基于TRIZ理论功能分析与裁剪的应用研究

祁云峰，姚贵英

(河北工程大学 机械与装备工程学院,河北 邯郸 056038)

0 引 言

TRIZ[1]理论是阿奇舒勒在1946年创建且已发展至今的一种发明问题解决理论，为各行各业的设计人员提供了创新理论与创新工具。裁剪是TRIZ理论中一种有效的解决发明问题的工具，通过减少或去除系统某些元件，将系统有用功能重新分配给系统或超系统中的其他组件，达到消除有害作用，降低成本，优化系统等目的。功能分析是应用裁剪方法的基础，设计过程中，成本或复杂程度的降低往往是功能分析和裁剪共同的结果。

1 功能分析

产品是功能的载体，功能是产品的核心和本质。了解产品功能结构，分析产品功能是一项重要且具有实际意义的活动。功能分析是从功能的角度而不是从技术的角度分析系统，主要目的是将抽象的系统转化为具体图表，以便于设计者了解产品所必需具备的功能与特征，从而进行创新设计。在分析过程中，最重要就是建立产品的功能模型。

1.1 功能定义

20世纪40年代美国电气工程师迈尔斯首先提出了功能定义，他认为，顾客要购买的是产品功能而非产品本身[2]；Pahl和Beitz认为功能是系统输入与输出之间的关系[3]；现代TRIZ对功能做出了如下定义：一个元件改变或者保持另一个元件的某个参数，即为实现了功能，故阿奇舒勒总结了3条功能定律：

(1) 所有的功能都可以分解为3个基本元件；

(2) 一个存在的功能必定由三个基本元件组成；

(3) 将相互作用的三个元件进行有机组合将形成一个功能。

功能的基本描述如图1所示，S1为被动元件，起被作用，被操作被改变的角色；S2为主动元件，起工具的作用，操作、改变或作用被动元件S1；F为使能元件，是S1和S2相互作用。在描述上，通常用“动词+名词”来表示，动词是实现功能的方式，名词是作用对象，这是一个功能抽象化的过程，有助于产生新的方案解。

图1 元件间的功能作用关系

根据主动元件在系统中起的作用的好坏，可以将功能分为有用功能和有害动能，有用功能又分为标准功能，过剩功能，不足功能，符号如图2所示。其中，标准功能继续保持，过剩功能和不足功能通过进一步调整来提高技术系统的整体理想度，有害作用则需要利用某些工具进行消除。功能的分类为功能分析和裁剪提供了依据。

图2 功能的类型

1.2 功能模型的建立

任何系统的元件必有其存在的目的，也就是提供功能，运用功能分析，能够发现系统元件的目的和表现，从而发现问题的根本。由于功能分析的本质是在现有产品基础上进行创新和改机，所以需要一个基础产品来作为设计的出发点。利用功能分析，将该基础产品建立基础功能模型，来进行后续的设计工作。

系统是由功能元件及作用组成的，将功能和元件用图表的形式表达出来，即为功能模型。具体步骤为：

(1) 确定元件、制品、超系统。如图3所示的表达方式。

图3 元件的表达

(2) 进行元件相互作用分析：构造元件间的相互作用矩阵。如表1。

表1 元件相互作用关系矩阵表

(3) 进行作用类型及等级分析，即有用功能和有害功能。

2 裁剪方法

2.1 裁剪的定义

裁剪是TRIZ中一条重要的进化路线，是一种通过裁剪，减少技术系统中某些元件或者组件，仍能保留有用功能的改进系统的方法。裁剪作为产品功能分析的重要步骤，其目的是为了研究每个功能是否必需，如果必需，系统中的其他元件是否可完成有用功能[4]。

2.2 实施系统裁剪的规则

裁剪规则进一步为裁剪组件的选择提供了更为具体详细的依据。根据两组件及两组件间的相互作用，通常有4中裁剪规则[5-6]：

规则一：如果不存在受作用组件B，则裁剪掉组件A、组件B及作用，如图4。

规则二：组件A实现的功能由受作用组件B自己实现，则可以裁剪组件A，如图5。

规则三：如果系统或超系统中存在的组件C可以实现组件A的功能，则组件A和组件A实施的作用可以被裁剪，如图6。

规则四：如果新组件能够完成组件A的功能。则组件A和作用可以被裁剪，如图7。

图4 规则一 图5 规则二

图6 规则三 图7 规则四

2.3 裁剪的流程

裁剪主要针对已有产品，通过功能分析，删除功能元件，完善功能模型，得到理想解，其具体的实施流程如图8所示。

图8 裁剪流程

3 电风扇的裁剪

一到夏天，落地扇是人们常用的必需品，虽然扇叶有网罩阻挡，但难免会有人被转动的扇叶伤到；风扇使用时间长，也会落入很多灰尘，影响美观。

上述出现的问题与理想状态还有一定差距，我们利用功能分析和裁剪来解决此问题。

按照建立功能模型相关内容，确定落地扇系统的各个作用元件，以及元件间的相互作用、作用类型并绘制系统的功能模型。如表2为落地扇各元件间的相互作用关系，根据表2建立功能模型，如图9。

表2 落地扇元件相互作用矩阵

图9 落地扇的系统功能模型

通过图8可知，网罩对人具有保护作用，由于扇叶转动需要使气流流动出来，网罩需要留有一定缝隙，年幼者还是容易把手伸进网罩内，从而被转动的扇叶打伤，所以网罩对人的保护作用的是不足的，且扇叶对人造成损伤是有害作用；同时网罩对扇叶防止灰尘落入的作用也是不足的，从而影响了整个系统功能实现的理想度。

根据上述分析可以得到，“扇叶”和“网罩”是问题组件，需要对其进行裁剪分析。根据裁剪规则四，如果新组件能够完成主动组件的功能，则主动组件和作用可以被裁剪，现将扇叶和网罩裁剪，用一个新的组件来实现使人凉爽，但不会打伤人的功能，故裁剪后的功能模型如图10所示。

图10 裁剪后的功能模型

针对裁剪后的功能模型，由组件直接作用与人，故出现了市场上的无叶风扇[7](国外已申请专利)，它是由无论增压器和喷气发动机产生气流，然后由环形的出风口将气流排除，直接作用到人，此种风扇，不会对人造成伤害，结构简单，易清洁。

4 结 论

本文主要介绍了TRIZ理论中的功能分析和裁剪的实施过程，通过无叶风扇的例子给创新设计人员提供了一个良好的设计思路。根据具体情况，进行功能分析，建立功能模型，选用不同的裁剪规则，得到创新设计，优化技术系统，提高理想度。