TRIZ理論應用于氣墊船創新設計的探索

徐國華 黃景明 羅永城 馮英

摘 要：本文對TRIZ理論的核心和解決發明問題的過程進行了簡單介紹，對TRIZ理論在氣墊船創新設計過程中的應用進行了探索，應用該理論中的矛盾矩陣和76個標準解等工具快速有效地找到困擾氣墊船技術發展難題的解決方案，采用氣墊分體設計和平衡陀螺感應技術實現氣墊船在高速行駛中的靈活轉向避讓、緊急剎停及自動調節船體壓力平衡，提高了氣墊船的安全性能和市場競爭力，同時也說明了TRIZ對氣墊船的創新設計工作有很大的促進作用。

關鍵詞：TRIZ 氣墊船 創新設計

中圖分類號：TH11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（c）-0070-03

Abstract： This paper briefly introduces the core of TRIZ and the process of solving the problem of inventions， and explores the application of TRIZ in the innovation design process of hovercraft， by using the contradiction matrix and 76 standard solutions in this theory， the solutions to the problems of the technology development of the hovercraft are quickly and effectively found，the air cushion separation design and balance gyro sensor technology are adopted to realize the flexibility of the hovercraft in the high-speed driving， emergency stop and automatic adjustment of hull pressure balance， improve safety performance and market competitiveness of the hovercraft， and also explains the innovation design of TRIZ on the hovercraft has a great role in promoting.

Key Words： TRIZ；Hovercraft；Innovative design

1 氣墊船的傳統方案及設計需求

1.1 氣墊船的傳統方案

氣墊船[1-3]又叫“騰空船”，是一種以空氣在船只底部襯墊承托的氣墊交通工具，主要用于水上航行和冰上行駛，還可以在某些比較平滑的陸上地形和浮碼頭登陸（見圖1）。氣墊船是高速船的一種，行走時因為船身升離水面，船體水阻減少，所以航行速度比同樣功率的船只快；也可用非常緩慢的速度行駛，在水面上懸停。目前，氣墊船類型日益增多，應用日益廣泛，多用作高速短途客運、休閑旅游、執勤巡邏、救援搶險、商業、勘察測量、軍事等方面的交通工具，要求在水上活動期間具有良好的靈活操縱性和穩定性。

傳統的氣墊船由裙圍、氣墊、控制系統、發動機、推進風扇和墊升風扇等組成。其工作原理如圖2所示，是利用大功率鼓風機將空氣壓入船底下在船底和水面（或地面）間形成氣墊，使船體墊起離開水面（或地面），再利用船底周圍柔性的裙圍或剛性的側壁把氣體圍住，限制在船底，防止逸出。啟動發動機（輕型柴油機或燃氣輪機），用墊升風扇將氣墊升起，推進風扇推進，航速可達20～90節，從而實現高速航行。航行中，通過操縱控制系統改變風扇后面的垂直舵產生風扇舵效應使氣墊船轉向，也可以通過體重控制位移來實現。

1.2 氣墊船的設計需求

現有技術中的氣墊船，沒有剎停系統，在較小范圍水域使用或者水域存在不顯眼障礙物或突然出現障礙物時，常發生剎停不及時，與障礙物發生碰撞；并且氣墊為一個整體，船上的人分布分散，船體受力不均衡或者船體存在非靜態受力時，常發生傾斜，甚至側翻。

目前解決剎停問題主要是從增加阻力板等方面考慮，解決翻船問題主要是從限定負載的位置等方面考慮，這些方案能夠有效減少問題的發生，卻不能徹底解決問題。需要一種具有更加可靠、可以快速停止前進的剎停系統和船體受力均衡的氣墊船。

2 TRIZ理論簡介

TRIZ理論[4-7]是蘇聯軍方技術員根里奇·阿奇舒勒（GenrikhAltshuller）與蘇聯的科學家們一起，經過50多年對數以百萬計的專利文獻和自然科學知識進行研究、整理和歸納，最終建立起一整套系統化的、實用的、解決發明問題的理論和方法體系。經過70多年的不斷發展，這一方法學體系在實踐中不斷完善，已取得良好的應用成果和巨大的經濟效益。

TRIZ理論的核心是技術進化原理。按這一原理，技術系統一直處于進化之中，解決沖突是其進化的推動力。進化速度隨技術系統一般沖突的解決而降低，使其產生突變的唯一方法是解決阻礙其進化的深層次沖突。在利用TRIZ解決問題的過程中，設計者首先將待設計的產品表達成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如矛盾矩陣、76個標準解、ARIZ、AFD、物質-場分析、ISQ、DE、8種演化類型、科學效應、40個創新原理、39個工程技術特性、物理學、化學、幾何學等工程學原理知識庫等，求出該TRIZ問題的普適解或稱模擬解（Analogous solution）；最后設計者再把該解轉化為領域的解或特解。

本文將應用TRIZ理論把氣墊船的技術問題轉化為TRIZ問題，然后利用TRIZ工具探索解決阻礙氣墊船技術進步的方案，推動氣墊船技術的發展。

3 基于TRIZ理論的氣墊船創新設計

3.1 系統分析

對所要研究的技術系統（氣墊船）構建一個系統分析模型（如圖3所示），進一步分析技術系統實現功能運作的相關聯子系統、超系統之間的相互作用關系，揭示問題產生的原因，明確系統改進方向。

從上述氣墊船系統分析模型圖中可知，推進風扇產生的前進氣流作用在船體上，從而推動船體高速前進，當推力取消時，船體仍具有前進“慣性”，當裙圍與水接觸時，水對裙圍存在阻力作用，阻力間接作用于船體，消減船體慣性，前進速度逐漸降低；由于阻力是裙圍與水產生的作用力，一般情況下是恒定的，當船體需要急速剎停時，慣性力遠大于阻力，進而造成船體繼續前進，發生碰撞現象；人和船體之間存在一對作用力和反作用力，人對船體有壓力，船體對人提供支撐力，而船體的支撐力又是來自裙圍、墊升氣流的共同作用，裙圍和墊升氣流對船體的支撐力是均衡的，當船體受到人的壓力，分布不均，打破力學平衡時，則容易發生翻船，因此，著重從船體前沖慣性和負載分布兩個方面進行創新改進。

3.2 解決方案

（1）改善船體前沖慣性的解決方案。

問題中，在不使用剎停系統的情況下，前沖慣性使船體保持著較大的前進速度。在船體上引入剎停系統后，可以改善船體的速度從而避免碰撞發生，但是剎停系統的引入會增加船體的重量，使得船體的前沖慣性更大。由上述分析可知，剎停系統改善了船體的速度，但惡化了船體的重量，因此，問題中存在一對技術矛盾：改善的工程參數為9速度，惡化的工程參數為1運動物體的重量。通過查找矛盾矩陣表（如表1所示）得到相應的創新原理：2抽取原理；28機械系統替代原理；13反向作用原理；38強氧化劑原理。

應用抽取原理和反向作用原理，得到如下的解決方案。

根據抽取原理“從物體中抽出必要的部分或屬性”得到啟發形成方案1，可通過限定或者降低船體的前進速度（即降低動力功率）、將船體部分金屬構件換成輕質材料構件等方式減輕船體的重量，進而減小船體的前沖慣性，解決船體剎停不及時發生碰撞的問題。

根據反向作用原理“用相反的動作，代替問題定義中所規定的動作”得到啟發形成方案2，通過增加一個產生由前向后作用力的裝置或系統，主動抵消船體的前沖慣性，解決船體剎停不及時發生碰撞的問題。

（2）改善負載分布不均的解決方案。

運輸時，人對于船有壓力，壓力不均勻會翻船，為防止翻船需要引入一個力場抵消負載對船產生的有害作用，采用物質-場分析方法構建人與船之間的問題模型（如圖4所示），查找76個標準解法得到解決方案模型（如圖5所示）。

根據解決方案模型得到方案3，可以對產生墊升氣流的墊升風扇結構進行改進，通過引入一個結構力場對船體承受的不均衡壓力進行結構補強，使系統能夠自適應調節從而消除或降低人對船體壓力不平衡的有害作用。

結合上述3個方案的優點得到最終解決方案（如圖6所示），將現有的一體設計的氣墊分割為4個相等的小氣墊均勻分布在船體的四個角落，并且在船體前面的兩個氣墊分別設置開口向前的剎停噴氣口，產生剎停阻力，主動抵消船體的前沖慣性，及時剎停氣墊船，避免發生碰撞事故；在船體上還增加了一個平衡陀螺，平衡陀螺與四個氣墊的控制系統相連，當船體產生側翻的傾向時，平衡陀螺將向控制系統發出信息，控制系統控制相應的氣墊的工作功率，產生更大的墊升支撐力，保持船體的受力平衡，避免側翻。

4 結語

通過TRIZ理論對氣墊船進行系統分析，將氣墊船的技術問題轉化為TRIZ問題，利用TRIZ工具得到3個解決方案，并綜合各個方案的優點形成最終解決方案，采用氣墊分體設計和平衡陀螺感應技術，設計剎停噴氣口和轉向噴氣口，有效提高了氣墊船的靈活操作性能，解決了容易碰撞、翻船等困擾氣墊船發展多年的技術難題，生產成本基本沒有增加，進一步提升了氣墊船的市場競爭力，市場前景看好，還可以有效解決氣墊船側翻的問題，提高氣墊船的安全性和穩定性，對保障人民生命財產安全有著重要意義。

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