號、2號、35號創(chuàng)新原理有可能解決上述問題，經(jīng)過對以上4個創(chuàng)新原理進行分析，認為用5號和14號創(chuàng)新原理能夠較好地解決問題 ，5號原理的內(nèi)容是：在空間上將相同物體或相關(guān)操作加以組合；14號原理的內(nèi)容是將物體的直線、平面部分用曲線或球面代替。

圖3 改進前箱體與洗衣桶裝配圖

4.4 創(chuàng)新原理應(yīng)用

改進前洗衣機的外部主體結(jié)構(gòu)是由箱體和洗衣桶兩部分組成，洗衣桶安裝在箱體上，箱體起著支撐作用，如圖3所示。

根據(jù)5號“組合、合并”創(chuàng)新原理的指導(dǎo)提示，將箱體和洗衣桶組合合并成一體（如圖4所示），箱體和洗衣桶合并后的組合體要具備箱體支撐和洗衣桶盛水密封等主要功能，經(jīng)過工藝分析，選用PP材料作為組合體材料，通過注塑加工而成。根據(jù)14號“曲面化，曲率增加”創(chuàng)新原理的指導(dǎo)提示，我們設(shè)計的組合體的四面為弧面，四個邊的相交處為圓弧過渡，既增加了組合體的強度又使外形更加美觀。

圖4 改進后箱體與洗衣桶組合體

改變結(jié)構(gòu)后的洗衣機重量減輕（鋼板改用塑料）、相對的體積增大（箱體與洗衣桶間四周間隙沒有了），成本大大降低了（重量減輕，塑料比鋼板價格低，同時取消了箱體沖壓、酸洗、噴粉等一系列工藝過程，節(jié)約了大量的人力和財力），箱體受朝損壞現(xiàn)象不再出現(xiàn)，大大的提高了洗衣機的壽命。

5 結(jié)束語

以上運用TRIZ理論中技術(shù)矛盾、矛盾矩陣與創(chuàng)新原理，通過改進洗衣機箱體與洗衣桶的裝配結(jié)構(gòu)解決了洗衣機存在的問題。事實證明，TRIZ創(chuàng)新理論以其良好的可操作性、系統(tǒng)性和實用性已經(jīng)發(fā)展成為一套解決產(chǎn)品開發(fā)實際問題的較為成熟的理論和方法體系，它的研究與應(yīng)用對我國制造業(yè)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。但是51條創(chuàng)新原理和39個通用技術(shù)參數(shù)并不能完全解決產(chǎn)品設(shè)計中產(chǎn)生的所有矛盾，隨著TRIZ研究的不斷深入，需要人們將設(shè)計過程中獲得的創(chuàng)新原理和技術(shù)特性不斷的補充進去，從而進一步提高矛盾矩陣的成功率；同時將實際工程問題如何準確地描述為TRIZ理論中的標準技術(shù)參數(shù)、能否將技術(shù)參數(shù)進一步細化還需要作進一步深入研究探討。

[1] 楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[2] 張簡一,郭艷玲,楊樹財,王義文.基于TRIZ理論的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J].機械設(shè)計,2009,26(2):35-37.

[3] 胡紅忠,涂歡,趙芳.運用TRIZ理論輔助包裝結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計[J].包裝工程,2008,29(2):128-130.

[4] 呂欣.基于TRIZ理論中39矛盾矩陣與40創(chuàng)新原則的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計研究[J].包裝工程,2009,30(5):211-213.

[5] 閆曉玲,王望龍.基于TRIZ和Pro／Innovator平臺的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J].機床與液壓,2009,37(7):192-195.