基于TRIZQFDFA的产品概念设计过程模型0淄博

基于TRIZ/QFD/FA的产品概念设计过程模型

基于TRIZ/QFD/FA的产品概念设计过程模型 2011年12月03日 来源： 目前己经诞生了许多计算机辅助创新技术，如，利用键合图方法产生多个设计方案的研究;支持概念设计的功能结构分解研究;基于QFD的概念设计研究等，其中TRIZ(俄文的缩写，英文为TIPS.theory of数据problem solving)方法受肯睐。TRIZ 理论方法的相关研究始于1916年，以G.S.Altshullcr为首的前苏联的研究团队分析了数万项专利，综合多学科知识，提出创新问题的一系列可遵循的原理和法则。随后，TRIZ的研究与实践在西欧和美国迅速发展，其应用也遍及许多领域。Invention Machine公司和Ideation International公司都开发出了基于TRIZ理沦方法的计算机辅助创新软件，有效地解决了相关应用领域的创新问题。1 概念设计过程模型概念设计首先要弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广义上的解，善把设计知识、制造知识、商业运作知识等堵多方面融合在一起，最终完成影响整个产品生命周期的重要决策。QFD是企业用来改善市场份额的一个非常重要的工具，利用调查、会面 ,测试等手段收集与客户需求相关的信息，并以此驱动产品设计。同时结合本单位的设计、生产、资金等资源和市场竞争状况，决策新产品的功能、性能、成败、上市时间等，使企业产品在最大限度满足需求的情况下，获得最大的经济效益和社会效益。QFD的主要功能即是确定产品最主要的问题和参数，明确优先权及各参数与最终目标值的关系，并将其转换为设计和制造信息。通常采用矩阵的形式构造质量屋(HOQ: house of quality)表示用户需求、产品功能及其相互关系，如图1所示。

图1 HOQ结构

QFD通过对产品开发各个功能和活动的分析，以及它们之间关系的描述、转换，实现对产品开发过程的管理、指导和控制，以保证最大限度地满足客户的需求。任何产品都要完成一定的功能，因此从功能分析入手进行设计是行之有效的办法在进行新产品设计时，建立QFD矩阵中What、和How、关系之前，必须把产品的功能进行分解，细化到基本的功能单元。矩阵中的每一个What都应有现存的产品结构功能单元与之对应。通过功能分解及QFD方法可以了解客户需求、明确新产品设计的客观条件，但由于信息的复杂性、问题的模糊性等堵多因素的干扰，很难明确问题本质，而不能很快找到切实可行的解决问题的方法与合理的设计途径。因此，需要结合TRIZ理论方法的思想和工具，对概念设计的过程加以完善。TRIZ解决问题的流程图如图2所示，分为阐明问题、问题分类、解决问题和确定评价概念等几个过程。

图2 TRIZ解决问题的流程图

根据概念设计的特点，利用TRIZ的理论方法，结合QFD/FA的应用，概念设计过程模型，主要包含如下5步：1.1问题文档和初步分析为了获得QFD的需求数据，利用调查问卷的方式完成。调查问卷组成:1)系统信息:系统名字、系统结构、主要功能、系统环境等;2)问题信息:要解决的问题，问题产生的机制，问题的历史，理想结果等;3)变革系统:允许的改变，改变的限制;4)可利用的资源:作用于系统的物质、场、时间、空间等;5)问题解决历史:含类似问题的其他系统;6)问题解决的标准:期望的技术经济特征，期望时间表，预计创新的程度，其他评价标准;在掌握了大量丰富的需求资料后，利用QFD分析数据，分明需求层次，了解产品状祝，提取有用信息，明确问题方向。1. 2阐明问题(公式化表达)问题的描述在二个层面上进行，见图3。在最初的了解过程中，利用系统的属性、特征等专业语言描绘系统，随着了解的深入，用功能语占描述问题行之有效。为了解决问题，在创新语A层面上(用TRIZ方法)描述系统。

图3 问题的描述

问题的公式化描述可以使问题解决变得明确和容易，便于制定解决的标准。1)问题建模与知识转换对大多数人来说，头脑中存在的有关特殊问题的知识很难精确地、有秩序地用笔写在纸上。建模过程就是要把大量的智慧数据转换为有序的知识单元的集合，井要明确单元间的相互关系。问题的公式化模型由两个基本元素组成:功能与连按。功能由描述问题或系统的文字组成，表达了一个事件或条件，如一个动作，组件，过程步骤等;连按用两个功能之间的箭头表达，描述一定的关系。2)创新方向复杂问题难于解决的原因是它不能仅仅通过单一操作得以解决，往往经过无数次挫折后还毫无结果。成功者的经验表明:复杂问题需要多方面的描述。创新方向就是用来描述复杂问题的一系列简单问题的集合，连续地处理这些问题等价于从多方面对问题的解决进行逼近。3)理想结果理想最终结果IFR(ideal final result)是TRIZ的一个重要概念，理想最终结果是独立于原始问题的机制和约束对技术问题的解。可简单表述为:理想最终结果=利益/(花费+损害)在了解了客户需求明确问题之后，首先要形成待开发产品的IFR，这有助于扫破传统的心里束缚，产生突破性创造结果。1. 3优化创新方向 TRIZ作为一门有着50年历史且不断发展的科学，形成了一套结构化的知识。相比Brain storming方法等，可以更快集中创新能力于直接关系到最终结果的特定问题上，快速找到解决问题的最佳途径。1. 4方案综合复杂问题需要分解为多个创新方向的集合，每个创新方向针对特定的视角。每个想法都不能表述为整个问题的解决，但整个集合覆盖了所有可能。这些想法要组合为新的概念。创新想法的分类组合要基于如下的约束:1)组合针对同一功能的不同想法每一个想法都有自己的优缺点，组合后的新想法具有所有这些优点，尽可能排除缺点。2)组合己知系统a.组合有同等功能的系统。多数情祝下，为了同一目的存在着多个系统，有着不同的运作原理。可以通过优缺点的补偿得到更好的结果。b.组合有对等功能的系统。对等功能系统的组合可以得到更精确的解。3)化简在组合想法、功能和系统的同时，也增加了设计概念的复杂性。因此化简是必不可少的。1. 5结果评价1)评价概念标准的满意程度:花费不应增加，产量不应减少，能量消耗不能增加，适用性不能减少，精度不能下降等;2)揭示潜在失败可能性；3)制定实施计划。2 在概念设计过程中应用TRIZ工具解决问题2.1冲突的解决方法由于系统属性之间存在依赖性，某一属性的变化往往会牵连其它一些属性的变化。这种冲突包括物理冲突和技术冲突o TRIZ方法通过专利分析，抽象出产生系统矛后对立的39项典型技术特性。任何技术冲突都是发生在39个特征的某两个之间，G.S.Altshuller在研究专利的基础上，提出了40个可遵循的原理，用来解决技术矛盾，为了明确，在冲突矩阵中为每个冲突给出主要的4个解决原理，见图4.

图4 冲突原理的应用

2. 2物质一场(S-Field)分析S-Field分析是对技术系统建模TRIZ分析的工具，它用符号语占来表达系统变换，从而明确问题关键，找到合理解决办法。任何技术系统都实现了一定的功能，可以表述为由对象S1、作用体S2和场F组成的作用系统，二者缺一不可，只有形成这样完善的二角结构，系统才能有效地行使功能。这里"物质"与."场"的概念是广义上的，可以用其描述各种技术系统。一个复杂的系统可描述为数个"二角形"交叉在一起组成的系统。当系统中某一机能不能形成二角结构，就说明系统有问题，需要引入另外的物质或场来完善系统。通过对S-Field图元素的增删改，可以有效地解决系统复杂的矛盾。S-Field分析方法提供了76条解决S-Field模型问题的方法，根据这76条方法，可以方便快捷地解决问题。3 案例分析纺纱机构中的一个摩擦问题，其机构模型如图5所示。

图5 纺纱机构简单机构模型

1)问题纺纱的引线装置中有一个简单往复牵线机构，由于摩擦会使机构过热，因此限制了纺纱的速度，而实际需要更快的速度来增加产量。2)系统调查问卷系统信息、系统资源等(略去)。3)系统中的冲突转轴速度与摩擦热量。4)冲突理沦利用冲突矩阵，如下特征适用于该冲突:a产量(39，第39项技术特性);b移动物体的耐久力(15);c速度(9);d物质损耗(23)a根据冲突矩阵，最适合的原理为:a改变对象的物理化学状态(35)指改变对象的硬度、表面结构等;b取代机械系统(28)，如用电磁系统等。5)关键问题

6)系统S-Field图描述与分析S-Field分析图见图6。

图6 S-Field分析

参考76个标准解决方法，要消除系统的有害功能，需要引入新的物质(如气体)和新的场(如电磁场)。7)结果改变S1和S2的硬度、密度、材料或表面质量;在S1和S2间加入磁场;在S1和S2之间加入气体和润滑剂等物质;把SO独立悬挂在电磁场中，利于场产生S1和S2共同作用的结果。4 结论基于TRIZ/QFD/FA的概念设计过程的模型，是建立在数字化虚拟设计的环境下的，针对概念设计过程本身的复杂性、模糊性和多变性，在设计过程中尽可能地减少了不确定因素，用可遵循的算法代替人脑不规则的想法，充分利用了己有的成功经验。该概念设计模型大大改善了设计过程，缩短了设计周期，同时通过TRIZ辅助工具的运用，方便了问题的解决，有利于设计创新。(end)

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