基于TRIZ進化理論的產品創新設計

TRIZ提供的創新設計理論和方法，已經成為產品開發中解決技術難題的有效工具。技術進化理論是TRIZ的核心，該理論不僅能預測技術的發展，而且還能展現預測結果實現的可能結構狀態，指導設計者沿著正確的方向開發新產品。本文從不同視角提出產品創新設計過程的統一模型，并將TRIZ進化理論集成到產品創新解的產生階段，預測未來技術的可能結構狀態，指導設計者產生創新設計方案，并用液壓缸往復密封作為實例。

I TRIZ進化理論

TRIZ進化理論是專門研究技術系統進化預測的重要分支，目前有技術進化理論(ET)、技術進化引導理論(GTE)和直接進化理論s][等多種形式。為了使這些理論在實際產品開發中易于操作，TRIZ研究者歸納和總結出技術進化模式和進化路線。設計者應用這些進化模式/路線很容易產生創新設計方案。

1.1技術進化模式和進化路線

技術進化模式是指技術系統在發展過程中所呈現出的復雜進化趨勢。隨TIRZ理論的發展，先后有Altshulle:的10種進化模式、zusman的8種進化模式和Darrell的11種進化模式。從產品開發角度，前兩種進化模式使用方法模糊、難以操作，后一種進化模式考慮了產品設計的結構問題，易于操作使用。本文以Draren的11種進化模式進行分析，即:系統向理想化方向進化;向增加系統的動態性方向進化;向增加系統分割的方向進化;向增加空間分割的方向進化;向增加表面分割的方向進化;向增加可控性方向進化;向超系統方向進化，即先使系統的復雜性增加而后向減少系統的復雜性方向進化;向增加幾何體復雜性的方向進化;向能量轉換路徑最短的方向進化;向增加系統動作協調性的方向進化;向增加系統節奏和諧性的方向進化。

每種進化模式都有多條進化路線。每條進化路線，研究者都確定了自左向右的通用進化狀態。如增加系統的動態性進化模式包含如下進化路線:剛性體-單鉸體-多鉸體-柔性體-液體或氣體-場;超系統-系統-子系統-物質。通過對大量的專利研究發現，技術系統的進化路線研究可提供開發新一代產品的新概念和新思路。

1.2 技術系統的進化潛能

技術進化模式/路線與現代設計方法學的融合，產生了進化潛能的新概念[4]。進化潛能圖如圖1所示，圖中每一條射線表示與構件或系統相關的進化模式，外周表示進化模式沿各條進化路線的進化極限，陰影面積表示目前產品沿進化路線已完成的進化，而進化極限與陰影面積之間的面積差就代表該系統的進化潛能。進化潛能圖可直觀表示給定技術系統的進化情況，為設計人員確定未來技術開發方向提供了理論依據。

圖1 技術系統進化潛能圖

2 基于TRIZ進化理論的產品創新設計

2.1 產品創新設計過程統一模型

對產品創新設計過程有不同的理解和術語，圖2從不同視角給出了產品創新設計過程的一般模型。從傳統的設計過程看，產品設計是從用戶需求分析到新產品設計制造方案的形成過程;從概念設計的視點，則是指產品概念的認定、產生、實現和發展的過程;從創新的角度出發，針對市場新的需求和產品的問題、不足，不斷用新的產品功能、結構和工藝去替代老產品的過程;從信息化角度研究，是利用計算機軟硬件、網絡和數據庫技術進行計算機輔助產品創新。圖中的CAMI、CAFI、CSAI、CAPl分別為計算機輔助產品市場、結構、功能、工藝創新。

創新概念或創新設想產生是產品創新設計中最能體現人創造力的環節，要求設計人員利用現有的科學原理、公理結合具體實際條件，尋找技術、經濟可行的方案構想。針對產品存在的缺陷確定改進的方法，或針對產品向理想解的進化過程確定開發方向是產生創新構思的一種有效的可操作的方法。

本文重點討論將 TRIZ進化理論作為產生創新構思的基本工具，實現產品快速創新過程。由于篇幅有限，在創新設計其他階段的應用不再贅述。

2.2 創新解的產生

應用TRIZ進化理論產生創新解的過程為:通過專利和產品相關數據分析，研究給定技術系統的進化過程，根據現有產品的結構狀態確定其在已知的可應用進化路線上的位置。確定給定技術系統沿各條進化路線沒有實施的進化狀態和未來可能的進化階段及進化較差的進化路線;通過定義進化沖突，確定給定技術系統實現未來進化階段所需的技術創新潛力。用兩種方法產生創新解:一是由給定技術系統沿各條進化路線可能的潛在狀態，確定創新解;二是技術系統的進化潛能圖，辨識未來主要的進化狀態和創新方向，從而確定創新解。圖3為針對某種產品的基于動態進化路線確定創新解的過程，圖1為基于進化潛能圖確定創新開發方向的過程。

2.3 產品進化位置的量化

利用模糊集{0，1，2，3，4，5}來度量產品的相對進化位置，圖4為產品相對每一進化模式位置的確定過程。模糊集的意義如表 1所示。

3 應用實例

3.1 問題描述

往復密封是液壓缸關鍵技術，其性能對液壓缸的低速特性、運動的靈敏性和動靜剛度起決定性作用。為滿足用戶要求，液壓往復密封在很多方面需要改進。本文以液壓缸活塞往復密封為例，應用提出的創新設計方法，進行往復密封的改進設計。

3.2 液壓往復密封的進化路線

液壓往復密封創新包括新的密封材料和功能性材料的應用、密封件的截面形狀設計、密封結構的改進和密封件的組合。本文從材料、結構、截面形狀和功能幾方面來分析往復密封技術的進化歷程，并歸納和總結出與往復密封進化相關的進化路線如圖5所示。圖5a-1分別與Darrell的11條進化模式相對應。圖中，帶圓圈的方框表示當前往復密封的進化位置;虛線箭頭指出了與之相對應的密封結構;帶陰影的方框表示液壓往復密封潛在的進化狀態，它提供了解決間題的出發點。

3.3 液壓往復密封的進化潛能圖

根據圖5所示的往復密封進化路線及當前進化位置，并按照本文提出的產品進化位置的量化方法，構建液壓往復密封的進化潛能圖，如圖6所示。從圖中沒有進化的區域可確定液壓往復密封創新設計的方向。

3.4 液壓往復密封的創新設計解

將現有往復密封的進化路線與圖5所示的 TRIZ通用進化路線對比，并根據圖6所示的進化潛能圖得到如下結論:①單一密封材料難以同時滿足密封和耐磨要求，因此密封材料的多元化、復合化和功能性材料的應用是往復密封材料創新的重要方向。②探索磁場、電場、化學場和生物場等復合場作用的密封技術可獲得往復密封的突破式創新。③沿空間分割進化路線開發具有多孔和毛細管的密封結構可大大提高密封的潤滑性能，減少粘滑阻力、降低磨損率。④幾何體進化是一個比較明顯的進化趨勢，當在設計過程中探索所有能得到的自由度時，就會得到密封件的創新設計。⑤開發截面形狀更復雜的密封件可使密封性能、耐磨性大幅度提高，增加密封件的壽命和可靠性。⑥往復密封技術沿表面分割的進化已處于第3個階段，開發具有活性孔的密封件可進一步增加密封裝置的動態性，從而得到新型往復密封結構。⑦要增加密封的可控性，應開發帶有反饋控制和智能控制的密封裝置。液壓往復密封技術在可控性、充分利用系統內部資源、向理想化方向進化等方面還有很大的進化潛能。⑧液壓往復密封在系統動作的協調性和節奏和諧性方面剛剛實施進化，因此沿該方向開發密封產品將引發液壓往復密封的突破式發展。

根據上述提供的方向進行往復密封的研究開發，會獲得往復密封的創新設計。當然，要得到創新設計解，必須根據創新方向構思相應的創新設計方案。如沿往復密封件幾何體進化方向可預測下一個結構進化狀態應為復雜的截面形狀，圖7為由此構思的密封創新設計的一個方案。由于該密封的彈性力可調，且帶有止口，可提高往復密封的密封性能和耐磨性。

4 結束語

傳統創新產品開發需設計人員在較大的解空間 、尋求間題解， TRIZ技術進化理論提供了使設計者能迅速得到創新問題解的結構化方法。本文將 TRIZ進化理論與產品創新設計相融合，在產品概念產生環節，利用TRIZ進化路線和進化潛能產生創新解，使產品創新設計過程具有可操作性。最后以液壓缸往復密封作為研究實例，表明該方法的有效性。