应用TRIZ理论解决雷达桅结构振动问题研究

杜宜洋

（大连职业技术学院，辽宁 大连 116000）

0 引言

随着造船行业的不断发展壮大，船用雷达桅已经更新换代。船舶在大海中航行时，会受到风、浪、洋流等外部激励，同时一些周期性的激励也会由船舶自身的主机和推进器产生，甲板会传递这些激励到雷达桅上，就加剧了雷达桅的振动，影响了雷达桅上电子仪器的正常工作，甚至严重会振落仪器，造成事故，影响船舶的正常航行。

一般来说，影响雷达桅振动的因素主要有三个：1）船舶在航行过程中产生的激励；2）基座；3）雷达桅自身结构设计。桅杆的高度增加会增加雷达桅结构振动风险，同时会导致船舶共振几率增加，影响航行。本文基于 TRIZ(发明问题解决理论)的思想和方法对雷达桅结构振动问题展开研究，利用 TRIZ的工具和方法确定结构优化方案，以尽量低的振动频率实现雷达桅的方案设计。

1 TRIZ理论方法和问题处理流程

创新驱动，方法先行。TRIZ理论方法是以Genrich·Altshuller为首的前苏联数十家科研团队对上百万份的专利文献进行系统地分析和整理，并对其中具有数以万计的具有代表性的专利为重点进行归纳和总结，建立了一套以技术系统进化原理为核心的、体系化的、实用性强的解决问题的理论[1]。TRIZ被认为是目前最全面系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论，运用这一理论可以大大加快人们创造发明的进程，进而得到高质量的创新产品[2,3]。Altshuller将TRIZ矛盾问题解决流程分为四个阶段。实际问题——TRIZ标准问题——TRIZ标准解决方案——实际解决方案[4]。创新问题解决的过程就是将实际问题转换表达为一个TRIZ标准问题，然后利用TRIZ标准问题的解转化成实际的解决方案。

2 应用 TRIZ理论解决雷达桅结构振动题的过程

1）系统功能分析

将双燃料 VLCC的轻量化设计问题转化为TRIZ标准问题，该问题的技术系统是雷达桅支撑结构，主要功能是将雷达桅固定在船上，存在的问题是雷达桅支撑结构系统振动过大。在技术系统组件中，系统为雷达桅支撑结构，子系统包括基座、肘板、甲板、甲板下加强，超系统为船体。理清各组件的关系及其在系统中的作用，为后续的最终理想解法和资源分析提供支持。

2）资源分析

对雷达桅结构系统地进行资源分析，可用资源如表1所示：

表1 资源分析

可利用的派生资源有电场和磁场，提出方案1：引入电磁场，减小基座对于雷达桅结构的作用力，降低局部强度。

3）最终理想解法

雷达桅结构是从罗经甲板穿至驾驶甲板，占用了一部分上层建筑，所以雷达桅基座加强需要改变上层建筑结构，通过与雷达桅设计人员和房间布置人员讨论后，认为雷达桅基座穿过罗经甲板后，不利于通道内的行走，最终理想解是在不改变上层建筑结构的前提下将雷达桅结构固定在甲板上，达到理想解的障碍是雷达桅基座结构形式。因此提出技术方案 2：将雷达桅基座结构形式改为半圆管，代替原来的圆管结构。

雷达桅基座结构会影响船舶局部强度，需要减小其对局部强度的影响，因此提出技术方案：技术方案 3：雷达桅基座结构采用半圆管形式的同时，多增设两个肘板加强过度；技术方案 4：增加雷达桅基座面积，分散应力。

因雷达桅结构的布置位置对船舶的局部强度会产生较大的影响，因此提出技术方案 5：通过方案对比选取对局部强度影响最小的位置，优选雷达桅结构的布置位置。

4）技术矛盾

根据 TRIZ技术矛盾分析方法，将雷达桅结构振动问题中的技术矛盾用 39个通用工程参数表达，并根据技术矛盾矩阵查找解决方案。主要技术矛盾如图1所示。

图1 技术矛盾分析

确定要解决的技术矛盾为 EC-1，它发生在（增大了基座与甲板间接触面积）与（降低了基座的结构强度）之间，发生在（改进雷达桅基座的形状）的时候。

确定要解决的技术矛盾为 EC-2，它发生在（增强了船体对基座的支撑）与（减小了船舶的舱容）之间，发生在（将基座转化为船体的一部分）的时候。

确定要解决的技术矛盾为 EC-3，它发生在（增大了基座与甲板间接触面积）与（增加了甲板结构的重量）之间，发生在（改进甲板的形状）的时候。

改善的参数包括：26物质的量、11应力/压强、27可靠性。恶化的参数包括：8静止物体的体积、14强度、32可制造性。根据阿奇舒勒矛盾矩阵表得到对应的创新原理：35物理或化学参数改变原理、1分割原理、27廉价替代品原理、29其他和液压结构原理。

根据创新原理35和29提出技术方案6：雷达桅基座结构选用方管，代替原来的圆管结构，既增加了摩擦力，又保证了上层建筑结构可以对位。

5）物理矛盾

雷达桅基座应该结构完整，以满足对雷达桅结构强度支撑要求；但是，雷达桅基座占用了一部分上层建筑的地方，根据空间分离原理提出技术方案 7：设计一种上层建筑结构，围绕在雷达桅圆管形式基座周围。

3 技术方案的评价分析与验证

通过对上述7个技术方案从消除矛盾的程度、是否产生新的危害、成本、复杂性和可行性5个方面进行综合评价比较，最终技术方案 3：雷达桅基座结构采用半圆管形式的同时，增设四个肘板加强过度的综合评分最高，通过结构分析软件Patran对雷达桅结构振动的影响展开研究。

经过对比分析确定最终针对雷达桅结构振动问题的设计方案：雷达桅基座采用半圆管结构形式，保证上层建筑结构不改变；在雷达桅基座的半圆面增设四个肘板，均匀分布，减小应力集中影响。

4 结语

本文基于发明问题解决理论的思想和方法，对雷达桅结构振动问题展开分析，利用系统功能分析、技术矛盾分析等工具提出雷达桅结构优化的设计方案，并通过数值仿真进行验证。