物质—场分析在产品创新设计中的应用

王晴，张明勤，2*，全锦，孙大铭，刘昆

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学后勤处，山东济南250101）

物质—场分析在产品创新设计中的应用

王晴1，张明勤1，2*，全锦3，孙大铭1，刘昆1

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东济南250101；2.山东省高校机械工程创新技术重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学后勤处，山东济南250101）

运用TRIZ物质—场分析原理进行产品设计是短时间内实现产品创新的重要方法。文章通过对产品功能分析和物质—场分析的研究，归纳了功能模型与物质—场模型之间的关系，提出了功能模型转换成物质—场模型的方法，构建了产品的功能模型间接得到产品的物质—场模型，进而查找TRIZ理论中物质—场模型对应的标准解法获得创新方案，并将物质—场分析原理应用到钢筋捆扎机绞头的方案设计和立体车库车体框架的方案设计中，证明了该研究方法的可行性。

TRIZ；物质—场分析；功能分析；钢筋捆扎机；立体车库

0 引言

产品设计是不断满足当前市场需求，并不断挖掘用户潜在需求和开发新用户的过程。为提高创新设计效率，要求在设计阶段快速而准确地将产品特定需求转换为一系列功能。TRIZ理论作为系统科学的创新方法，可有效辅助众多领域中的创新进程［1-2］。以TRIZ理论为指导，采用其物质—场（以下简称物场）分析方法在保证功能的前提下寻找不同的满足产品功能要求的原理和结构，可在较短时间内实现产品创新。

目前国内关于TRIZ物场分析法的研究与应用主要集中在物场的扩展运用、演化分析等方面。张建辉等给出了利用物场功能分析进行产品创新设计的方法［3］；简兆辉等提出一种结合减件—运行法和FAST法来实现产品创新的物场建模过程［4］。这些研究在利用物场分析方法时并没有给出进行功能分析与构建物场模型的直接关系，因而很难快速通过功能分析有效建立设计区域的物场模型。文章通过功能分析，构建了功能模型与物场模型的转换方法，解决了上述问题。

1 物场分析

为打破思维定势，TRIZ理论将产品统称为技术系统，而物场分析是对技术系统进行问题描述和分析的工具。由于技术系统往往比较复杂，因此应用该方法时先通过功能分析进行问题简化，再过渡到物场分析来求解。

产品功能是系统所具有的的重要特征，也是突显产品价值的所在。产品功能分析是对产品进行的功能分解及功能模型的建立。在产品概念设计阶段需要借助功能分析将功能要求向结构形式转化，建立产品的功能—结构映射关系即产品最终的功能模型，得到最优的原理方案［5］。TRIZ理论中，物质与物质及它们间场的作用称为功能。物场是指物质之间相互作用与相互影响的一种联系［6］。物场分析认为产品体现的功能均可分解为物质S1、物质S2、场F三种基本元素，它们不可或缺并有机组合才可产生功能实现产品价值。因此，一个技术系统若要完成预定工作，必须构成一个以上的物场，其模型如图1所示，描述的是物质S2通过场F作用于物质S1并改变S1的过程。

图1 物场功能模型的三种形式图

虽然依据功能分析可得到功能—结构模型，从而直观地发现系统中相互作用不能达到预期效果的部分，但对产品进行改进时，若依据物场分析可建立与技术系统问题有直接联系的物场模型，查找对应问题的标准解法使问题得到有效解决，因此可以将功能—结构模型与物场模型有机结合，快速进行产品问题查找与改进。

2 物场模型与功能模型关系

物场模型与功能模型都是一种基于系统结构的模型，均采用较规范化的功能描述方式来表达系统组件之间的相互作用关系，揭示系统功能的实现机理。在物场模型图和功能模型图中，均采用符号语言来描述技术系统功能，如用不同线型的箭头表示各功能的类型［7］。

功能模型能够直观地将组成产品的零部件、原料、信号等功能元件及其作用显示出来，如图2所示。而物场模型能够直观的显示出功能实现中存在的问题，并且这种描述形式简单统一便于查找对应的标准解法，如图3所示。

图2 功能与输入、输出的关系图

任何一个完整的系统功能，都可以用一个完整的物场模型进行描述，但由于物质间相互作用的多样性，一个完整的物场模型却对应着不止一个能实现该功能的系统，所以物场模型描述更多的是系统的模型而不是系统的功能［8］。

一个技术系统往往包含多个功能，但并非每个功能都需要建立物场模型，通常需要确定建立物场模型的区域即系统中哪些功能未按预期效果实现的区域，也称为创新设计感兴趣的区域［9］。为快速发现并解决问题需建立必要的物场模型，这要求确定创新设计感兴趣的区域。进行功能分析，建立功能模型无疑是解决该问题的捷径。

图3 物场模型的四种模型图

3 物场分析在产品创新设计中的应用过程

依据物场模型与功能模型之间的关系，可以将功能模型有目的地转换为所需物场模型，再根据TRIZ为物场分析提供的标准解法，快速改进原有物场模型，实现产品创新设计。

物场分析在产品创新设计中的应用步骤有:

（1）功能模型的建立

功能模型的本质是将系统预定的抽象总功能转换成详细的子功能，再继续转换成具体的基本功能［10］。因此建模时首先确定产品的总功能，尽量选择比较抽象简练的词汇来描述总功能；然后将总功能分解为存在层次关系的子功能，再将子功能继续分解为易于实现的基本功能，基本功能的组成元素为功能单元。在系统功能分解的基础上，将系统按其结构形式分解为可以单独存在的组成部分，直至最小组成部分即基本结构，基本结构的组成元素为结构单元。

（2）物场模型的建立

在功能模型图中，重点关注功能不足、过度和有害的区域，这些区域一般可作为创新设计感兴趣的区域。另外，需要注意只有箭头指向的元件或只有箭尾的元件。

TRIZ理论将物场模型分为了四类，即图3所示内容。这四类模型的具体含义如表1所示。创新设计区域内的任意相互作用的两功能元件，箭头指向的元件为物场模型中的S1，箭尾处的元件为S2，元件间的相互作用为场F并可判断场的类型。根据功能模型中元件间连线的线型按表2所示的对应关系转换到物场模型中，完成物场模型的构建。

表1 物质—场模型的分类

表2 功能模型与物场模型对应表

（3）标准解分析

TRIZ理论专为物场模型提出了76种标准解法，这些标准解法对应着特定的物场模型。应用标准解法时首先根据物场模型判断模型中问题的类别，再针对模型的问题类别查找相应的标准解法。结合实际工程及相关专业知识将标准解转化为改进方案。

（4）方案评价

对得到的改进方案进行评价，如仅有一个改进方案，可分析其合理性和可行性；如有多个可行方案，可综合考虑择最优。

4 案例分析

4.1 案例一

建筑行业电动工具钢筋捆扎机主要由微减速电机、送丝、绕丝、切丝和绞丝等组件构成。在电机驱动下，送丝、绕丝、切丝和绞丝依次动作，并完成切刀和绞头复位，此为一个工作循环。在实际操作过程中，现有绞头为防止在绞扭时造成扎丝滑脱，故其成叉口型的两个端头侧面较为粗糙，导致绞扭结束后绞头不易撤出。现结合所述的物场分析法对该问题进行分析求解。

（1）功能模型的建立

确定产品总功能:该产品总功能为对钢筋进行捆扎。对总功能进行功能和结构分解。如图4、5所示。

图4 钢筋捆扎机总功能分解图

图5 钢筋捆扎机结构分解图

钢筋捆扎机的基本功能为扎丝传送、缠绕、切断和拧紧。结合实际操作中问题构建具体的绞丝功能模型图，如图6所示。图6中超系统为与系统之间存在输入与输出关系的系统。

（2）物场模型的建立

首先确定图6中虚线框内容为设计区域，然后建立物场模型，如图7（a）所示。该模型表示在完成拧紧扎丝的有效作用的同时产生了绞头不易撤出的有害作用，其中S2为绞头，S1为圈状扎丝，F为机械场。

图6 钢筋捆扎机绞丝功能模型图

图7 钢筋捆扎机绞丝功能的物场模型图

（3）标准解分析

根据物场模型类型查找第1类标准解。这类物场模型的改变形式有两种:加入F2抵消有害作用；加入S3或改变S1（或S2）阻止有害作用［11］，如图7（b）所示。

在第1类标准解中选择上述两种形式所对应的标准解法9和标准解法10。标准解法9:在一个系统中有用及有害作用同时存在，S1及S2不必互相接触，可通过添加S3消除有害作用［12］。

标准解法10:在一个系统中有益及有害作用同时存在，但不允许系统引入其它物质，则可考虑改变S1或S2来消除有害作用［12］。

考虑本例的实际问题，可将上述两种标准解法有机结合，得到两种解决方案。

方案1:原有绞头为U形叉口，两端头截面相同且无变化，导致绞头撤出时阻力较大，如图8所示。现将绞头改为变截面式，如图9（a）所示，方便绞头取出，问题得到解决。需要说明的是，因涉及技术专利权［13］，只给出示意结构。

方案2:将绞头的两端尾部活动连接，靠近尾部处设有弹簧，弹簧末端设置重块，如图9（b）所示。绞轴旋转时，在向心力驱使下重块向外摆动，弹簧伸长使绞头两端顶部相互靠近，防止扎丝滑脱，保证扭紧牢固；绞轴停转后，在弹力作用下端头顶部张开，松开扎丝，绞头轻松撤出，问题得到解决。

图8 原有绞头图

图9 改进后的绞头图

（4）方案评价

上述两种方案各具特点，方案1仅改变绞头两端头形状，结构较方案2紧凑、简单；方案2工作较方案1可靠，但可制造性降低。因此，方案1较优。

4.2 案例二

机械式立体车库可有效解决停车难等问题，其主要结构组成一般包括机械部分、电机驱动部分和控制管理系统三部分。在现有的传统式立体车库中，车库整体固定不动，存取车辆的载车台单体运动。若通过提高载车台的运转速度来提高存取车辆效率，会增加车库运转的安全隐患。现结合所述的物场分析法对该问题进行分析求解。

（1）功能模型的建立

确定产品总功能该产品总功能为实现高效存取车辆。对总功能进行功能和结构分解。如图10、11所示。

图10 立体车库总功能分解图

图11 立体车库结构分解图

立体车库能量转换由电机实现，能量由传动装置传递到载车台，在支撑功能中，传统的车库框架对载车台的作用为支撑固定，载车台可相对车库框架升降横移运动，平衡机构保证载车台不倾翻。但是只有载车台移动的车辆存取效果不足。结合实际运行中问题构建具体的支撑功能模型图，如图12所示，其图中符号含义与图6相同。

（2）物场模型的建立

首先确定图12虚线框内容为设计区域，然后建立物场模型，如图13（a）所示。该模型表示车库框架的固定状态使得载车台存取车辆效果不足，这里S2为车库框架，S1为载车台，F为机械场。

图12 立体车库功能模型图

图13 立体车库功能的物场模型图

（3）标准解分析

根据物场模型类型查找第2类标准解。这类物场模型的改变形式为:通过增加系统动态性水平来加强物场模型［14］，如图13（b）所示。

在第2类标准解法中选择对应上述形式的标准解法——标准解法19。该解法描述了系统中具有刚性、永久和非弹性元件，则可考虑让系统具有更好的柔韧性、适应性、动态性来改善其效率［15］。

考虑本例的实际问题，根据标准解法19得到一种解决方案。

方案:考虑到原有的立体车库框架固定不动，通常以载车台升降横移运动为主，存取车辆是升降横移的循环运动，且车库整体固定，如图14所示。现将车库框架整体变为运动式，可将原载车台单体直线运动转换成车库框架整体的旋转运动，增加了车库的柔韧性、动态性，如图15所示。

图14 原有立体车库图

图15 改进后的立体车库图

（4）方案评价

上述方案改变了传统车库存取车辆模式，车库框架由静止变为运动，相对缩短了载车台单体运动时间，可实现高效存取车辆。

5 结语

通过产品功能分析，结合功能模型与物场模型的关系，给出了基于TRIZ物场分析的功能模型与物场模型的转换方法，准确定位需要建立的物场模型，为短时间内实现创新设计提供了一条有效的处理途径。但是借助标准解法并不能直接给出问题特定领域的解，还需要设计者根据领域知识和经验进行总结、提炼和优化。

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（责任编辑：李雪蕾）

Application of substance-field analysis in product innovation design

Wang Qing1，Zhang Mingqin1，2*，Quan Jin3，et al.

（1.School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Key Laboratory of Mechanical Engineering＆Innovation Technology in Universities of Shandong，Jinan 250101，China；3.Logistics Deparement，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

Using the substance-field analyzing principle of TRIZ in the process of product design is one of the importantmethods in a short period of time to realize product innovation.In this paper，through the study of function analysis and substance-field analysis，themethod which function model was converted into substance-field modelwas proposed through the relationship of the function model and the substance-field model.Then through function model which was obtained directly to achieve substance-field model indirectly，and the innovative solutions were obtained in combination with standard solutionswhich was corresponded to substance-field model of TRIZ，and the efficiency of the product innovation design was improved，and in the case of rebar tyingmachine，the substance-field analyzing principle to project design of twist head of rebar tyingmachine and frame of space parking system were applied，which demonstrated the practicability of the proposed method.

TRIZ；substance-field analysis；function analysis；rebar tying machine；space parking system

TH122

A

1673-7644（2014）06-0590-06

2014-06-13

王晴（1989-），女，在读硕士，主要从事TRIZ理论及其应用、工程机械创新设计方法研究.E-mail:wqgreen＠163.com

*通讯作者：张明勤（1964-），男，教授，硕士，主要从事TRIZ理论及其应用、工程机械创新设计方法、产品创新方法的研究.

E-mail:z.m.q＠126.com