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,产品创新设计原理 物质场分析 76个标准解,时间:120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-Field Model)。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:,F input 输入场 F control 控制场 F output 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0.01L。,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F2S2.(1) 热膨胀效应: Fthermal Ssolid or liquid(2) 压电效应: Felectrical Spiezoceramics(3) 磁弹性效应: Fmagnetic Sferromagnetic 步骤6: 产生概念Fthermal Ssolid or liquid : 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F2S2,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50-800m),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F optical作用,使S1可见,或转换另一种场,使其变成F optical。,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,76 条标准解共分五类,具体内容如下。第一类标准解:不改变或仅少量改变系统(1)改进具有非完整功能的系统No.1 假如只有S1,应增加S2 及力场F,以完整系统三要素,并使其有效。No.2 假如系统不能改变,但可接受永久的或临时的添加物,可以在S1 或S2 内部添加来实现。No.3 假如系统不能改变,但用永久的或临时的用外部添加物来改变S1 或S2 是可以接受的,则加之。No.4 假定系统不能改变,但可用环境资源作为内部或外部添加物,是可接受的,则加之。No.5 假定系统不能改变,但可以改变系统以外的环境,则改变之。No.6 微小量的精确控制是困难的,则可以通过增加一个附加物,并在之后除去来控制微小量。,No.7 一个系统的场强度不够,增加场强度又会损坏系统,可将强度足够大的一个场施加到另一元件上,把该元件再连接到原系统上。同理,一种物质不能很好地发挥作用,则可连接到另一物质上发挥作用。No.8 同时需要大的(强的)和小的(弱的)效应时,需小效应的位置可由物质S3 来保护。(2)消除或抵消有害效应No.9 在一个系统中有用及有害效应同时存在,S1及S2 不必互相接触,引入S3 来消除有害效应。No.10 与No.9 类似,但不允许增加新物质。通过改变S1 或S2 来消除有害效应。该类解包括增加“虚无物质”,如:空位、真空或空气、气泡等,或加一种场。No.11 有害效应是一种场引起的,则引入物质S3吸收有害效应。No.12 在一个系统中,有用、有害效应同时存在,但S1 及S2 必须处于接触状态,则增加场F2 使之抵消F1 的影响,或者得到一附加的有用效应。No.13 在一个系统中,由于一个要素存在磁性而产生有害效应。将该要素加热到居里点以上,磁性将不存在,或者引入一相反的磁场消除原磁场。,
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