基于TRIZ理論的CAI在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

管芳景

摘 要：計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)（CAI）的出現(xiàn)是對(duì)制造業(yè)CAX體系的發(fā)展和完善。該文介紹了計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)的理論基礎(chǔ) ——TRIZ，及其解決創(chuàng)新問(wèn)題的一般結(jié)構(gòu)、流程。闡述了船舶設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)的重要性。用兩個(gè)實(shí)例說(shuō)明了運(yùn)用TRIZ理論解決船舶設(shè)計(jì)中具體問(wèn)題的方法。

關(guān)鍵詞：CAI TRIZ 方法論 矛盾矩陣 創(chuàng)新原理 物-場(chǎng)分析模型

中圖分類號(hào)：U662 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）11（b）-0037-03

隨著國(guó)家制造業(yè)信息化工程的推進(jìn)，利用信息技術(shù)提高制造業(yè)的創(chuàng)新能力，對(duì)于制造業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（Computer Aided Innovation）是新產(chǎn)品開發(fā)中的一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)研發(fā)加以支持，成功地把信息化技術(shù)應(yīng)用到了產(chǎn)品生命周期的最前端。它是以發(fā)明創(chuàng)造方法學(xué)（TRIZ）研究為基礎(chǔ)，結(jié)合本體論、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、多領(lǐng)域科學(xué)知識(shí)綜合而成的創(chuàng)新技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新已成為了相關(guān)行業(yè)輔助創(chuàng)新設(shè)計(jì)者解決產(chǎn)品創(chuàng)新的有效工具，設(shè)計(jì)者通過(guò)分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造流程中所存在的問(wèn)題，以解決新產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)中所遇到的技術(shù)難題而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已受到廣泛關(guān)注，已被應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)、制造行業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域。

1 TRIZ理論和CAI

TRIZ理論是計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新技術(shù)的基礎(chǔ)。TRIZ理論的創(chuàng)始人為前蘇聯(lián)的Altshuller，他通過(guò)對(duì)世界各國(guó)發(fā)明專利的分析與研究之后而創(chuàng)立了TRIZ理論。TRIZ的核心思想主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）一個(gè)產(chǎn)品或一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的規(guī)律。（2）解決在產(chǎn)品研發(fā)或系統(tǒng)開發(fā)中的各種技術(shù)難題、沖突和矛盾。（3）以較少的資源實(shí)現(xiàn)較多的功能，達(dá)到一個(gè)理想解。

1.1 TRIZ理論解決過(guò)程

在利用TRIZ解決問(wèn)題的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者首先將待設(shè)計(jì)的產(chǎn)品表達(dá)成為TRIZ問(wèn)題，然后利用TRIZ中的工具，如，發(fā)明原理、標(biāo)準(zhǔn)解等，求出該TRIZ問(wèn)題的普適解或稱模擬解（Analogous Solution）；最后設(shè)計(jì)者在把該解轉(zhuǎn)化為領(lǐng)域的解或特解。

在運(yùn)用TRIZ理論解決具體問(wèn)題的過(guò)程中，TRIZ研究機(jī)構(gòu)已提供了多種TRIZ解決工具，如，沖突矩陣、76標(biāo)準(zhǔn)解答、ARIZ、AFD、物質(zhì)-場(chǎng)分析、ISQ、 DE、8種演化類型、科學(xué)效應(yīng)、40個(gè)創(chuàng)新原理，39個(gè)工程技術(shù)特性，物理學(xué)、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理知識(shí)庫(kù)。這些工具為創(chuàng)新理論軟件化提供了基礎(chǔ)，從而為TRIZ的實(shí)際應(yīng)用提供了條件。

利用TRIZ解決實(shí)際問(wèn)題的流程可以劃分為以下幾個(gè)階段。

（1）問(wèn)題定義階段：將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題使用相應(yīng)的方法進(jìn)行分析，進(jìn)行抽象化，讓其達(dá)到一種理想化解。（2）工具選擇階段：根據(jù)實(shí)際問(wèn)題情況，進(jìn)行問(wèn)題詳細(xì)分析后，選擇解決工具。（3）解決方案產(chǎn)生階段：根據(jù)解決工具，選擇適當(dāng)?shù)慕鉀Q方法，通過(guò)技術(shù)演化等達(dá)到相應(yīng)的解決方案。（4）解決方案評(píng)估階段：這個(gè)階段是對(duì)解決方案進(jìn)行驗(yàn)證階段，看選擇的方案能否達(dá)到理解化解，若沒(méi)有達(dá)到，重新進(jìn)行問(wèn)題定義或工具選擇。

1.2 CAI

一項(xiàng)新的技術(shù)要在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，軟件化是關(guān)鍵。CAI以TRIZ理論為基礎(chǔ)，它的出現(xiàn)為TRIZ的大規(guī)模系統(tǒng)化應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。在國(guó)外很多知名企業(yè)，已使用CAI在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段來(lái)解決產(chǎn)品創(chuàng)新中所存在的問(wèn)題，提高了產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)TRIZ理念的研究，很多研究所和企業(yè)使用CAI進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，為創(chuàng)新提供強(qiáng)大的動(dòng)力，推進(jìn)了我國(guó)產(chǎn)品或技術(shù)的自主創(chuàng)新。

2 CAI在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

根據(jù)近幾年船舶行業(yè)經(jīng)濟(jì)情況分析，技術(shù)創(chuàng)新在船舶工業(yè)發(fā)展方面起了很大的推動(dòng)作用，提高了行業(yè)影響和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)對(duì)高技術(shù)船舶科研尤為重視，自科研專項(xiàng)實(shí)施以來(lái)，很大程度上推動(dòng)了船舶工業(yè)整體技術(shù)水平的提高，研究項(xiàng)目應(yīng)用效果十分顯著。但我們也看到，我國(guó)船舶行業(yè)在取得巨大成就的同時(shí)也存在著自主研發(fā)、自主建造等能力上的不足，CAD、CAM、CAE等軟件的應(yīng)用為制造研發(fā)帶來(lái)了巨大變革和提高，但這些技術(shù)均只能夠在產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段加以支持，無(wú)法支持產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，由此可見(jiàn)，CAI技術(shù)引入船舶概念設(shè)計(jì)很重要，尋求在產(chǎn)品上的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高自主創(chuàng)新能力。

2.1 應(yīng)用實(shí)例1

水翼艇、水翼船是一種高速船舶，在底部裝上水翼，主要依靠水翼提供的浮力運(yùn)行在水面。在高速運(yùn)行下，水的溫度和壓力發(fā)生了變化，船舶在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所遇到的各種阻力，船舶穩(wěn)定性以及船體和推進(jìn)器在水中引起的空化現(xiàn)象。水翼在長(zhǎng)期高速狀態(tài)下運(yùn)行，大量氣泡會(huì)在水翼表面產(chǎn)生，被產(chǎn)生的氣穴腐蝕。

應(yīng)用背景： 防止水翼被氣穴腐蝕。

問(wèn)題描述：當(dāng)水翼在水中移動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣穴腐蝕現(xiàn)象。通常采用的一種防止水翼產(chǎn)生氣穴腐蝕的方法是冷卻水翼，使其表面被冰覆蓋，讓冰層成為氣穴腐蝕的載體，來(lái)防止水翼被腐蝕。但問(wèn)題是：需要不間斷地提供冷卻的能量維系冰層，這樣就需要消耗大量能量來(lái)保持冰層，以防止水翼被氣穴腐蝕。

求助于CAI，調(diào)用TRIZ中的“物-場(chǎng)分析法”分析：腐蝕通過(guò)氣穴作用于水翼，需設(shè)法消除腐蝕這一負(fù)面效應(yīng)，TRIZ建議引入新的物-場(chǎng)資源，帶冰層的水翼如圖1所示。

解決方法：結(jié)合工程實(shí)際，最終解決方案為：利用水翼外圍的水。將水翼上會(huì)產(chǎn)生氣穴腐蝕的部位穿孔，由于上下表面的壓力差，水在這些小孔表面形成保護(hù)水層，從而防止水翼遭受氣穴腐蝕，帶內(nèi)保護(hù)水層的水翼如圖2所示。

2.2 應(yīng)用實(shí)例2

工程應(yīng)用背景：裝配船體通常在造船廠進(jìn)行。然而，隨著海運(yùn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)需求，對(duì)船舶的規(guī)模要求迅速增加。因此，需要建造能夠裝配大型船只的大型造船廠。然而在陸地上建造巨大的造船廠成本過(guò)高。

技術(shù)矛盾：提高靜止物體的長(zhǎng)度（船體的大小）卻增加了靜止物體（裝配船體的造船廠）的體積。

根據(jù)技術(shù)矛盾，建立了矛盾矩陣，將靜止物體的長(zhǎng)度作為優(yōu)化參數(shù)，而靜止物體的體積作為惡化參數(shù)，選取了創(chuàng)新原理35、8、2、14。

矛盾矩陣如表1所示。

相關(guān)原理解釋如下。

（1）創(chuàng)新原理35：物體的物理或化學(xué)狀態(tài)的變化。

改變物體的凝聚狀態(tài)、密度分布、可撓度、濕度等。

（2）創(chuàng)新原理8：重量補(bǔ)償。

①通過(guò)對(duì)某一物體的重量進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高與其他物體重量的平衡。

②通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)特性、流體力學(xué)特性的相互作用調(diào)節(jié)物體的質(zhì)量。

（3）創(chuàng)新原理2：抽出。

從物體中抽出產(chǎn)生紊亂的或是需要的部分或?qū)傩浴?/p>

（4）創(chuàng)新原理14：回轉(zhuǎn)、橢圓性。

用線性替代曲線部分。

應(yīng)用創(chuàng)新原理： 應(yīng)用重量補(bǔ)償原理。

根據(jù)重量補(bǔ)償原理，在水上建造水上船塢，利用水的浮力實(shí)現(xiàn)重量補(bǔ)償。

首先，通過(guò)將多個(gè)中空防水的短圓柱體焊接，組裝成兩個(gè)長(zhǎng)圓柱體。長(zhǎng)圓柱體的浮力大，在裝配過(guò)程中該浮力可用于補(bǔ)償其余組建部分的重量。同時(shí)，它們?yōu)榇w提供浮力。

然后，兩個(gè)長(zhǎng)圓柱體彼此相互平行排列。通過(guò)起重機(jī)，將船體底部分為兩部分，分別安裝在長(zhǎng)圓柱體上，兩部分焊接。這樣所組裝的雙底船體可作為下一步裝配的支撐。

應(yīng)用結(jié)果：浮動(dòng)分段組裝的應(yīng)用使得在水面上裝配船體成為可能。這樣就消除了對(duì)大型造船廠的需求。

首先，通過(guò)焊接多個(gè)中空防水的短圓柱體，組裝成兩個(gè)長(zhǎng)圓柱體。中空的圓柱體浮力大，在船體裝配過(guò)程中，浮力可以用來(lái)補(bǔ)償其他裝配部分的重量。同時(shí)，又為船體提供了浮力。

然后，兩個(gè)長(zhǎng)圓柱體相互平行排列。通過(guò)起重機(jī)，將船體的底部分別安裝在長(zhǎng)圓柱體上。

應(yīng)用結(jié)果：浮動(dòng)分段組裝使船體在水面上的裝配成為可能。這樣就消除了裝配大型船只時(shí)對(duì)大型造船廠的需要，解決方案如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

將CAI技術(shù)引入到船舶設(shè)計(jì)中，將完善船舶工業(yè)的CAX（CAD/CAE/CAM/CAPP/CAT/CACD）體系，更加有力地支持船舶的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和技術(shù)改進(jìn)工作，提升船舶工業(yè)的自主創(chuàng)新能力。因此研究CAI及其理論基礎(chǔ)——TRIZ具有重要的應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]付敏，于大雪.基于TRIZ和CAI的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究[J].工業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2015（11）：147-153.

[2]史曉凌，高艷，張廣海.TRIZ理論及CAI技術(shù)——技術(shù)創(chuàng)新的利器[J].中國(guó)農(nóng)村科技，2012（4）：30-33.

[3]Toru Nakagawa.USIT Operators for Solution Generation in TRIZ： Clearer Guide to Solution Paths[J].Triz Journal，2004（3）.

[4]Darrell Mann.Hands-On Systematic Innovation[M]. CREAX Press，2002.

[5]Kai Yang，Hongwei Zhang.A Comparison of Triz And Axiomatic Design[C]//Proceedings of ICAD2000 First International Conference on Axiomatic Design Cambridge. 2010.

[6]Ellen Domb，Joe Miler，Elen MacGran.The 39 Featares of Ahshuller's Contradiction Matrix[J].TRIZ journal，l998（11）.

[7]檀潤(rùn)華.創(chuàng)新設(shè)計(jì)——TRIZ：發(fā)明問(wèn)題解決理論[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[8]丁俊武，韓玉啟，鄭稱德.創(chuàng)新問(wèn)題解決理論——TRIZ研究綜述[J].科學(xué)學(xué)與科學(xué)技術(shù)管理，2004，25（11）：53-60.