基于TRIZ理论的产品结构创新设计

冷崇杰，项辉宇 ，闫晓玲

（北京工商大学 机械工程学院，北京 100048）

0 引言

TRIZ是俄文“Theofia Resheneyva Isobretatelskehuh Zadach”的缩写，含义是发明问题解决理论，其英文缩写是TIPS（Theory of Inventive Problem Solving），其研究始于1946年，由苏联发明家Genrich S. Altshuller和他的团队（原苏联的大学、研究所和企业组成数百人的研究组织）分析研究了世界近250万件发明专利[1-4]，对这些专利进行长期的分析、归纳和提炼，综合多个学科领域的原理、法则形成了TRIZ理论体系。其主要功能是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，并将之归纳总结形成一套能创造出系统性创新与指导设计者思考方向的方法论和工具体系。

近几年来，TRIZ理论在家电及其他机电产品创新设计中得到了广泛应用。例如，1997年韩国三星公司引入TRIZ专家对研发工程师进行培训，2003年在67个项目中运用TRIZ理论，获得了52项专利，节省研发经费1.5亿美元，正是TRIZ理论的引入，给三星电子带来了巨大的经济和社会效益。TRIZ理论创新并不只是概念，还有成熟的理论体系、具体的工具和实现方法。本文以洗衣机结构设计为例，研究了TRIZ理论在结构创新设计中的应用。

1 TRIZ方法指导新产品设计的思路和方法

TRIZ方法论的核心思想是，对于一个具体问题，使用通常的方法不能直接找到此问题的具体解，那么，就将此问题先（通过通用工程参数或物—场模型描述）转换并表达为一个TRIZ问题，然后利用TRIZ体系中的九大理论和工具进行TRIZ问题的解决，从而获得TRIZ问题的解，最后将TRIZ问题与具体问题相对照，考虑实际条件的限制，转化为具体问题的解，并在实际设计中加以实现，最终获得具体问题的实际解[1]。如图1所示。

图1 TRIZ 方法论

就新产品的开发设计而言，TRIZ为其指出了解决问题的思路和方法，在产品创新设计中应用TRIZ理论可以更好地解决问题。

2 产品设计的TRIZ工具体系及路径

TRIZ理论不仅能找到解决问题的路径，而且为解决问题找到了通行的方法，为新产品设计提供了可实现的工具和路径[2]。表1为TRIZ理论的工具体系表，TRIZ理论工具体系的基本应用流程是，对于一个新问题，首先要对问题进行分析，确定出问题模型，针对不同的问题模型选用相应的工具，最后提出解决问题的方案模型。如表1所示，TRIZ理论将问题模型分为技术矛盾、物理矛盾、功能化模型、物场模型几种类型，对应的求解工具是TRIZ理论中的矛盾矩阵、分离原理、知识库和标准解法系统，采用的解决方案分别对应的是TRIZ理论中的创新原理、知识库中方案、标准解法。

表1 TRIZ工具体系

2.1 矛盾和39个通用工程参数

TRIZ理论认为，发现和消除矛盾是产品进化和发展的主导力量，解决问题的关键是解决矛盾[3]，而找到矛盾、准确地定义矛盾是解决问题的的前题条件。TRIZ将技术系统矛盾分为技术矛盾和物理矛盾，技术矛盾是指系统中两个参数之间的矛盾，如果改善系统参数A，将导致系统参数B的恶化；物理矛盾是指系统中一个参数的矛盾，技术系统既要求某参数A的性质为正（＋），又要求某参数A的性质为负（－）。

TRIZ理论在250万发明专利中总结提炼出工程领域内常用的表述系统性能的39个通用工程参数，这些通用工程参数是一些物理、几何和技术性能的参数，它是TRIZ的通用语言，是连接具体问题与TRIZ理论的桥梁，将一个具体问题转化为TRIZ问题需要使用通用工程参数进行问题的表达，因此，在实际问题中，工程参数的正确选择是快速、准确解决问题的首要条件。

2.2 创新原理

不同的发明创造往往遵循共同的规律，TRIZ理论将这些共同的规律归纳成51（原来为40条，现发展为51条）条发明创造遵循的原理[1]，51条创新原理是TRIZ理论中最主要和最易使用的解决方案，是TRIZ解决技术矛盾的关键，很多发明创造问题都可以用51条创新原理来解决。这51条原理本身较为抽象，作为解决具体技术矛盾的指导方针，还需要进一步转化为具体的解决对策。

2.3 矛盾矩阵

矛盾矩阵是TRIZ理论中最有用的方法，就是为解决技术矛盾而构造的，由39个通用工程参数和51个创新原理建立矛盾矩阵第一列表示系统欲改善的39个通用技术参数，第一行表示恶化的39个通用工程参数，每行与列对应的方格内的数字是创新原理的编号，它提示设计者最有可能解决问题的探索方向和方法[2]。如表2所示。

矛盾矩阵利用39个通用技术参数，组成1500对技术矛盾描述实际问题，总结了1200多对技术矛盾的常用的创新原理。针对每一对技术矛盾，矛盾矩阵推荐1～4个创新原理。因此矛盾矩阵可以大大提高解决问题的准确率和效率。

表2 TRIZ矛盾矩阵

3 TRIZ理论解决新产品设计的过程

将特定的问题应用39个技术参数准确地描述后将问题转化成TRIZ中的矛盾并判断其矛盾类型（技术矛盾或物理矛盾），若为技术矛盾则根据矛盾矩阵表查找出相应的创新原理，将创新原理逐个应用到具体问题上，结合实际工况，确定适合解决问题的创新原理，如图2所示。

图2 TRIZ理论解题模式图

以下结合洗衣机外箱体结构的创新设计研究TRIZ理论的应用。

4 TRIZ理论在洗衣机结构创新设计中的应用

在我国洗衣机30多年的发展过程中，从单一手工操作的洗衣机到目前的全自动智能模糊控制洗衣机，其控制方式发生了根本的变化，但是，洗衣机的外箱体结构却始终未变，在结构上长期以来存在以下问题，现利用TRIZ理论解决该问题。

4.1 提出原始问题

1）洗衣机重量重，相对洗衣空间小，成本较高。

2） 洗衣机外箱体（0.6—0.8mm厚，A3板冲压喷粉制造而成）受潮腐蚀易损坏，造成洗衣机的寿命大大缩短。

4.2 定义矛盾

将原始问题描述为两个标准技术参数[5]：第一个参数是洗衣机的重量，第二个参数是洗衣机的体积，要改善的参数是洗衣机的重量，恶化的参数是洗衣机的体积（洗衣空间），根据TRIZ理论矛盾定义，确定这是一对技术矛盾。

4.3 根据矛盾矩阵表确定创新原理

本设计要改善的参数是静止物体的重量，但由此恶化的参数是静止物体的体积，根据矛盾矩阵表查得出5号、14号、2号、35号创新原理有可能解决上述问题，经过对以上4个创新原理进行分析，认为用5号和14号创新原理能够较好地解决问题 ，5号原理的内容是：在空间上将相同物体或相关操作加以组合；14号原理的内容是将物体的直线、平面部分用曲线或球面代替。

图3 改进前箱体与洗衣桶装配图

4.4 创新原理应用

改进前洗衣机的外部主体结构是由箱体和洗衣桶两部分组成，洗衣桶安装在箱体上，箱体起着支撑作用，如图3所示。

根据5号“组合、合并”创新原理的指导提示，将箱体和洗衣桶组合合并成一体（如图4所示），箱体和洗衣桶合并后的组合体要具备箱体支撑和洗衣桶盛水密封等主要功能，经过工艺分析，选用PP材料作为组合体材料，通过注塑加工而成。根据14号“曲面化，曲率增加”创新原理的指导提示，我们设计的组合体的四面为弧面，四个边的相交处为圆弧过渡，既增加了组合体的强度又使外形更加美观。

图4 改进后箱体与洗衣桶组合体

改变结构后的洗衣机重量减轻（钢板改用塑料）、相对的体积增大（箱体与洗衣桶间四周间隙没有了），成本大大降低了（重量减轻，塑料比钢板价格低，同时取消了箱体冲压、酸洗、喷粉等一系列工艺过程，节约了大量的人力和财力），箱体受朝损坏现象不再出现，大大的提高了洗衣机的寿命。

5 结束语

以上运用TRIZ理论中技术矛盾、矛盾矩阵与创新原理，通过改进洗衣机箱体与洗衣桶的装配结构解决了洗衣机存在的问题。事实证明，TRIZ创新理论以其良好的可操作性、系统性和实用性已经发展成为一套解决产品开发实际问题的较为成熟的理论和方法体系，它的研究与应用对我国制造业的发展具有重大的现实意义。但是51条创新原理和39个通用技术参数并不能完全解决产品设计中产生的所有矛盾，随着TRIZ研究的不断深入，需要人们将设计过程中获得的创新原理和技术特性不断的补充进去，从而进一步提高矛盾矩阵的成功率；同时将实际工程问题如何准确地描述为TRIZ理论中的标准技术参数、能否将技术参数进一步细化还需要作进一步深入研究探讨。

[1] 杨清亮.发明是这样诞生的[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] 张简一,郭艳玲,杨树财,王义文.基于TRIZ理论的产品创新设计[J].机械设计,2009,26(2):35-37.

[3] 胡红忠,涂欢,赵芳.运用TRIZ理论辅助包装结构的创新设计[J].包装工程,2008,29(2):128-130.

[4] 吕欣.基于TRIZ理论中39矛盾矩阵与40创新原则的产品创新设计研究[J].包装工程,2009,30(5):211-213.

[5] 闫晓玲,王望龙.基于TRIZ和Pro／Innovator平台的产品创新设计[J].机床与液压,2009,37(7):192-195.