TRIZ理論應(yīng)用于氣墊船創(chuàng)新設(shè)計的探索

徐國華 黃景明 羅永城 馮英

摘 要：本文對TRIZ理論的核心和解決發(fā)明問題的過程進(jìn)行了簡單介紹，對TRIZ理論在氣墊船創(chuàng)新設(shè)計過程中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，應(yīng)用該理論中的矛盾矩陣和76個標(biāo)準(zhǔn)解等工具快速有效地找到困擾氣墊船技術(shù)發(fā)展難題的解決方案，采用氣墊分體設(shè)計和平衡陀螺感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)氣墊船在高速行駛中的靈活轉(zhuǎn)向避讓、緊急剎停及自動調(diào)節(jié)船體壓力平衡，提高了氣墊船的安全性能和市場競爭力，同時也說明了TRIZ對氣墊船的創(chuàng)新設(shè)計工作有很大的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：TRIZ 氣墊船 創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：TH11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0070-03

Abstract： This paper briefly introduces the core of TRIZ and the process of solving the problem of inventions， and explores the application of TRIZ in the innovation design process of hovercraft， by using the contradiction matrix and 76 standard solutions in this theory， the solutions to the problems of the technology development of the hovercraft are quickly and effectively found，the air cushion separation design and balance gyro sensor technology are adopted to realize the flexibility of the hovercraft in the high-speed driving， emergency stop and automatic adjustment of hull pressure balance， improve safety performance and market competitiveness of the hovercraft， and also explains the innovation design of TRIZ on the hovercraft has a great role in promoting.

Key Words： TRIZ；Hovercraft；Innovative design

1 氣墊船的傳統(tǒng)方案及設(shè)計需求

1.1 氣墊船的傳統(tǒng)方案

氣墊船[1-3]又叫“騰空船”，是一種以空氣在船只底部襯墊承托的氣墊交通工具，主要用于水上航行和冰上行駛，還可以在某些比較平滑的陸上地形和浮碼頭登陸（見圖1）。氣墊船是高速船的一種，行走時因為船身升離水面，船體水阻減少，所以航行速度比同樣功率的船只快；也可用非常緩慢的速度行駛，在水面上懸停。目前，氣墊船類型日益增多，應(yīng)用日益廣泛，多用作高速短途客運、休閑旅游、執(zhí)勤巡邏、救援搶險、商業(yè)、勘察測量、軍事等方面的交通工具，要求在水上活動期間具有良好的靈活操縱性和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的氣墊船由裙圍、氣墊、控制系統(tǒng)、發(fā)動機、推進(jìn)風(fēng)扇和墊升風(fēng)扇等組成。其工作原理如圖2所示，是利用大功率鼓風(fēng)機將空氣壓入船底下在船底和水面（或地面）間形成氣墊，使船體墊起離開水面（或地面），再利用船底周圍柔性的裙圍或剛性的側(cè)壁把氣體圍住，限制在船底，防止逸出。啟動發(fā)動機（輕型柴油機或燃?xì)廨啓C），用墊升風(fēng)扇將氣墊升起，推進(jìn)風(fēng)扇推進(jìn)，航速可達(dá)20～90節(jié)，從而實現(xiàn)高速航行。航行中，通過操縱控制系統(tǒng)改變風(fēng)扇后面的垂直舵產(chǎn)生風(fēng)扇舵效應(yīng)使氣墊船轉(zhuǎn)向，也可以通過體重控制位移來實現(xiàn)。

1.2 氣墊船的設(shè)計需求

現(xiàn)有技術(shù)中的氣墊船，沒有剎停系統(tǒng)，在較小范圍水域使用或者水域存在不顯眼障礙物或突然出現(xiàn)障礙物時，常發(fā)生剎停不及時，與障礙物發(fā)生碰撞；并且氣墊為一個整體，船上的人分布分散，船體受力不均衡或者船體存在非靜態(tài)受力時，常發(fā)生傾斜，甚至側(cè)翻。

目前解決剎停問題主要是從增加阻力板等方面考慮，解決翻船問題主要是從限定負(fù)載的位置等方面考慮，這些方案能夠有效減少問題的發(fā)生，卻不能徹底解決問題。需要一種具有更加可靠、可以快速停止前進(jìn)的剎停系統(tǒng)和船體受力均衡的氣墊船。

2 TRIZ理論簡介

TRIZ理論[4-7]是蘇聯(lián)軍方技術(shù)員根里奇·阿奇舒勒（GenrikhAltshuller）與蘇聯(lián)的科學(xué)家們一起，經(jīng)過50多年對數(shù)以百萬計的專利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識進(jìn)行研究、整理和歸納，最終建立起一整套系統(tǒng)化的、實用的、解決發(fā)明問題的理論和方法體系。經(jīng)過70多年的不斷發(fā)展，這一方法學(xué)體系在實踐中不斷完善，已取得良好的應(yīng)用成果和巨大的經(jīng)濟效益。

TRIZ理論的核心是技術(shù)進(jìn)化原理。按這一原理，技術(shù)系統(tǒng)一直處于進(jìn)化之中，解決沖突是其進(jìn)化的推動力。進(jìn)化速度隨技術(shù)系統(tǒng)一般沖突的解決而降低，使其產(chǎn)生突變的唯一方法是解決阻礙其進(jìn)化的深層次沖突。在利用TRIZ解決問題的過程中，設(shè)計者首先將待設(shè)計的產(chǎn)品表達(dá)成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如矛盾矩陣、76個標(biāo)準(zhǔn)解、ARIZ、AFD、物質(zhì)-場分析、ISQ、DE、8種演化類型、科學(xué)效應(yīng)、40個創(chuàng)新原理、39個工程技術(shù)特性、物理學(xué)、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理知識庫等，求出該TRIZ問題的普適解或稱模擬解（Analogous solution）；最后設(shè)計者再把該解轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域的解或特解。

本文將應(yīng)用TRIZ理論把氣墊船的技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，然后利用TRIZ工具探索解決阻礙氣墊船技術(shù)進(jìn)步的方案，推動氣墊船技術(shù)的發(fā)展。

3 基于TRIZ理論的氣墊船創(chuàng)新設(shè)計

3.1 系統(tǒng)分析

對所要研究的技術(shù)系統(tǒng)（氣墊船）構(gòu)建一個系統(tǒng)分析模型（如圖3所示），進(jìn)一步分析技術(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)功能運作的相關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)、超系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，揭示問題產(chǎn)生的原因，明確系統(tǒng)改進(jìn)方向。

從上述氣墊船系統(tǒng)分析模型圖中可知，推進(jìn)風(fēng)扇產(chǎn)生的前進(jìn)氣流作用在船體上，從而推動船體高速前進(jìn)，當(dāng)推力取消時，船體仍具有前進(jìn)“慣性”，當(dāng)裙圍與水接觸時，水對裙圍存在阻力作用，阻力間接作用于船體，消減船體慣性，前進(jìn)速度逐漸降低；由于阻力是裙圍與水產(chǎn)生的作用力，一般情況下是恒定的，當(dāng)船體需要急速剎停時，慣性力遠(yuǎn)大于阻力，進(jìn)而造成船體繼續(xù)前進(jìn)，發(fā)生碰撞現(xiàn)象；人和船體之間存在一對作用力和反作用力，人對船體有壓力，船體對人提供支撐力，而船體的支撐力又是來自裙圍、墊升氣流的共同作用，裙圍和墊升氣流對船體的支撐力是均衡的，當(dāng)船體受到人的壓力，分布不均，打破力學(xué)平衡時，則容易發(fā)生翻船，因此，著重從船體前沖慣性和負(fù)載分布兩個方面進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。

3.2 解決方案

（1）改善船體前沖慣性的解決方案。

問題中，在不使用剎停系統(tǒng)的情況下，前沖慣性使船體保持著較大的前進(jìn)速度。在船體上引入剎停系統(tǒng)后，可以改善船體的速度從而避免碰撞發(fā)生，但是剎停系統(tǒng)的引入會增加船體的重量，使得船體的前沖慣性更大。由上述分析可知，剎停系統(tǒng)改善了船體的速度，但惡化了船體的重量，因此，問題中存在一對技術(shù)矛盾：改善的工程參數(shù)為9速度，惡化的工程參數(shù)為1運動物體的重量。通過查找矛盾矩陣表（如表1所示）得到相應(yīng)的創(chuàng)新原理：2抽取原理；28機械系統(tǒng)替代原理；13反向作用原理；38強氧化劑原理。

應(yīng)用抽取原理和反向作用原理，得到如下的解決方案。

根據(jù)抽取原理“從物體中抽出必要的部分或?qū)傩浴钡玫絾l(fā)形成方案1，可通過限定或者降低船體的前進(jìn)速度（即降低動力功率）、將船體部分金屬構(gòu)件換成輕質(zhì)材料構(gòu)件等方式減輕船體的重量，進(jìn)而減小船體的前沖慣性，解決船體剎停不及時發(fā)生碰撞的問題。

根據(jù)反向作用原理“用相反的動作，代替問題定義中所規(guī)定的動作”得到啟發(fā)形成方案2，通過增加一個產(chǎn)生由前向后作用力的裝置或系統(tǒng)，主動抵消船體的前沖慣性，解決船體剎停不及時發(fā)生碰撞的問題。

（2）改善負(fù)載分布不均的解決方案。

運輸時，人對于船有壓力，壓力不均勻會翻船，為防止翻船需要引入一個力場抵消負(fù)載對船產(chǎn)生的有害作用，采用物質(zhì)-場分析方法構(gòu)建人與船之間的問題模型（如圖4所示），查找76個標(biāo)準(zhǔn)解法得到解決方案模型（如圖5所示）。

根據(jù)解決方案模型得到方案3，可以對產(chǎn)生墊升氣流的墊升風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過引入一個結(jié)構(gòu)力場對船體承受的不均衡壓力進(jìn)行結(jié)構(gòu)補強，使系統(tǒng)能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)從而消除或降低人對船體壓力不平衡的有害作用。

結(jié)合上述3個方案的優(yōu)點得到最終解決方案（如圖6所示），將現(xiàn)有的一體設(shè)計的氣墊分割為4個相等的小氣墊均勻分布在船體的四個角落，并且在船體前面的兩個氣墊分別設(shè)置開口向前的剎停噴氣口，產(chǎn)生剎停阻力，主動抵消船體的前沖慣性，及時剎停氣墊船，避免發(fā)生碰撞事故；在船體上還增加了一個平衡陀螺，平衡陀螺與四個氣墊的控制系統(tǒng)相連，當(dāng)船體產(chǎn)生側(cè)翻的傾向時，平衡陀螺將向控制系統(tǒng)發(fā)出信息，控制系統(tǒng)控制相應(yīng)的氣墊的工作功率，產(chǎn)生更大的墊升支撐力，保持船體的受力平衡，避免側(cè)翻。

4 結(jié)語

通過TRIZ理論對氣墊船進(jìn)行系統(tǒng)分析，將氣墊船的技術(shù)問題轉(zhuǎn)化為TRIZ問題，利用TRIZ工具得到3個解決方案，并綜合各個方案的優(yōu)點形成最終解決方案，采用氣墊分體設(shè)計和平衡陀螺感應(yīng)技術(shù)，設(shè)計剎停噴氣口和轉(zhuǎn)向噴氣口，有效提高了氣墊船的靈活操作性能，解決了容易碰撞、翻船等困擾氣墊船發(fā)展多年的技術(shù)難題，生產(chǎn)成本基本沒有增加，進(jìn)一步提升了氣墊船的市場競爭力，市場前景看好，還可以有效解決氣墊船側(cè)翻的問題，提高氣墊船的安全性和穩(wěn)定性，對保障人民生命財產(chǎn)安全有著重要意義。

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