基于TRIZ理论的计算机辅助概念设计研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 4.32MB 95 页 15积分

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摘要

随着全球性竞争日趋激烈，对新一代产品有效而迅速地开发成为竞争中强有

力的武器。为了面对动态多变的市场环境及提升竞争力，制造企业需要进行产品

创新，以解决 TQCS（Time-Quality-Cost-Service）难题。设计是产品开发过程中最

重要的环节之一，而概念设计又是设计过程中最重要的阶段，因为概念设计决定

了产品的基本特征和主要框架，后续的过程只是对这些设计概念的具体化和实现。

面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，传统的设计手段和过程不足以很好地

满足现代产品开发的需求。

本文将 TRIZ 作为概念设计的理论与方法，同时也论证了在概念设计中引入

TRIZ 理论的重要性，利用 JSP 开发环境开发了计算机辅助概念设计软件——TRIZ

辅助创新设计平台，以帮助设计人员在不同工程领域产品的概念设计阶段，打破

思维定势、拓宽思路，高质量、高效率地提出可行的创新设计方案，将设计引向

正确方向，同时让设计过程更趋自动化。

本文简要介绍了 TRIZ 理论的产生背景、常用的概念、工具、方法及一般过程

等，并通过对 TRIZ 理论的分析介绍，提出改进的 TRIZ 方法可以协助设计师开发

创新产品、进行产品改善及解决一般的工程问题。藉由 TRIZ 矛盾矩阵表使用的改

进，建立积极或消极解决问题方法与单一工程特性创新设计方法，提出解决空矩

阵元素的方法，协助工程师，在系统缺乏矛盾信息时，找出合适的创新法则来解

决问题。

关键词：TRIZ 概念设计矛盾矩阵创新设计工程参数发明原理

JSP

ABSTRACT

As global competition becomes fiercer, effective and efficient development of new

generations of products is the mighty weapon in the competitive strugg1e. Facing the

dynamic and changing market environment, manufacture enterprises have to conduct

product innovation, and adopt for solving Time-Quality-Cost-Service (TQCS) problems

Design activity is one of key points in the products development procedure, while

conceptual design is most important in design activity. This is because the basic features

and mainframe of products are determined in the conceptual design phase, and the tasks

of follow-up steps are only to substantiate and embody these design concepts. With the

severe competition of products in 21st, century, traditional design methods and

procedures cannot meet well the demands of modern products development.

This thesis introduces the theory of innovation problem solving (TRIZ) as theory

and method of conceptual design, and it is very important to introduce TRIZ into the

conceptual design. The software of Computer Aided Conceptual Design based on TRIZ

is developed by using JSP, which help engineer break through thought pattern and open

up thinking, and present feasible innovation design project with good quality and high

efficiency, and make right design direction in product conceptual design phase of

different engineering domain.

This thesis describes briefly the background, theory, general process, conception,

tool and method of TRIZ. By analyses of TRIZ theory, improved TRIZ method

integrating the TRIZ inventive principles is put forward, which can assist designers to

develop innovative products, improve the value of products and solve the general

engineering problems. This study constructs three methods, the positive or negative

method and the method for the corresponding inventive principles of single parameter

and the method solving empty matrix element, to help engineers to solve the problems

when they lack the required contradiction analysis.

Key Words：TRIZ, Conceptual Design, Contradiction Matrix,

Innovation Design, Engineering Parameter, Inventive

Principles, JSP

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题来源与研究目标 ........................................................................................ 1

§1.2 课题的背景及意义 ............................................................................................ 1

§1.3 概念设计及其特征 ............................................................................................ 3

§1.3.1 概念设计的内涵 ...........................................................................................3

§1.3.2 概念设计的特征 ...........................................................................................3

§1.4 概念设计研究现状 ............................................................................................ 4

§1.4.1 概念设计创新性研究 ...................................................................................4

§1.4.2 概念设计建模技术研究 ...............................................................................4

§1.4.3 概念设计方案推理技术研究 .......................................................................6

§1.4.4 概念设计系统研究现状 ...............................................................................8

§1.4.5 概念设计的主要问题 ...................................................................................9

§1.5 本论文的主要研究内容 .................................................................................. 10

第二章 TRIZ 理论简介 .................................................................................................12

§2.1 TRIZ 发展背景 .................................................................................................12

§2.2 TRIZ 的定义 .....................................................................................................12

§2.3 TRIZ 的基本理论 .............................................................................................13

§2.3.1 技术系统及其演变模式 .............................................................................13

§2.3.2 理想解 .........................................................................................................14

§2.3.3 解的级别 .....................................................................................................14

§2.3.4 冲突 .............................................................................................................15

§2.3.5 工程参数 .....................................................................................................18

§2.3.6 冲突解决矩阵（矛盾矩阵表） .................................................................18

§2.3.7 冲突解决原理（创新法则或发明原理） .................................................19

§2.3.8 物－场分析法(Su-Field Analysis) ............................................................. 20

§2.3.9 标准解（Standard Solution）....................................................................21

§2.3.10 效应 ...........................................................................................................22

§2.3.11 ARIZ 算法 ..................................................................................................22

§2.4 TRIZ 理论本身的弱点 .....................................................................................23

第三章缺乏矛盾信息的积极或消极解决问题的 TRIZ 创新方法 ............................25

§3.1 矛盾矩阵表与创新法则 .................................................................................. 25

§3.2 改善测试精度 .................................................................................................. 25

§3.3 改善工程特性或避免工程特性恶化的创新法则表 ...................................... 28

§3.4 缺乏矛盾信息的积极或消极解决问题方法 .................................................. 30

§3.5 案例分析 .......................................................................................................... 31

§3.5.1 案例一 .........................................................................................................31

§3.5.2 案例二 .........................................................................................................32

§3.5.3 案例三 .........................................................................................................34

§3.6 本章小结 .......................................................................................................... 36

第四章单一工程特性 TRIZ 创新方法 ........................................................................37

§4.1 改善测量精度及避免测量精度恶化 .............................................................. 37

§4.2 单一工程特性对应的 TRIZ 创新方法 ............................................................37

§4.3 案例分析 .......................................................................................................... 39

§4.3.1 案例一 .........................................................................................................39

§4.3.2 案例二 .........................................................................................................40

§4.4 本章小结 .......................................................................................................... 41

第五章解决空矩阵元素方法 .......................................................................................42

§5.1 矛盾矩阵表的空矩阵元素 .............................................................................. 42

§5.2 解决空矩阵元素的步骤 .................................................................................. 43

§5.3 解决空矩阵元素的方法 .................................................................................. 44

§5.4 范例研究 .......................................................................................................... 45

§5.4.1 范例一 .........................................................................................................45

§5.4.2 案例二 .........................................................................................................48

§5.5 结果与讨论 ........................................................................................................ 51

第六章 TRIZ 辅助创新设计平台软件实现 .................................................................52

§6.1 功能分析 .......................................................................................................... 52

§6.2 服务器配置 ...................................................................................................... 52

§6.3 逻辑结构设计 .................................................................................................. 53

§6.4 网站整体设计 .................................................................................................. 57

§6.4.1 网站设计思想 .............................................................................................57

§6.4.2 编写 JavaBean ............................................................................................ 58

§6.4.3 网站结构设计 .............................................................................................62

§6.5 软件平台的界面及运行说明 .......................................................................... 63

§6.6 本章小结 .......................................................................................................... 70

第七章结论与展望 .......................................................................................................71

§7.1 总结 .................................................................................................................. 71

§7.2 进一步工作建议 .............................................................................................. 72

§7.3 经验与体会 ...................................................................................................... 73

附录 A 39 矛盾矩阵与 40 发明原理矩阵表 .................................................................74

附录 B改善工程特性创新法则表 ...............................................................................79

附录 C避免工程特性恶化创新法则表 .......................................................................81

附录 D单一工程特性创新法则表 ...............................................................................83

参考文献 .........................................................................................................................86

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................91

致谢 ...............................................................................................................................92

第一章绪论

§1.1 课题来源与研究目标

本课题来源于上海市教委重点学科建设项目子项“计算机辅助概念设计”（项

目编号：T0502）以及上海理工大学与上海机床厂合作项目“磨床创新设计技术研

究”。

本文的目的是研究 TRIZ 理论在产品设计，特别是在产品概念设计阶段中的应

用。分析 TRIZ 理论中的工具、方法及其过程，讨论 TRIZ 理论中不完善的部分，

针对在使用 TRIZ 方法时经常会遇到的一些困惑，提出或建议在这些情况下的可行

方法，以提供使用者较有效率的解决方案。通过对 TRIZ 理论的研究，探讨基于

TRIZ 理论的计算机辅助概念设计系统，即 TRIZ 辅助创新设计平台系统的开发。

§1.2 课题的背景及意义

经济的全球化带来了动态多变的市场环境，同时也加剧了全球范围内企业间

的竞争。为了提升企业竞争力和获得更多的商业机会，企业需要采取核心竞争力

战略实现资源的全球优化配置。制造企业的创新能力直接影响其竞争力，以知识

为基础的产品创新竞争是 21 世纪全球化制造环境下企业技术竞争的核心。同时制

造企业还必须解决 TQCS 难题[1]，即以最快的上市速度（Timeto Market，

T）、最好

的质量（Quality，Q）、最低的成本（Cost，C）、最优的服务（Service，S）来满足

不同顾客的需求。以上的环境和要求加上以数字化和网络化为代表的信息技术，

正在使传统的制造业面临深刻的变革。

产品设计作为现代工业生产的关键环节，在产品的整个生命周期中占有极其

重要的位置，它从根本上决定了产品的内在本质，以及产品的质量和成本。图 1.1

表示了设计的作用：产品成本的 70%以上是由概念设计阶段决定的；而在运用

CAD/CAM 技术的工程阶段，只决定了 20%的产品成本；在生产过程控制和规划

阶段，则只影响成本的 10%[2]。由此可见，概念设计是决定产品命运最重要的环节。

设计作为一种创新活动始终伴随着人类的发展而存在。但是把设计提升到理

论的高度，并作为一门学科单独的提出只是最近 50 年的事。虽然目前设计学的理

论尚未有一固定的模式，但是设计所要求达到“创新”的目标己取得不同设计流

派的共识。最能体现产品设计“创新性”的是在概念设计阶段。概念设计阶段在

很大程度上决定了最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等。而

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摘要：

摘要随着全球性竞争日趋激烈，对新一代产品有效而迅速地开发成为竞争中强有力的武器。为了面对动态多变的市场环境及提升竞争力，制造企业需要进行产品创新，以解决TQCS（Time-Quality-Cost-Service）难题。设计是产品开发过程中最重要的环节之一，而概念设计又是设计过程中最重要的阶段，因为概念设计决定了产品的基本特征和主要框架，后续的过程只是对这些设计概念的具体化和实现。面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，传统的设计手段和过程不足以很好地满足现代产品开发的需求。本文将TRIZ作为概念设计的理论与方法，同时也论证了在概念设计中引入TRIZ理论的重要性，利用JSP开发环境开发了计算机辅...

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