CAE 及TRIZ 理論在產品設計中的應用

張國富，蘇喚喚

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

0 引言

產品創新設計是產品開發的重要環節，一個優秀的產品設計是企業具有行業競爭力的關鍵。而CAE技術和TRIZ 創新理論是可以幫助設計者獲得創新的理念有利工具，因此，將TRIZ 理論與計算機輔助工程相結合來進行技術創新和產品創新已經成為國內外的研究熱點。

1 CAE 技術簡介

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，并求解工程設計中各部分結構的力學性能，對其進行優化等。CAE技術可以分析靜態和動態結構，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 系統的核心思想是結構的離散化，它的分析過程是將形狀較為復雜的連續體所對應的求解區域逐步的分解為有限個的形狀相對簡單的子區域。運用CAD 創建CAE 的幾何模型及物理模型，輸入所需分析數據。同時也需運用CAD 來形象的輸出CAE 的運算結果，如值線圖，彩色明暗圖，以及動態顯示圖等。

1.3 CAE 軟件及其應用

常見的CAE 軟件有Hyperworks、Pro/ENGINEER、ADINA、Abaqus 等，其中Ansys 是一種很經典的CAE，在國內運用廣泛，特別是在科學研究領域。

隨著CAD 技術的日漸普及，工程技術人員已逐漸將主要精力轉化到如何進行產品優化設計，增強工程結構以及產品質量上來。CAE 成為產品制造業逐步信息化的技術關鍵。

2 產品設計理論的重要作用

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

運用TRIZ 理論發現并解決矛盾是產品設計的關鍵，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 理論及其在產品設計中的應用

TRIZ 理論提供了由39 個矛盾和40 條發明原理所組成的沖突矩陣，并為工程設計人員發現設計問題并解決，提供了一系列系統的理論和方法工具，包括沖突的解決方案、發明原理知識庫、效應知識庫、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

發明原理知識庫的框架如圖1 所示。

圖1 發明原理知識庫框架

效應知識庫的框架如圖2 所示。

圖2 效應知識庫框架

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-場分析等進行解決；有的問題矛盾并不明顯，工程技術人員找不到情況下，則可采用效應知識庫來進行解決。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，開始新一輪的產品設計過程[5]。

4 CAE 在產品設計中的應用

應用創新技術設計出的新產品能否得以實現，能否真正的投入實際的生產和生活中，得到最終的效益，這在工業生產中有重要的意義，CAE 技術是解決這一問題的重要途徑。

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

4.1 初步設計階段

產品設計初期，根據市場對產品結構及功能的需求，完成產品的規劃以及方案的設計。此時，CAE 為設計人員提供有關設計方案的驗證、計算與分析，并為其提供一系列的參考價值。

4.2 詳細設計階段

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

4.3 試驗階段

此階段是產品創新設計的重要環節。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，如某一環節失敗，則需要重新進行設計、重新制造樣機、重新投入試驗，直到試驗成功。這種傳統的試驗過程，既耗時耗力，又浪費財力物力。此時，可以采用CAE 技術進行模擬仿真，必將減少制造試驗樣機的數量以及試驗的次數。通過CAE 仿真試驗，發現設計中存在的問題，及時修改問題設計，大大降低了設計成本。

4.4 制造階段

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

5 結語

CAE 技術可以應用于各種產品設計過程之中，在產品的整個生命周期中發揮著重要作用，給企業帶來巨大的經濟效益。TRIZ 理論為設計人員發現設計中存在的問題并解決問題，提供了一系列系統的理論和方法工具，提高了產品設計的質量和水平。它提供了一種辯證的思維方式，而CAE 技術則將TIRZ 理論獲得的理想解決方案現實化，最終解決矛盾，完成產品的創新設計。