《創新設計-TRIZ系統化創新教程》 課件 第7章 資源分析；第8章 TRIZ中思維工具；第9章 效應知識庫

第7章資源分析創新設計研究所引言從資源角度，創新過程就是資源的運用與重新配置的過程。應用系統或超系統資源解決系統存在的問題是TRIZ的一個基本觀點。如何確認所有的可用資源并合理利用是資源分析的基本任務。主要內容概述資源分類資源分析方法案例分析7-1概述自然資源土地氣候水生物…礦產海洋能源旅游社會資源資本人才智力信息科技管理…

資源分為自然資源和社會資源。7-1概述在TRIZ中，發明資源定義為：

（1）任何由系統或環境中存在的物質（包括廢物）變換后得到新物質。（2）儲存的能量、自由時間、未占用的空間、信息等。（3）實現附加功能的技術能力，包括物質的特性，物理、幾何、或其它效應。

對工程系統而言，實現系統向提高理想化的方向進化，最主要的是發現能夠利用的發明資源。發明資源通常是隱藏的、不可直接利用的或隱藏在系統或環境中。

7-1概述7-2資源分類（1）按照解決工程問題過程中發明資源的可及性和資源所在區域內部資源（沖突區域內部資源）外部資源（沖突區域外部系統內資源）超系統資源（2）按照資源的可用狀態直接應用資源導出資源（衍生資源）差動資源1.按照資源形式7-2資源分類物質資源組成元素原材料產物廢棄物環境中廉價物質場資源系統內能源系統周圍的能源可轉化利用的資源信息資源物質或場的屬性內部信息流狀態改變的信息差異性信息臨時性信息功能資源系統的主要功能有害作用的利用元件或系統的潛在功能時間資源作用前時間作用后時間間歇時間壓縮產生的時間并行時間空間資源閑置的空間三維空間重新布置產生的空間空間屬性（3）

按照資源形式7-2資源分類發明資源內部資源超系統資源直接應用資源導出資源差動資源物質資源場資源信息資源功能資源時間資源空間資源發明資源的分類外部資源7-2資源分類

2.物質資源

（1）物質資源的構成物質資源包含系統及其周圍環境的物質組成。（2）物質的狀態

7-2資源分類（3）形態易轉換物質7-2資源分類

（4）具有特殊性質的物質

7-2資源分類（5）導出物質資源

由直接應用資源，如物質或原材料變換或施加作用所得到的物質。（6）差動物質資源差動物質資源是指可被使用的物質內部結構特性或不同物質材料性質的差異性。

7-2資源分類1）材料的各向異性①光學特性。是指光在物質中不同方向上的折射率、吸收率不同。②電/磁特性。是指材料某些電學方面的性質沿材料不同方向存在差異。③聲學特性。是指物質在不同方向上聲學傳導特性的差異。④力學特性。是指物體的力學性能隨測量方向而異的現象。⑤化學特性。是指物質不同方向、不同位置上化學性質的差異性。⑥幾何特性。是指物質幾何非一致性導致的物質其它特性的不同。

7-2資源分類2）材料間相異性①物理性質相異性。

利用不同材料具有的不同物理性質在設計中用于實現有用功能。②化學特性相異性。

利用不同材料具有的不同的化學性質完成一定的功能。③幾何相異性。

利用不同物質幾何形狀、尺寸等的不同完成一定的功能。

7-2資源分類3.場資源元件間通過場發生作用完成功能，場本質上就是能量的不同形式。（1）場的種類

TRIZ理論中，“場”的概念定義為一個物體對另一個物體施加的作用。

7-2資源分類（2）常見的作用形式7-2資源分類（3）導出的場資源

通過對直接應用場資源的變換或改變其作用的強度、方向及其它特性所得到的場資源。

（4）差動場資源

差動場資源是指可被利用的場分布的不均勻性。包括：

①場梯度的利用。是利用場的強度在某一方向上的差異。

②空間不均勻場的利用。如精密加工或測量車間應遠離振動源。

③場值與標準值的偏差。所有的診斷都是基于這一原理。7-2資源分類4.空間資源（1）直接可用空間資源空間資源包括系統內部及其所處環境中未被占用的空間或“空洞”，這種資源可以用來放置新的物體，也可用來在空間緊張時節約空間。（2）導出空間資源

由于幾何形狀或效應引起的變化所得到的額外的空間。5.時間資源

（1）直接可用時間資源

時間資源是指可被用來改善系統操作的時間區間

（2）導出的時間資源

由于加速、減速或中斷所獲得的時間間隔。7-2資源分類7.信息資源（1）直接可用信息資源

信息資源是描述物質、場、屬性改變或元件的參數的數據，是描述系統、元件及其所處環境狀態的所有信息，包括系統及其環境的變化信息。（2）導出的信息資源

所有的間接檢測都是利用了導出信息資源。8.功能資源（1）直接應用功能資源

功能資源是系統及其所處的環境執行額外功能的能力。（2）導出的功能資源

經過合理變化后，系統完成輔助功能的能力。7-3資源分析方法

1.資源列表

7-3資源分析方法2.資源搜索方向在明確所需資源類型和資源屬性描述之后，按照一定順序進行可用資源搜索。資源搜索方向搜索輔助功能元件資源搜索與工具相關資源搜索與制品相關資源搜索有害資源、廢棄物搜索直接應用資源搜索導出資源搜索差動資源應用資源列表應用資源組合在超系統搜索資源7-3資源分析方法3.資源選擇原則（1）資源可及性

從資源可及性方面，內部資源是首選，然后是系統內資源，再是超系統或環境資源。（2）資源可用性及成本（3）資源數量

優先選用過剩資源、其次選擇供應充足的資源、最后選擇供應不足的資源（4）資源質量

優先選用有用資源、其次選擇不確定的資源、最后選擇有害資源。7-4案例分析如圖所示中藥滴丸機工作原理

7-4案例分析滴嘴結構示意圖該問題的理想解是：不需額外裝置或操作，滴嘴能夠自己完成清洗過程。

7-4案例分析對滴嘴進行資源分析：分析結果

7-4案例分析資源列表

7-4案例分析最終，根據資源分析結果設計出了一種針閥式滴嘴（ZL200420028766.2）。

本章小結資源的分類沖突區域內部、系統內部、系統外部直接、導出、差動功能、能量、物質、信息、時間、空間資源分析方法資源列表方法資源搜索方向資源選擇順序謝謝！第8章TRIZ中的思維工具創新設計研究所主要內容九窗口法空間-時間-成本算子聰明小人法8-1九窗口法九窗口法又稱為系統算子，是處理由過去到現在及將來變化的動態影像的具體方法。應用系統算子是將系統問題擴展。當設計者解決問題時，通常在其頭腦里都會產生關于新設計或已有設計的靜態影像，僅有這類影像是不夠的。如果我們頭腦中有動態影像，會增加設計者的解決問題的能力。8-1九窗口法應用系統算子將問題邊界擴大，很多情況下系統內難于解決的問題換個角度分析則很容易解決，考慮在超系統、子系統、系統前后過程等尋找原問題的替代解決方法。分析問題角度替代問題解決方法描述系統構成超系統是否可在超系統做某些改進，達到解決原問題同樣效果。子系統是否可在子系統做某些改進，達到解決原問題同樣效果。時間過去在問題發生的前過程做某些改進，達到解決原問題同樣效果。將來在問題發生的后過程做某些改進，達到解決原問題同樣效果。因果關系原因消除問題原因，使原問題不發生。結果分析問題不解決的不良結果，消除不良結果繞過原問題。輸入-輸出輸入對系統輸入做出改進，解決原問題。輸出分析對系統輸出造成的不良結果，改變系統輸出解。解決原問題8-1九窗口法實例1：對系統輸入做出改進解決問題統計數據顯示服用安眠藥已成為自殺的最主要途徑，為防止自殺對安眠藥成分（系統發揮作用前）作出改進。增加安眠藥外衣，達到緩釋效果；在安眠藥外衣中增加可導致服用者嘔吐物質；少量服用時對服用者無作用，大量服用時嘔吐劑發生作用。8-1九窗口法實例2：對超系統作出改進解決問題作戰半徑是衡量戰機乃至空軍作戰能力的重要指標之一。為了提高飛機的作戰半徑，人們總是盡可能地增大飛機的載油量，但過大的油料載荷，只能以犧牲飛機的其他性能為代價。在單一飛機技術系統內解決這個沖突非常困難。在超系統內，在飛行編隊中增加專用的加油機，就能較好地解決這一沖突。經過一次空中加油，轟炸機的作戰半徑可以增加25～30％；戰斗機的作戰半徑可增加30～40％；運輸機的航程差不多可增加一倍。如果實施多次空中加油，作戰飛機就可以做到“全球到達，全球作戰”。8-1九窗口法實例3：對系統后過程作出改進解決問題圓木裝車前需要測量計算圓木體積，傳統方法測量費時，費力。在系統后過程解決原問題，裝車以后，相機拍照采用圖片對比測量計算圓木體積，提高了效率。8-2空間-時間-成本算子TRIZ中將空間-時間-成本（Space-Time-Cost）方法稱為稱為STC算子（STCoperator），該算子也翻譯為尺寸-時間-成本(Dimensions-Time-Cost,DTC)算子，簡稱參數算子。其基本思想是將待改變的系統（如汽車、飛機、機床等）與DTC建立關系，以打破人們的思維慣性，思考尺寸參數、時間參數、成本的變化會給問題解決帶來的改變，得到創新解。8-2空間-時間-成本算子DTC算子的規則為：將系統的尺寸從目前的狀態減小到0，再將其增加到無窮大，觀察系統的變化。將系統的作用時間由目前狀態減小到0，再將其增加到無窮大，觀察系統的變化。將系統的成本由目前狀態減小到0，再將其增加到無窮大，觀察系統的變化。參數算子不能給出一個精確的答案，它的目的是產生幾個“指向問題解”的想法，幫助克服分析問題時的思維慣性。8-2空間-時間-成本算子按照上述規則改變原系統后，使人們能從不同的角度去觀察與研究系統，這往往可以幫助人們打破思維慣性的束縛，從而發現創新解。為了使上述規則更有效，變化的過程需與系統功能有關：尺寸變化的過程直接與系統的功能相關。如汽車的功能是載貨，可以考慮貨物是一個原子，或一個星系。時間變化的過程與系統功能所對應的性能相關。如汽車的功能是載貨，載貨的過程可以一瞬間，也可以是一千年。成本與實現功能的系統相關。如汽車的功能是載貨，汽車的成本可以是1分錢，也可以是1000萬人民幣。8-2空間-時間-成本算子實例8.4:廢舊電線回收方法廢舊電線回收以后，需要將沒有利用價值的電線絕緣層和金屬分離，以回收金屬。現在采用的方法是燃燒電線絕緣層，但對環境污染比較嚴重。現在需要找到一種方法回收金屬并不污染環境。參數改變改變的物體或過程會給問題解決方法帶來哪些改變得到的問題解決途徑尺寸→

電線長度非常長對問題解決沒有帶來任何好處無尺寸→0電線長度非常限短當電線長度大大小于電線直徑成片狀時，電線表面的絕緣層很容易剝離。首先將電線破碎，再考慮絕緣層和金屬的分離。時間→0所用時間非常短對問題解決沒有帶來任何好處無時間→

所用時間非常長可以通過絕緣層的在特定條件下的自降解來剝離絕緣層，但必須保證電線在正常使用時不會降解。改進電線絕緣層材料成本→0所用成本非常低對問題解決沒有帶來任何好處無成本→

所用成本非常高通過化學試劑實現金屬的置換和還原提取金屬。采用化學試劑提取金屬8-3聰明小人法聰明小人法（SmartLittlePeople,SLP）是由Altshuller上個世紀60年代開發的一種方法。該方法能幫助設計者理解物理的、化學的微觀過程，并采用特殊術語克服思維慣性。一串高舉手臂的小人，可以表示一個實體，如棒料、水泥塊、金屬塊等；該串小人之間的距離變大，但處于連接狀態，表示物體的熱膨脹；處于奔跑中的一批小人可以描述一團運動中的氣體。小人雖然不懂語言，但按照場的規律存在。如增加溫度，由小人組成的液體之間的連接緊密程度下降，溫度進一步提高，液體將變成氣體。因此，聰明小人法是一種處理復雜情景的有效方法。向微觀系統傳遞是技術進化的一種趨勢。描述該趨勢的基本思想是宏觀系統的微觀特性的應用。如熱膨脹可以用于產生顯微鏡的微位移，而不采用機械齒輪傳動系統產生微位移。材料的各種特性均可用于微觀資源，如熱膨脹、磁、壓電等性能。小人法是描述該類傳遞技術的一種方法，并在后續的發明問題解決算法（ARIZ）中得到了應用。8-3聰明小人法實例5：水輪發電機葉片加工問題。葉片材料是特殊鋼，首先鍛造成型，之后用銑削方法進行粗加工。加工中出現的問題：長葉片支撐在夾具之間，由于自重及銑削力的影響，葉片向下彎曲，影響其加工精度。已有的解決方案為：專門增加葉片支撐，防止葉片彎曲變形，保證精度。但新問題依然存在：為了保證銑刀軸向移動，葉片支撐要移動新位置，不僅需要時間調整葉片支撐，調整后的新位置也影響加工精度。現采用聰明小人法提出解決方案。8-3聰明小人法問題描述：下圖是目前系統的聰明小人模型。刀具一面銑削，一面向右移動。葉片下一批小人向葉片施力，保證葉片不產生向下彎曲變形。在刀具右側還有一部分小人向左推刀具，影響刀具軸向運動。8-3聰明小人法小人法解決方案描述：如下圖，刀具作軸向運動的同時，上部的小人也向右奔跑，不影響刀具運動，下部小人還能支撐葉片，不使其向下彎曲。

基于該圖的模型，可以構造理想解，即發現某種可用資源（X-資源），消除葉片下面的支撐，但不致弱化支撐功能、不能使系統太復雜、不要引出新的問題。8-3聰明小人法最終的解決方案在銑削開始前，一圓柱型保護套套在葉片外部，保護套用泡沫塑料類軟材料制成，置于改進設計的原支撐之上，隨工件一起轉動，使葉片不產生向下彎曲的運動，同時刀具加工過程中很容易將一部分構成保護套的材料去掉，即刀具一面加工葉片，一面去掉保護套材料，保證刀具軸向運動。本章小結九窗口法（系統算子）從時間和系統維度拓展問題，幫助打破慣性思維，本質上把沖突區域在時間維度轉換到沖突發生前、發生后，在系統維度擴展到超系統層次。STC（DTC）算子，通過在空間（尺寸）參數、時間參數、成本的變化會給問題解決帶來的改變，從而發現更多可能性。聰明小人法（SLM），幫助把微觀層面的作用和變化顯示出來，以利于尋找問題的解。謝謝！第9章效應知識庫創新設計研究所主要內容效應效應應用范例效應知識庫及應用過程案例分析9-1效應1.效應效應是發明問題解決理論(Theoryofinventiveproblemsolving,TRIZ)中一種基于知識的工具。產品功能是輸入到輸出能量、物料和信息的轉換，本質上是描述這些能量、物料和信息的屬性的變化。這些屬性的變化可以用科學效應描述。科學效應一般可用科學定律或定理描述，應用效應，可以利用本領域特別是其它領域的有關定律解決設計中的問題。按照效應所包含的信息，效應可分為物理效應、化學效應、生物效應、幾何效應。效應輸入量輸出量摩擦效應T1T2功能：傳遞扭矩圖9.1效應示意圖及摩擦效應9-1效應1.效應效應是對系統輸入/輸出間轉換過程的描述，該過程由科學原理和系統屬性支配，并伴有現象發生。每一個效應都有輸入和輸出，因此效應模型有輸入和輸出兩個接口（兩極），如圖9.2（a）所示。效應還可以通過輔助量來控制或調整其輸出，可控制的效應模型擴展為三個接口（三極），如圖9.2（b）所示。圖9.2效應模型效應效應(a)兩極效應模型(b)三極效應模型效應輸入流控制流Flow輸出流9-1效應1.效應一個效應可以有多個輸入流、輸出流或控制流，例如庫侖效應中帶電體所帶電量(Q1,Q2)為兩個輸入流，庫侖力(F)為輸出流，相對介電常數(εr)和帶電體間距離(r)為控制流，如圖9.3所示。效應可以用具有多個輸入流、輸出流或控制流的多極效應模型表示，如圖9.4所示。圖9.3庫倫效應模型圖9.4具有多流的多極效應模型9-1效應2.效應模式基于多流多極效應模型構建效應鏈的基本組成方式稱為效應模式，效應模式有以下幾種：圖9.5串聯效應模式圖9.6并聯效應模式（1）串聯效應模式：預期的輸入/輸出轉換由按順序相繼發生的多個效應共同實現，如圖9.5所示。（2）并聯效應模式：預期的輸入/輸出轉換由同時發生的多個效應共同實現，如圖9.6所示。§9-1效應2.效應模式圖9.7環形效應模式圖9.8控制效應模式（3）環形效應模式：預期的輸入/輸出轉換由多個效應共同實現，后一效應的輸出流通過一定的方式返回到前一效應的輸入端，如圖9.7所示。（4）控制效應模式：預期的輸入/輸出轉換由多個效應共同實現，其中一個或多個效應的輸出流由其他效應的輸出流控制，如圖9.8所示。9-2效應應用范例效應1：麥比烏斯圈圖9.9麥比烏斯圈拿一條紙，它有兩個面，把它的兩頭粘上就可以做成一個環，兩個面保持下來，一個內表面，一個外表面。如果將紙條的一端扭轉180°然后再將兩端粘起來，會出現什么情況？如圖9.9所示，只有一個持續的面。這種扭轉的條粘成的環稱為“麥比烏斯圈”，是以首次描述了此圈奇妙特性的德國數學家的名字命名的。§9-2效應應用范例效應1：麥比烏斯圈圖9.10麥比烏斯圈研磨帶工程應用：工程上應用的研磨帶，是在環形帶的外表面涂上研磨材料，當研磨層磨完了就要更換研磨帶。怎樣才能既不增加皮帶長度又能使它的工作壽命延長呢?

運用麥比烏斯圈特性可以解決這個問題，如圖9.10所示。皮帶圈的長短和通常的沒有兩樣，但由于它的工作面增加一倍，所以它的壽命也增加了一倍。

麥比烏斯圈還可用于過濾器、錄音機等創新設計中，目前利用麥比烏斯圈申請的專利有100多項。9-2效應應用范例效應2：超塑性（力學、熱物理學）圖9.11超塑性效應金屬合金具有多晶結構。晶粒結構不是理想的，而存在變位。變位處的原子間引力比有序處的力弱。溫度升高使組成晶格原子的振動能量增加并導致結構缺陷的增加。當溫度為熔點溫度一半時，具有細粒結構合金的變位數目增加。如果在晶粒間的邊界有足夠多的變位，只需要很小的機械力就能引起晶粒間的滑動，如圖9.11所示，在宏觀上表現為變形，這種效應稱為超塑性。§9-2效應應用范例圖9.12超塑性效應在中空元件成形中的應用工程應用：利用超塑性制成中空元件。航空航天工業中采用質量輕的管狀鋁鈦合金鋼生產出結構復雜的中空部件，這需要管狀合金鋼同時在不同的方向受到氣體壓力使其發生形變。然而，普通熱模成型達不到這個壓力值。可以將管狀合金鋼放進壓力和溫度適當的加熱器或爐中，利用合金的超塑性制成中空元件，如圖9.12所示。效應2：超塑性（力學、熱物理學）9-2效應應用范例效應3：離子束濺射（電學、微電子學）圖9.13離子束噴射表面原子用離子束轟擊表面，入射離子的能量將轉移到目標材料的原子上。能量轉移通常導致表面原子的噴射，這使得表面被侵蝕或濺蝕，如圖9.13所示。為了防止離子與氣體原子相撞，需要將系統放在真空中。§9-2效應應用范例圖9.14利用離子束濺射制成電子發射器工程應用：電子發射裝置。傳統的電子發射器利用熱陰極，這種方法能量損失大。利用冷陰極制成的電子發射器能夠解決能量損失的問題，但是設備的制造過程復雜，成本高，產量很低。為了生產電子發射器，可以利用離子濺射生成洞形發射器的方法，如圖9.14所示。底層之上有一絕緣層。利用熱酸有選擇的蝕刻絕緣層。絕緣層上被嵌入的地方為水滴形狀的洞。這些洞足夠深，能夠接觸到傳導層。通過離子束濺射，鎢（或其它電極材料）被沉積到洞里。門電極和錐形發射器同時形成。水滴形狀的洞的底部決定發射器的形狀。效應3：離子束濺射（電學、微電子學）9-2效應應用范例效應4：處于液體中的物體重量減少（力學、流體力學、幾何學）圖9.15將物體置于液體中會使物體的重量減少將物體置于液體中浮力會使物體的重量減少，如圖9.15所示。當物體浸入液體且液體密度和物體密度一致時，會發生物體失重效應。這種失重效應作為整體系統而不是作為內部結構顯示出來。例如，靜止在水中的人的內部器官會有失重的感覺。然而，在物體變形中并沒有發生由真正的完全失重所引起的變化。9-2效應應用范例圖9.16置物體于液體中減小該物體的加速度工程應用：浮力裝置。空中交通工具產生高加速度，使飛行員和宇航員承受很高的機械超載。加速度不是均勻的傳送到身體的各個部分，因此擾亂了循環系統的正常機能。為了保護物體免受加速度方向的超載，使用了充氣裝置。然而，這種裝置需要復雜的閥門系統和傳感器系統。這是因為裝置中的氣囊必須被快速控制以補償加速度。為了補償在具有很大加速的物體表面增加的壓力，建議將物體浸入液體介質中，如圖9.16所示。物體浸入恰當密度的液體媒介中會發生失重。如果物體密度均勻，它和液體介質作為整體獲得加速度。人體能被認為是近似均勻的。效應4：處于液體中的物體重量減少（力學、流體力學、幾何學）9-3效應知識庫及應用過程1.效應知識庫效應是TRIZ中最容易使用的工具之一，而要實現這一點必須開發出一個大型的效應知識庫。按照功能對現有效應和實例進行分類，建立效應知識庫，通過關聯模式和控制模式對需求功能進行改進，產生新概念，使存在的問題得以解決。按照效應所實現的功能，將效應知識庫中的效應和實例，與功能結構樹中的基本子功能對應起來，以確定效應在知識庫中的位置。因此，依據需求功能，設計者能快速準確地從效應知識庫中找出所需要的效應。9-3效應知識庫及應用過程1.效應知識庫在解決問題過程中，經常會出現下述情況：需求功能已經確定，用以實現功能的效應也已經找到，但仍然不能解決問題，原因在于設計者不知道如何將這些效應應用到實際問題中去。因此，效應知識庫中除了效應以外，還應添加大量的工程實例，以提示設計者如何應用效應解決實際問題。另外，每個人的知識是有限的，不可能對各個領域的知識都有深入的了解。為了有效的應用效應知識庫和實例來解決問題，每一條效應和實例都應包含必要的說明、應用條件、公式、應用范圍等信息。由于不同效應和實例存在于不同的技術領域，使用不同的技術術語，為使其更具有普遍性以解決其它領域的問題，對每一條效應或實例都需要抽象出其本質，忽略與特定領域相關的描述。9-3效應知識庫及應用過程2.應用效應知識庫求解功能的一般過程在進行設計時，設計人員首先要發現和確定問題，然后進行系統分析，功能分析，進而確定需求功能，建立功能結構，進而按照需求功能從效應知識庫中查找恰當的效應和實例，利用關聯和控制方式對現有功能進行改進，確定出問題的原理解，并對該原理解進行檢驗，如果原理解不能滿足需求功能則應該重新對問題進行分析或選擇其他效應。圖9.17應用效應解決問題的一般過程9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計1.問題背景根據實際生產運行情況，TRT液壓系統及快速切斷閥存在著如下一些問題：高爐煤氣含塵量較高，插板閥在啟閉過程中液壓系統與煤氣直接接觸，使整個液壓系統的油質清潔度難以滿足要求。液壓系統的儀表在使用過程中存在一些問題，如壓力控制開關和壓差發訊器的工作可靠性較差，伺服閥和伺服放大器的質量和性能不穩定。因操作環境較為惡劣，不經常動作的快速切斷閥長期工作的可靠性較低。在快速切斷閥緊急關閉的最后階段，由于動力彈簧的彈力隨形變的減小而減小，而液壓系統不能提供與彈力同向的作用力，因此會出現動力不足，閥門無法完全關閉的情況。TRT系統正常工作時，快速切斷閥處于打開狀態，液壓系統需要長時間持續工作，消耗大量電能。9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計1.問題背景圖4.27已從系統功能的角度描述TRT系統中快速切斷閥存在的問題：有害作用：電機和液控箱消耗