基于TRIZ理論的機場消防車頂蓋設計*

王云鵬，王 都，楊 科

(陜西重型汽車有限責任公司，陜西 西安 710200)

0 引 言

由于機場各種不確定因素的存在，飛行事故也時有發生，因此都會配置相關設施隨時應對突發狀況。機場消防車是指專門用于預防及撲救飛機火災、并對機上乘員予以及時救援、可在車輛行駛中噴射滅火劑的機場專用消防車輛[1]。

消防水炮是消防工作中最常用的滅火裝備之一，不僅可以用于消防車、消防船、海監船等移動設備上，還可以固裝在油罐區、工業園、港口碼頭等火災高發區域。消防水炮的反作用力非常大，并且由于持續時間長，方向不定，對承載物的承載能力有很大要求。對于機場消防車，消防水炮的承載物，即機場消防車頂蓋，需要承受住大范圍角度的反作用力，故需要在不影響重量的前提下進行創新設計，增加其承載力，以達到使用需求。

相對傳統創新方法，TRIZ理論(Theory of Inventive Problem Solving)使得創新過程效率提高，能夠幫助預測產品的發展角度，具有良好的可推廣性和普適性。筆者以機場消防車頂蓋設計為例，利用TRIZ理論進行設計，得出優選方案，為機場消防車頂蓋設計提出具有參考性的設計方案，并為其他消防工具的創新設計提供新思路。

1 TRIZ理論和消防車頂蓋設計

1.1 TRIZ理論概述

TRIZ理論是前蘇聯G．S．Altshuler及其領導的一批研究人員提出的發明問題解決理論，目標就是把創新問題轉換為常規問題，利用前人的經驗快速獲得創新問題解決方案。TRIZ理論的幾大經典理論體系包括：技術系統八大進化法則、最終理想解IFR、40個發明原理、39個工程參數及矛盾矩陣、物理矛盾和四大分離原理、物一場模型分析、發明問題的標準解、發明問題解決算法ARIZ、科學效應和知識庫。TRIZ理論能夠系統地分析問題，直面問題矛盾所在，并解決它，幫助設計者突破思維慣性，以新的視角分析并解決問題[2]。圖1為基于TRIZ理論的產品開發流程。

圖1 基于TRIZ理論的產品開發流程

1.2 消防車頂蓋方案

基于現有車型及設計方向，認為加強頂蓋強度能夠增加其承載力，但是會增加駕駛室重量。利用TRIZ理論，這種矛盾屬于技術矛盾，通過查閱TRIZ矛盾矩陣表，得到解決矩陣[3]。對資料進行整理，結果如表1所列。

表1 消防車頂蓋分析表

查看工程參數提供的發明原理，并根據成本，生產難度等方面進行分析，得出3個設計方案，如表2所列。

表2 消防車頂蓋分析表

對表2進行分析，并進行概念設計，得到3個設計方案，初始方案和設計方案如圖2～5所示。

圖2 消防車頂蓋初始方案 圖3 消防車頂蓋設計方案1

圖4 消防車頂蓋設計方案2 圖5 消防車頂蓋設計方案3

此圖為目前消防車頂蓋橫梁結構，后續方案均在此基礎上進行調整。

方案1根據組合原理，增加組合橫梁，具體為雙層焊接橫梁，焊接螺栓等，增強承受力。

方案2根據中介原理，對原先較分散的焊點進行重新布置，同時對薄弱地方進行增加焊點密度處理。

方案3根據多孔材料原理和組合原理，在前橫梁表面焊接一個多孔橫梁，在盡減輕重量的前提下增加強度。

2 仿真結果分析

使用軟件HyperMesh進行分析，按照水炮噴射方向，載荷共有9種，載荷大小為4500 N，為水炮反作用力平均值的1.5倍，方向與噴射方向相反。載荷投影與x軸夾角分別為180°，90°，7.5°，噴射仰角分別為-45°，0°，70°，按照噴射方向將工況標記為：180_-45，180_0，180_70，90_-45，90_0，90_70，7.5_-45，7.5_0，7.5_70，如圖6所示[4]。

圖6 消防水炮載荷

對三個方案進行90_-45工況對比，結果如圖7～9所示。

圖7 方案1仿真結果 圖8 方案2仿真結果

根據仿真分析結果，方案1，2，3，90_-45工況下最小靜態安全因子如表3所列。

表3 90_-45工況下最小靜態安全因子

圖9 方案3仿真結果

由表3可得，只有方案3在此工況下最小靜態安全因子大于1，故初步選用方案3，并對其在各個工況下進行分析，結果如圖10所示。

圖10 方案3在不同工況下的仿真結果

根據仿真分析結果，方案3在不同工況下最小靜態安全因子如表4所示。

表4 方案3各工況最小靜態安全因子

結論：方案3在各工況下最小靜態安全因子均大于1，滿足設計要求。

3 結 語

以機場消防車頂蓋設計為例，應用了TRIZ理論進行了產品方案的設計，通過對設計方案進行多工況仿真分析，驗證實驗方案的可行性。TRIZ理論可以幫助設計師很好地進行產品創新設計和改良，從而實現產品的高效創新和改良，并以高效的方式解決實際應用問題。