TRIZ发明问题解决理论物质－场分析.ppt

产品创新设计原理第六讲 物质 场分析 时间 90分钟目的 1 掌握物质 场模型的构建方法2 掌握物质 场模型分析系统的方法 课程大纲 一 物质 场的概念二 基于物质 场的物理效应建模三 典型的物质 场变换 标准解 在物质 场中如何增加新物质 如何在物质 场中引入场 Altshuller认为 所有的功能都可以分解为两种物质和一种场 即一种功能由两种物质及一种场三个要素组成 分别是目标 工具和场 产品是功能的一种实现 因此 可用物质 场 Substance Field Su Field 分析产品的功能 把已有技术系统的问题模型化 这种方法是TRIZ最重要的分析工具之一 引言 物质 S 是指各种复杂级别的物体的通用称谓 有可能是单一的元件 如螺栓 销 杯子 也可能指复杂的系统 汽车 航空器 或者大型计算机主机 物质的状态典型的物理状态 如真空态 等离子态 气态 液态 固态 大量的中间态和混合态 比如烟雾 泡沫 粉末 凝胶 气溶胶 沸石 这些状态的物质有各自特性 如热学 电学 磁学 光学以及其他特性 热绝缘 半导体 铁磁性 发光体等等 1 什么是物质 完成某个过程的作用或形式称作场 场 F 在TRIZ中包括 物理场 电磁场 重力场 强相互作用 弱相互作用 还有光学场 化学场 声学场等 TRIZ的场提供能量流 信息流 力 相互作用或产生某种效果的反作用 场的存在必须依赖于某种物质的存在 物质是场的来源 2 什么是场 3 最小技术系统 物质 场模型 TRIZ中最小的具有机能 可控的技术系统的图形表现就称为物质 场模型 Su FieldModel 两种物质 一种能量及其相互作用可以完成单一功能 所以构成一个最小技术系统 在TRIZ中称为 物质 场 S1表示物质 S2表示工具 表示能量 两种物质S1及S2 一种场 所构成的系统称为物质 场 其模型如图所示 物质 场分析过程的符号系统如表所示 4 物质与场之间的相互作用 物质之间的相互作用通过场进行 与 可以相同或不同 相同时 可以去掉 例 Finput输入场Fcontrol控制场Foutput输出场Substance s 物质 组 P参数 如形状 维数 空间等 二 基于物质 场的物理效应建模 1 热膨胀的物质 场模型 物质的输入为热量 输出为力及物质的形状 二 基于物质 场的物理效应建模 2 压电效应物质 场模型 压电晶体在受到压力的作用下产生电压 二 基于物质 场的物理效应建模 3 效应链 将单一效应组合 可以形成效应链 二 基于物质 场的物理效应建模 4 物理效应物质 场模型的应用例 微调节注射泵是在生物体内注入或提取微量液体的装置 由针头 柱塞 容器构成 柱塞的移动借助于手工或电驱动装置完成 现代微调节注射泵的精度可达到 0 01 L 二 基于物质 场的物理效应建模 步骤1 确定物质S1 被移动的液体 S1liquid步骤2 确认S1如何被改变 S1liquid被移出容器 步骤3 确认导致该变化的F1 机械场 力 F1mechanical可以导致该变化 步骤4 这种场存在吗 假定不存在 转步骤5 二 基于物质 场的物理效应建模 步骤5 确认能产生F1mechanical的F2 S2 1 热膨胀效应 Fthermal Ssolidorliquid 2 压电效应 Felectrical Spiezoceramics 3 磁弹性效应 Fmagnetic Sferromagnetic步骤6 产生概念Fthermal Ssolidorliquid 加热固体或液体 产生膨胀 使液体移动 Felectrical Spiezoceramics 电场中的压电晶体膨胀 使液体移动 Fmagnetic Sferromagnetic 磁场中的磁弹性材料膨胀 使液体移动 二 基于物质 场的物理效应建模 技术系统可以用物质 场模型描述 典型的模型如图所示 假如待改进的系统建立了物质 场模型 将该物质 场模型传递到新状态的方法称为标准解 初始物质 场模型为ISM 需要的物质 场模型为DSM 其过程如图 3 1完善具有不完整功能的系统 标准解1 1 1 例 金属扎制的过程中其变形区需要润滑液润滑 3 1完善具有不完整功能的系统 标准解1 1 1 通常液体润滑液通过刷子及喷雾装置施加到变形区域 问题 润滑液不均匀 润滑液粘满棍子 浪费很多 分析 实现功能 将所需要量的润滑液施加到变形区域 现状 采用压力实现润滑液的流动 原因 没有合适的工具 F1pressure为压力S1lubricant为物质 3 1完善具有不完整功能的系统 标准解1 1 1 按标准解1 1 1要引入F2 S2 施加机械作用于S1 lubricant 上 如图所示 要引入S2 由S2施加S1 但S2不能干扰扎制过程 即 S2在变形区施加S1的同时 要消失 F2最好采用系统可用资源 扎制过程中的机械场及热场是可用资源 3 1完善具有不完整功能的系统 标准解1 1 1 解 充满润滑液的纸被进给到辊子与金属带之间 纸在高温下燃烧 在扎制区均匀留下润滑液 3 1完善具有不完整功能的系统 标准解1 1 1 3 2消除物质 场中的有害作用 a 当完整场模型中两种物质之间有用及有害作用同时存在 为了保持有用作用 消除有害作用 通常的方法是引入一种新物质 将原来两物质隔离 例 需要数千张厚度为0 01毫米的圆形铝盘在车床上车削加工 问题 加工中铝盘出现弯曲 变形 及边缘撕裂等问题 3 2消除物质 场中的有害作用 分析 S2与S1之间的有用与有害作用同时存在 可以引入S3使S1强度足以完成切削加工 3 2消除物质 场中的有害作用 解 将一打铝盘置于水中 使其结冰 冰坨使铝盘可以加工 如图所示 3 2消除物质 场中的有害作用 b 与上一个方法类似 但不允许引入新物质 引入的第三种物质是S1或S2的变形S3 3 2消除物质 场中的有害作用 为了增加S3的可控性 需要增加一个辅助功能 3 2消除物质 场中的有害作用 例 管路运送钢珠 3 2消除物质 场中的有害作用 c 假如两种物质间的有用及有害作用同时存在 两种物质又必须直接接触 有用作用由F1提供 则采用F2中性化有害作用 3 2消除物质 场中的有害作用 例 通风机械工作在充满蒸汽与液滴的环境中 问题 直径相对较大的液滴 直径为50 800 m 与高速旋转叶片撞击 使其受到侵蚀 影响其工作 3 2消除物质 场中的有害作用 分析 如果直接在叶片上形成冰的保护层则效果很差 F2的任务是不使叶片与水滴接触 3 2消除物质 场中的有害作用 解 采用电晕放电原理 使水滴及叶片均带电 但相斥 从而使水滴不与叶片接触 3 2消除物质 场中的有害作用 检测与测量的问题通常涉及到对某种物质的检测与测量 按物质 场的观点分析 有图中的几种情况 3 3检测与测量 a 假如一个系统中的某个问题需要检测与测量 改变系统 使之不再需要 例 电烙铁经常用于昂贵电路板的补焊与维修 为了避免对元器件及电路板本身的伤害 电烙铁头部的温度应控制在允许使用范围内的最低温度 通常 技术将温度调整到高于最低使用温度的范围 这增加了电路板过热的危险 采用自动控制 将增加系统的复杂性与成本 3 3检测与测量 分析 如果一个系统需要精确的温度控制 最好采用某种物质 该物质将温度维持在该温度范围内 为了实现上述目标 利用 居里点 是一种自然的选择 在该点之上 铁磁物质失去磁性 3 3检测与测量 解 电烙铁头部设计成一个模块 铜棒周围覆盖一层铁镍合金 线圈中的交变电流产生高频交变磁场 在铁镍合金中诱发旋涡型电流 产生热量 并加热铜棒 头部 当铁镍合金中的温度到达居里点时 合金对磁场不敏感 温度不再增加 当温度降低到居里点以内时 材料对磁场敏感 温度增加 因此可以保持电烙铁头部温度保持在 1 改变铁镍合金 可以改变温度 3 3检测与测量 b 假如检测一个非完整物质 场中的某个元素是困难的 使其完整 并将一个场作为输出 例 电冰箱冷却管路的检测需要一个简单 方便 低成本 可靠的方法 3 3检测与测量 分析 泄露的液滴为S1 其ISM是不完整模型 应增加S2 它与Foptical作用 使S1可见 或转换另一种场 使其变成Foptical 3 3检测与测量 解 1 管路外表面涂上一层漆 如果有泄露 漆表面会鼓包 并可以观察到 2 荧光可以将紫外线辐射转换成可见光 在电冰箱的管路系统空间中临时放如荧光源 使泄露处显现 3 3检测与测量 物质 场分析的概念之一是使不完整的物质场变得完整 这通常会增加系统的复杂性 还可能导致不希望的技术效果 解决基本思想是 引入物质或场 又不引入物质或场 标准解5 1 1假如需要引入一种物质 因为要求或条件所限不能引入该物质 可采用间接方法 1 采用系统所处环境中的物质 2 采用虚无物质 发泡 多孔 空气 缝隙等 例 制造光学清晰液体的过程要检测其杂质 假如样品中的杂质超标 样品所在的母体要重新处理 杂质是无磁性的小颗粒 在制造的不同阶段进入液体 好的检测方法是光学法 激光扫描样品 通过颗粒反射 记录颗粒数 问题 当颗粒的直径较小时 如小于580nm 颗粒不能被反射 需要发明新的检测方法与仪器 物质 场分析 在初始的物质 场中 微小粒子S1不能被场F1检测到 第2种物质S2应引入 附加到S1 S2将F1转变为可反射的光F1 S2应能满足三种主要需求 1 S2应足够大 以放射光线 2 S2应足够粘 能附着在S1上 3 S2不能污染被测清洗液体 解 气泡用于检测粒子 加热作为样品的液体 在粒子周围的液体首先沸腾 并产生气泡 气泡很快长大 容易检测到 应用已有物质的变形 或其中的部分作为工具 以解决问题 1 及 2 比较容易满足 但 3 比较困难 理想的方法S2应是S1的一种变形 标准解5 2 3假如系统内部及外部已存在的场均不能被采用 而某种场的承载物质或资源在系统中或环境中已存在 可以采用该场 例 一种滑动轴承 通常采用热传感器测量轴承的温度 温度升高过快预示着轴承所承载机构的可能发生事故 升温过快时 传感器送出电信号 该信号控制一快速关断子系统开关 使机构停止运转 确保安全 问题 热量需经过一个传递路径到达传感器 这段时间延迟可能导致事故的发生 因此 需要设计一种新原理检测系统 物质 场分析 下图是ISM及DSM 其中 S2是一种能产生电场 el的物质 解 采用轴承外圈作为S2 原理 处于接触的两个导热体之间 由于热分布不同 产生电动势 测量该电动势可以得到温度变化的信号 课程回顾 一 物质 场的概念二 基于物质 场的物理效应建模三 典型的物质 场变换 标准解四 在物质 场中如何增加新物质五 如何在物质 场中引入场 谢谢大家