【正文】 嚴烈. 中文AutoCAD2004機械工程繪圖案例經(jīng)典. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004年1月. 446~483[19]黃珊秋. 機械設(shè)計課程設(shè)計. 北京：機械工業(yè)出版社，2006年8月. 110~11143注釋注釋① 力偶：力偶（couple），大小相等、方向相反、作用線不在同一直線上的一對力。力偶對物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動效應。一力偶可用與其作用面平行、力偶矩相等的另一力偶代替，而不改變其對剛體的轉(zhuǎn)動效應。（解釋來自：百度百科） 圖注釋1 一對力偶示意圖（圖片來自百度網(wǎng)）②真空發(fā)生器：真空發(fā)生器就是利用正壓氣源產(chǎn)生負壓的一種新型，高效，清潔，經(jīng)濟，小型的真空元器件，這使得在有壓縮空氣的地方，或在一個氣動系統(tǒng)中同時需要正負壓的地方獲得負壓變得十分容易和方便，真空發(fā)生器的傳統(tǒng)用途是吸盤配合進行各種物搬運。（解釋來自：百度百科）圖 注釋2真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)原理圖（圖片來自百度網(wǎng)）③文中曲線的實驗來源文獻[1]：圖注釋3是進行安全測試的裝置，這個試驗裝置中，總共用了4 對與Cleanbot IV 同樣規(guī)格的吸盤，吸盤產(chǎn)生的吸力克服重力對試驗裝置的影響，試驗中，負載會逐漸增加，當負載大到一定程度，試驗裝置會從玻璃上滑下，說明已經(jīng)超過最大安全負載。在試驗中發(fā)現(xiàn),安全負載會隨著吸盤真空度的增加而增加，但是并不是線性增加的。圖注釋4表示了吸力和安全負載之間的關(guān)系。圖注釋3 安全測試的裝置 注釋4吸力和安全負載之間的關(guān)系 （圖片來自文獻[1]） （圖片來自文獻[2]）45謝辭謝辭47能量物料信號模型：應用于TRIZ理論的工程設(shè)計黑箱模型的改進譯文與原文漢語譯文能量物料信號模型：應用于TRIZ理論的工程設(shè)計黑箱模型的改進Madara Ogot（美國賓夕法尼亞州州立大學，工程設(shè)計綱要及機械與核工程系，大學園，PA 16802,，美國 madaraogot@）摘要：“發(fā)明問題的解決理論”（TRIZ）被廣泛地認為是一種適用于多學科領(lǐng)域的有效的系統(tǒng)的創(chuàng)新方法。本論文更加關(guān)注于工程設(shè)計方法以及例證如何改進已為工程設(shè)計人員熟知的建模方法以應用于TRIZ原理。例如，黑箱建模技術(shù)，一種在工程設(shè)計中較為普遍的問題表達分析方法，被修改以應用于TRIZ原理。新技術(shù)比如能量、物料、系統(tǒng)建模將不僅僅作為物質(zhì)場建模（原方法）的替代品，而是被吸收入工程設(shè)計家族現(xiàn)有的知識中。因此，它移除了通向更加廣闊的TRIZ應用的障礙而不需要設(shè)計者學習新的本質(zhì)不同的建模方法；本論文通過許多的實例達到了這種奇妙的功效。關(guān)鍵詞：問題表達；問題分析；TRIZ標準解決方案正文：TRIZ原理以其原理和方法收集的一般性被稱作可交叉運用于多學科的方法。為了獲得更多的讀者，大多數(shù)的TRIZ文章均使用已為TRIZ協(xié)會開發(fā)了很多年的普通建模方法和術(shù)語。然而，這種陳述也會在將文章中討論的經(jīng)典的TRIZ理論與個人特定的學科銜接時產(chǎn)生困難，從而阻礙TRIZ原理的廣泛運用。盡管TRIZ有如此強大的用途，但是無論是在工業(yè)上還是學術(shù)上它都沒有在工程設(shè)計方面得到廣泛的運用。這篇文章通過將已為工程設(shè)計人員熟知的建模技術(shù)配合或合并于TRIZ的方法探索出了增強TRIZ在工程設(shè)計領(lǐng)域運用的道路。該目的的實現(xiàn)是通過將黑箱建模技術(shù)這一廣泛運用于工程設(shè)計問題描述和分析的方法進行改進以使其能夠應用于TRIZ。新技術(shù)比如能量物料信號建模技術(shù)將不僅僅作為物質(zhì)場分析的替代品，還將具有以下不可或缺的特點：基于工程設(shè)計家族內(nèi)現(xiàn)存的知識，因此移除了阻礙TRIZ運用的障礙；同時適用于物質(zhì)和技術(shù)矛盾系統(tǒng)；固有地展現(xiàn)模型系統(tǒng)內(nèi)部事態(tài)發(fā)展；包括同一模型的多種狀況；在整個系統(tǒng)中甄選出真正需要解決的問題；包括系統(tǒng)中所有可用來獲取最終結(jié)果的資源，因此不再需要生成一張獨立的資源清單。在以下的文章中，將由兩個實例講述“能源物質(zhì)信號”模型的發(fā)展與應用。另外，大多基于物質(zhì)場建模的標準解決方案也將被修改以合并于新的建模方法。TRIZ是俄文中“發(fā)明問題的解決理論”的字頭，最早由以Genrich Altshuller為首的原蘇聯(lián)科研人員開始研究，現(xiàn)已被全世界所推廣運用。它最初是基于對蘇聯(lián)60、70年代早期成千上萬專利的分析。這些最初的分析從眾多專利中提取出了眾多的解決模式，這些解決模式可以被成功地用來解決新問題。這些解決模式最后被綜合成數(shù)個工具包括：（1）物理影響（2）進化原則（3）標準解法（4）技術(shù)矛盾和矛盾矩陣，以及（5）物理矛盾和分離原理所謂解決問題的環(huán)境是指數(shù)字式技術(shù)在企業(yè)內(nèi)部及市場上中應用。而核心是基于TRIZ的用于產(chǎn)品開發(fā)的程序模型。支持的該核心數(shù)字技術(shù)是CAI系統(tǒng)。核心創(chuàng)業(yè)的開拓與突破是一個市場機遇、模式、路線和路線上的企業(yè)的技術(shù)狀態(tài)和企業(yè)的包容能力相融合的過程。創(chuàng)新思維的開發(fā)依賴于TRIZ原理的運用，作用解和標準解。構(gòu)造與加工的設(shè)計融合有賴于環(huán)境的支持。若有沖突，就要應用到TRIZ原理來解決。TRIZ被認為是一種可以產(chǎn)生解決問題良好方法的原理，該原理運用了先前發(fā)明家濃縮的知識精華。它提供了一些措施，這些措施可以消除設(shè)計團隊傾向于普通、舒適的解決方案的“心理慣性”即使存是在存在更好、非傳統(tǒng)的解決方案的情況下。從圖1可以看出，一個設(shè)計團隊運用TRIZ原理將一個具體的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為一個一般的TRIZ設(shè)計問題。后者則是基于對大量不同的工程領(lǐng)域問題的分析、歸類。該一般的TRIZ設(shè)計問題指向相應的一般TRIZ設(shè)計方案，設(shè)計團隊可以從這些設(shè)計方案中獲得解決他們具體設(shè)計問題的方法。因此，TRIZ的力量就在于它與生俱來的本領(lǐng)能夠從不同的、表面上毫不相干的領(lǐng)域獲取解決方案用來解決特定的設(shè)計問題，從而形成突破性的解決方案。如何將解決實際問題與創(chuàng)新結(jié)合起來呢？創(chuàng)新的核心是找到困難與矛盾所在，諸如解決沖突問題和尋求快速解決的辦法。TRIZ不僅僅是一種有關(guān)于創(chuàng)新的有益技術(shù)，還涉及CAI軟件系統(tǒng)的開發(fā)。但是成功與有價值的創(chuàng)新應該是在數(shù)字技術(shù)環(huán)境下的進行。擁有這類數(shù)字技術(shù)環(huán)境的企業(yè)需要一個TRIZ應用的程序模型和應用TRIZ的良好思維模式，對于正在成長與開創(chuàng)中的中國的企業(yè)更應當是如此。發(fā)明的原理、標準解和作用解這些TRIZ原理的基本工具在這些情形下非常有用和有效的。正如圖8所示，首先分析問題，尋找解決問題的新思路，然后做出有效甚至正確的決策。若沖突矛盾確實存在，我們就可以選擇這些問題解決原理或者標準解去解決沖突、尋求答案。如果不存在沖突，應選擇作用解去解決沖突，然后對新的概念模型發(fā)展狀態(tài)做出評估。如果有一個或兩個概念被接受與認可，它們就可以被融入到接下來的設(shè)計與制造環(huán)節(jié)中去；如果概念沒有被接受或認可，就只能再次返回到創(chuàng)新評估階段去尋找新的解決方法。兩種發(fā)明原理可以用來解決技術(shù)矛盾和物理矛盾。在39個工程參量和一個矛盾解決矩陣中，我們可以由實際問題依據(jù)40個原理選其中有用部分，選擇的前提是這些參量和要解決的矛盾有關(guān)連的。4個獨立的原理可用于解決物理沖突，它們的選擇要根據(jù)空間、時間、環(huán)境以及部分與整體關(guān)系來進行。TRIZ理論中共有75個標準解，根據(jù)問題解決方式的不同，它們被劃分成五個大類。TRIZ中一個關(guān)鍵的理論就是建模，將所有的實在的物體（包括可見的和不可見的）作為物質(zhì)，同時將能量源（包括機械的、化學的、原子能的、熱能的、聲學的等等）作為場。因此一個公式（被稱為物質(zhì)場）可以被定義為具有一個物質(zhì)S1，其被一個場F1作用，因而生成了第二個物質(zhì)S2。一個完整系統(tǒng)的物質(zhì)場可以用如下的符號表示F 1?? S2 S1 (1)由公式可以看出，由物質(zhì)S1到物質(zhì)S2經(jīng)過了場F1正的或稱為需要的影響作用。值得注意的是在眾多的TRIZ文獻中，對物質(zhì)場的圖表描述有很大的不同。方程式（1）僅僅是給出了一種可能的表達形式。參數(shù)S1 、S2也常常被稱為功能載體、功能作用體，功能作用體分別地作用于功能載體以對其產(chǎn)生所需要的影響。那些不能同時具備三要素（功能載體、功能作用體和場）的模型是不完整的，而通過加入所缺少的要素系統(tǒng)中所出現(xiàn)的問題就可能得以解決。另外，如果功能作用體對功能載體具有損害性的影響，這時直的場線將會被彎曲成波浪線以表示將會有損害發(fā)生。 注釋1：Altshuller39。s等人的主要工作是研究機械類導向型的專利，近年來許許多多的研究人員開始研究世界范圍內(nèi)涉及各個領(lǐng)域的專利同時不斷更新TRIZ工具。 Royzen在1999年提議使用功能載體功能作用體作用功效（簡稱TOP）這一SFA的變量作為新一代的建模步驟。在TOP分析方法中有四個元素：功能載體、功能作用體、場和作用功效，其中作用功效可以被定義為有益的功效（簡稱UP）或是有害的功效（簡稱HP）。一個完整系統(tǒng)的TOP分析可以用如下的方程式表示：F 1T O UP (2)方程式（2）表示功能作用體通過場對功能載體產(chǎn)生一個有用的作用功效。SFA和TOP算法都要求工程設(shè)計人員學習新的建模技術(shù)、習慣和術(shù)語，因此它將阻礙技術(shù)更新。在下面的章節(jié)中將為你講述前面提到的能源物料信號模型的基礎(chǔ)黑箱模型。在實際的生產(chǎn)應用中，通過檢索進化理論中不同思維模式和問題解決路線可以發(fā)現(xiàn)與我們正在研究的現(xiàn)有產(chǎn)品的相關(guān)聯(lián)的解決問題的方法。首先應當選擇一種模式，然后選擇出該模式下的一種路線。設(shè)計人員從選定的路線中確定當前產(chǎn)品屬于哪一種情形。在這一路線中，當前狀態(tài)與末狀態(tài)之間的距離即為在該路線下的技術(shù)矛盾解決原理。通過運用以上檢索方法，一種或幾種技術(shù)矛盾解決原理就被選定出來。每一種技術(shù)矛盾解決原理包括了一種或幾種潛在的狀態(tài)，也就是當前狀態(tài)與末狀態(tài)的上一級狀態(tài)之間的狀態(tài)。每種潛在狀態(tài)同樣也蘊含著蘊含一種或幾種關(guān)于潛在解決技術(shù)矛盾的新想法、新原理，這些新想法及原理可作為當前技術(shù)方案在將來發(fā)展中的改進。研究人員開發(fā)出解決問題的物質(zhì)—場模型，然后根據(jù)蘇—場模型從系列1和系列4中選出一個標準解并隨之得到一個預先解。系列5則被用來對預先解做最后的修正并得到終解。TRIZ的作用解在模糊的設(shè)計工作開始階段有助于綜合利用物理學和問題解決原理實現(xiàn)創(chuàng)意催發(fā)一般來講，一個普通工程人員僅能掌握大約100個作用解。因此，對設(shè)計人員而言，作用解的數(shù)據(jù)庫是十分必要的輔助工具?，F(xiàn)在一些計算機輔助創(chuàng)新軟件也用該數(shù)據(jù)庫作為輔助開發(fā)工具。接下來討論的黑箱建模是基于Pahl和Beitz (1996)的工作。對工程系統(tǒng)的分析表明，其實質(zhì)是引入或轉(zhuǎn)化能源、物料或者是信號來獲得所需要的輸出，其中能源可以是多種形式的比如光能、原子核能、機械能、電能等等；物料是物質(zhì)的表征；信號則代表著信息傳遞的外觀形態(tài)，例如儲存在硬盤上的數(shù)據(jù)信息可以通過電信號傳遞到電腦內(nèi)存中。因此，一個工程系統(tǒng)最初可以被建模成一個如圖2所示的“黑箱”，在“黑箱”的兩側(cè)有能源、物料、信號作為輸入或者輸出。在“黑箱”模型中能源用細線表示，物料用粗線表示，而信號則用點畫線表示。因此這種工程系統(tǒng)可以表示出輸入和輸出之間的功能關(guān)系。TRIZ原理應用的概念發(fā)展技術(shù)系統(tǒng)進化理論的模板和方法十分有助于新思路鑒別 ，但是它們并不是下一代技術(shù)方案的特定概念。下一代技術(shù)方案的概念發(fā)展應該在思路產(chǎn)生之后發(fā)生。問題分析需要對問題有一個清楚的理解，因此可以將“黑箱”模型所表現(xiàn)出的總問題可以進一步分解為小的子問題。通過問題分解，我們可以將對一個大的復雜的工程問題的解決轉(zhuǎn)化尋找一個個簡單的的子問題解決辦法的問題。由此設(shè)計團隊可以集中精力去解決關(guān)系設(shè)計成敗的關(guān)鍵的子問題，然后再去解決其他子問題。每個子問題映射到相應的子功能則一個小小的設(shè)計形成了，最后整合所有已獲得的子功能就可以得到整體所需要的總功能。值得注意的是，功能分解和應運而生的“黑箱”圖表都是很普通的，都不需要設(shè)計團隊掌握特定的工作工藝原則。另一方面，“黑箱”建?？梢赃M行對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計：將現(xiàn)存系統(tǒng)分解為對應子功能的子系統(tǒng)，然后將子系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相應的子功能，如此下去就可以實現(xiàn)對現(xiàn)存系統(tǒng)的重新設(shè)計。新的創(chuàng)意可以直接來源于國際市場上的其他企業(yè)。企業(yè)產(chǎn)生出的新穎創(chuàng)意可以傳播銷售到其他企業(yè)，這使得企業(yè)自身能夠保持領(lǐng)先優(yōu)勢。同樣，經(jīng)濟發(fā)展的過程中會誕生出許多大型的工程計劃，例如著名的西氣東輸工程。這其中對于企業(yè)來說蘊含巨大商機：例如，相關(guān)企業(yè)去生產(chǎn)所需鋼管，大口徑閥門；創(chuàng)新思路與設(shè)計產(chǎn)品，把他們的產(chǎn)品賣給這些工程管理者。人類需求是不斷從低級向高級轉(zhuǎn)變的：從生理需求、安全需求、社會需求、被尊重的需求，到自我現(xiàn)實化的需求。人們這些從低級需求到高級需求的轉(zhuǎn)變對于企業(yè)來說則意味著機遇。在這一過程中，企業(yè)應該生產(chǎn)不同類別的汽車去抓住這些因顧客需求改變而帶來的商機。“黑箱”建模實例在本論文中舉出了從TRIZ文獻中摘取的兩則實例用以說明“黑箱”模型的使用方法。汽車安全氣囊和汽車安全帶配合使用可以在汽車發(fā)生來自前面急速碰撞時給汽車內(nèi)的駕駛者提供有效的保護。當安裝于汽車前端的碰撞傳感器感應到汽車大速率減速時，安全氣囊展開。傳感器觸發(fā)安全氣囊充氣指令，通過一個快速的化學反應（一個小型爆炸反應）迅速產(chǎn)生大量氮氣填充安全氣囊。通常，安全氣囊可以在碰撞被探測出后1/20秒的時間內(nèi)充分展開(據(jù)Kowalick, 1997年)。安全氣囊的初始“黑箱”模型如圖3(a)所示。整個汽車安全氣囊的“黑箱”模型有一個信號輸入，輸入信號即為由汽車碰撞產(chǎn)生的機械能。圖3(b)表示了將整體的“黑箱”模型分解為許多子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有相應的能源、物料和信號流。在圖中，箭頭表示出了事情發(fā)生的先后順序，始于沖擊的檢測，（傳感器）發(fā)信號給化學反應裝置，化學反應裝置迅速產(chǎn)生填充氣體和機械能給氣囊。然后司機猛然沖進氣囊，隨后發(fā)生與車廂內(nèi)側(cè)的碰撞。要注意司機和氣囊之間的距離以及氣囊與車廂內(nèi)側(cè)之間的距離，因為這兩個距離可以表明機械力的作用是雙向的。電腦的硬盤驅(qū)動器是一種可以用來