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科学效应在创新设计中的应用拉帽

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2022年11月03日

科学效应在创新设计中的应用

科学效应在创新设计中的应用 2011: 工程人员在创新的过程中,常常需要各个领域的知识来确定创新方案。科学效应的有效利用,提高创新设计的效率。但是,对于普通的技术人员而言,由于自身的精力与知识面的有限,认识并掌握各个工程领域的效应是相当困难的。因此,很有必要将效应合适地组织起来,指导设计者进行创新。1 产品创新中的科学效应人们在获取知识的过程中,多数是抱着“中性”的态度去对待这一过程,注重知识的学习,却很少从知识的应用的角度去思考问题。学生在求学的过程中学习过大量的物理、化学、数学等方面的科学效应知识。但是离开学校后,在工作环境中,工程人员很少从发明创造的角度出发去思考已掌握知识的应用,在很情况下,科学效应知识就被工程人员逐渐遗忘。实际上,科学原理对于发明问题的解决有着强大的帮助。迄今为止,研究人员已经总结了大概10000个效应,但常用的只有1400多个。研究表明,工程人员自掌握并应用的效应是相当有限的。例如,爱迪生在他的1023项专利里只用了23个效应,Topolev的1001项专利里只用了35个效应。深入研究效应在发明创造中的应用,有助于提高工程人员的创造能力。TRIZ理论将效应作为专门的问题解决工具加以研究。2 TRIZ理论中的科学效应传统的科学效应多为按照其所属领域进行组织和划分,侧重于效应的内容、推导和属性的说明。由于发明者对自身领域之外的其他领域知识通常具有相当的局限性,造成了效应搜索的困难。TRIZ理论中,按照“从技术目标到实现方法”的方式组织效果库,发明者可根据TRIZ的分析工具决定需要实现的“技术目标”,然后选择需要的“实现方法”,即相应的科学效应。TRIZ的效应库的组织结构,便于发明者对效应的应用。TRIZ理论基于对世界专利库的大量的专利的分析,总结了大量的物理、化学和几何效应,每一个效应都可能用来解决某一类问题。通过对250万件世界范围内的专利的分析,TRIZ理论总结出了高难度的问题解决所需要的常见的20种功能,如表1所示。

表1 发明创造中常见的功能类型

其中,每一种功能都可以有不同的效应来实现,掌握可以实现常见功能的科学效应,有利于创新问题的解决。部分效应与功能的对应关系,如表2所示。

表2 常见功能与对应的科学效应

3 计算机辅助产品创新设计计算机技术的发展为人们处理信息提供了极大的帮助,其与产品设计理论相互融合,为计算机辅助创新设计的实现提供了基础。3.1 效应在设计流程中的应用创新设计的完成主要集中在产品的概念设计阶段。FBS(Function-behavior-structure)模型认为,产品设计过程就是功能、行为、结构域的映射过程。在Function-behavior-structure三者的映射过程中,科学效应可以辅助设计人员产生创新概念,并逐步确定创新方案,在该过程中涉及功能的定义与分解以及效应的相关组合等过程。3.2 科学效应库的建立从狭义上讲,机械产品是指在一定的负荷下做功、克服物质的阻力、完成人力难以完成的机械运动,从而消耗较大的能量并具有一定功率的装置,如:动力机械、加工机械、运输机械等。功率具有力和速度两种属性。狭义上的机械产品一般都要求输出机械力或机械运动,完成需要的工作要求。随着热,电、磁、光等新技术及信息技术的不断涌现,其与机械产品的结合日益广泛,机械产品的形式与内涵也在不断的丰富。甚至出现了“广义机械”的提法,将处理物质、能量和信息的技术系统统称为机械系统。能量与物质、信息构成了技术系统的三类作用对象。机械系统工作的本质是处理能量、物质或信号的转换,大多数情况下,三种作用对象都要参与。但是,通常能量流总是存在的,没有能量流相伴随,就不会有物质或信息的转换,因此,能量的转换与利用的规律与实现,是产品设计过程中必然要考虑的重要内容。许多机械产品的主要功能就是通过对物质流与能量流的处理,输出特定的能量形式,以完成对物质存在形式的改变或能量类型的利用。因此,在科学效应库的构建过程中应以能量的传递规律为主要内容,同时结合信息与物质的特性规律,对于机械产品来说,则重点研究物质的工程应用特性。根据工程中的应用特点,我们将能量分为机械能、重力场、电场、磁场、核能、热能、风能、太阳能等形式。对于能量的操作分为产生、存储、利用、转换、传输、检测、增强、减弱等。对于各种能量的工程参数操作可分为测量、增加、减小、稳定等。对于物质的工程操作可以分为产生、探测、分离、移动、消除、保存、浓缩、吸收、隔离、干燥、腐蚀等。物质可以分为气体、液体、固体物质、粒子、多孔物质等。功能的表示采用“动词”加“名词”的方式来表示,如:吸收热量、移动液体等。效应的描述通常包括:效应的名称、内容描述、公式参数、系统组成、特性、前提条件、工程实例等内容。该系统是利用Visual C++开发工具及ActiveX技术构建的,数据库开发采用Access系统。3.3 科学效应库的工程应用传统的洗衣机工作原理是应用水流的冲洗作用使衣物中的污物除去,达到洁净衣服的效果。随着水资源的紧缺与人们日益增长的环保意识,开发新一代的洗衣机装置具有重要价值。通过对洗衣服功能的严格定义,其产品设计的功能可表示为“分离物质”,通过对该功能的搜索,可以发现其他相关的科学效应,如:超声波振动、气穴现象、臭氧氧化等。这些效应为产品的创新提供新的设计思路。又如,在以水为介质的热循环装置的没计过程中,我们将产品的功能表示为“移动-液体”,在科学效应库中搜索相关科学原理。如图2所示。效应库中有若干相关的科学效应,可以实现液体的移动,如:重力场、大气压力、自然循环、毛细现象等。通过对比,自然循环在容器回路中依靠温度差导致液体密度的变化,实现对液体的移动,无需添加专门的液体循环驱动能源,大大降低了系统的复杂度。4 结论科学效应的有效利用可以极大的促进创新设计过程的实现。与计算机信息管理技术的紧密结合,使开发支持工程人员创新设计的CAI设计工具成为可能,提高了设计效率。深入研究效应的分类与其之间的相互作用关系是下一步研究的重点。效应的广泛搜集对于工程的创新设计有十分重要的实际意义。(end)

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