基于TRIZ的计算机辅助概念创新设计的研究

VIP免费
3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.98MB 93 页 15积分
侵权投诉
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。设计是产品开发过程中最重要的环节之一，产品概念设计作为设
计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。它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。
本文研究了概念设计的内涵和特征以及概念设计的原则和方法，在对概念
设计研究现状和概念设计主要问题分析的基础上，指出计算机辅助概念设计的
必要性。研究了创新设计思维与创新方法，并对创新设计的法则和基本方法进
行了总结，在此基础上对创新系统进行了初步的探讨。
本文在研究 TRIZ 理论的基础上，结合前述的概念创新理论和方法，探讨
了I－TRIZ 辅助概念创新平台中应用的 TRIZ 理论的背景、常用概念、工具、
方法及一般过程等。并指出了所应用 TRIZ 理论的优点和缺点。
在对概念设计和创新设计研究的基础上，将 TRIZ 作为概念设计的理论与
方法，利用 TRIZ 创新方法的特点，并结合一般的创新设计技法，使用 JSP 开发
环境开发了计算机辅助概念设计软件——I-TRIZ 计算机辅助概念创新设计平
台。并且将项目管理与 TQC 全面质量管理概念融入概念创新设计系统模式，使
其不仅仅是一个工具，而成为一个具有很大实用价值的系统，以帮助不同工程
领域的设计人员在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，让设计过程更趋自
动化。同时运用该软件亦能帮助设计者以系统的模式进行产品概念创新设计，
可大大提高设计质量和缩短设计的时间。
关键词：TRIZ 概念设计 创新设计 JSP I-TIRZ
ABSTRACT
As global competition becomes fiercer, effective and efficient development of
new generations of products is the mighty weapon in the competitive strugg1e. Design
is the one of the most important stages in the procedure of product development.
Product conceptual design as an early stage of design process, the innovation plays a
very important role. It is at a very important position in the whole product life. And it
actually decide the the hypostasis, quality, cost of the product.
This dissertation describes the meaning and feature of conceptal design, studies
the principle and method of conceptal design. Based on analyse of conceptal design’s
issues and actuality, point out the inevitability and necessary of the emergence of
computer aid conceptal design. This dissertation also studies thinking, principle and
method of the innovation design, points out that we should pay much attention on the
individual innovation thinking. And discuss the innovation system in a conclusion.
This dissertation also describes briefly the background, theory, general process,
conception, tool, method, strongpoint and weakness of TRIZ, points out the evolution
direction of the TIRZ.
Based on what have stuied on TRIZ, conceptal design and innovation design, this
dissertation 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 Computer Aided Conceptual Design software named I-TIRZ
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. The software I-TRIZ combined with
project management and TQC (Total Quality Control), by using I-TRIZ engineer can
also systematically solve the problem as a project, and could solve conception and
innovation design issues with short time and high quality.
Key Words：TRIZ, Conceptual Design, Innovation Design, JSP , I-
TIRZ
目 录
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 ...........................................................................................4
§1.3.1 概念设计的内涵 ........................................................................................4
§1.3.2 概念设计的特征 ........................................................................................6
§1.3.3 概念设计的原则 ........................................................................................7
§1.3.4 概念设计创新性研究 ................................................................................8
§1.3.5 概念设计方案推理技术研究 ....................................................................8
§1.3.6 概念设计的主要问题 ..............................................................................10
§1.4 计算机辅助概念设计 .....................................................................................11
§1.4.1 计算机辅助概念设计发展由来 ..............................................................11
§1.4.2 计算机辅助概念设计基本内容 ..............................................................12
§1.4.3 计算机辅助概念设计主要技术 ..............................................................12
§1.5 概念设计系统国内外研究现状 .....................................................................15
§1.6 本论文的主要研究内容 .................................................................................16
第二章 创新设计思维与方法的研究 ...........................................................................18
§2.1 创新设计概述 .................................................................................................18
§2.1.1 引言 ..........................................................................................................18
§2.1.2 机械创新设计 ..........................................................................................18
§2.2 创新思维 ..........................................................................................................20
§2.2.1 创新思维的特征与总体过程 ..................................................................21
§2.2.2 工程技术人员创新能力的构成与开发 ..................................................22
§2.2.3 创新思维的类型 ......................................................................................24
§2.3 创新的基本方法 ..............................................................................................24
§2.3.1 创新的基本法则 ......................................................................................24
§2.3.2 创新的基本方法 ......................................................................................25
§2.4 创新设计系统 ..................................................................................................28
第三章 I-TIRZ 概念创新设计系统模型设计 .............................................................. 29
§3.1 产品概念开发过程模型 .................................................................................29
§3.1.1 机械产品设计的性质与内容 ..................................................................29
§3.1.2 产品概念设计流程 .................................................................................32
§3.1.3 产品概念设计建模技术 .........................................................................33
§3.2 TQC 全面质量管理 ........................................................................................34
§3.3 I-TRIZ 辅助概念创新设计系统模型 ............................................................ 36
第四章 I-TRIZ 平台中 TRIZ 理论的应用研究 ............................................................41
§4.1 TRIZ 发展背景 ................................................................................................41
§4.2 TRIZ 的定义 ....................................................................................................41
§4.3 TRIZ 的基本理论 ............................................................................................42
§4.3.1 技术系统及其进化模式 ............................................................................42
§4.3.2 理想解 ........................................................................................................44
§4.3.3 解的级别 ....................................................................................................45
§4.3.4 冲突 ............................................................................................................45
§4.3.5 工程参数 ....................................................................................................50
§4.3.6 冲突解决矩阵（矛盾矩阵表） ................................................................51
§4.3.7 冲突解决原理（创新法则或发明原理） ................................................52
§4.3.8 物－场分析法(Su-Field Analysis)............................................................ 52
§4.3.9 标准解（Standard Solution）...................................................................54
§4.3.10 效应 ..........................................................................................................54
§4.4 TRIZ 的优点和发展趋势 ...............................................................................55
第五章 I-TRIZ 计算机辅助概念创新平台软件系统建模分析与实现 ...................... 56
§5.1 J2EE 平台概览 ................................................................................................ 56
§5.2.1 J2EE N 层体系 ....................................................................................... 56
§5.2.2 J2EE 技术的优点 ................................................................................... 58
§5.2 I-TRIZ 计算机辅助概念创新软件系统架构设计 ....................................... 58
§5.2.1 基于 MVC 模式的系统架构 ...................................................................58
§5.2.2 Web 表现层-Struts.................................................................................59
§5.2.3 持久层-DAO............................................................................................61
§5.2.4 工厂模式 ..................................................................................................61
§5.2.5 Proxy 代理模式 ....................................................................................... 61
§5.3 I－TRIZ 计算机辅助概念创新系统功能设计 .............................................62
§5.3.1 I－TRIZ 开发环境以及运行环境 .........................................................62
§5.3.2 I－TRIZ 系统功能结构 .........................................................................63
§5.3.3 I－TRIZ 系统功能模块 .........................................................................63
§5.3.4 I-TRIZ 系统功能特点 ........................................................................... 63
§5.4 I－TRIZ 系统建模分析 .................................................................................63
§5.4.1 用例图 ......................................................................................................63
§5.4.2 活动图 ......................................................................................................65
§5.4.3 I－TRIZ Web 模块结构 .......................................................................67
§5.5 系统运行界面 .................................................................................................68
§5.5.1 登陆页面 ..................................................................................................68
§5.5.2 运行界面 ..................................................................................................68
第六章 I-TRIZ 平台程序运行实例 .............................................................................. 74
§6.1 建立项目 ..........................................................................................................74
§6.2 项目详细管理 ..................................................................................................75
第七章 结论与展望 .......................................................................................................83
§7.1 总结 .................................................................................................................83
§7.2 展望 .................................................................................................................84
参考文献 .........................................................................................................................85
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................89
致 谢 ................................................................................................................................90
第一章 绪论
1
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“系统管理”项目子项“计算机辅
助概念设计”（项目编号：T0502）
本文的目的是研究概念和创新设计的一般方法，并重点研究 TRIZ 理论在产
品概念创新设计阶段中的应用，在此基础上开发一个计算机辅助创新平台。具体
内容为：在分析 TRIZ 理论中的各种工具、方法及其过程的基础上，利用 TRIZ 理
论中解决创新问题的优势，结合一般概念设计方法的长处来解决概念创新设计问
题。并进一步结合往届研究生关于 PLM、PDM 的研究，探讨基于 TRIZ 理论的计
算机辅助概念创新设计系统，即 Innovation With TRIZ 计算机辅助概念创新设计
平台系统的开发与实现，争取做到对产品设计（概念设计及详细设计）、生产和
销售的全覆盖。
§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。随着经济全球化的形成，21 世纪我国制造业将面临来自全球的严峻挑
战。同时，现代科技的迅猛发展，尤其是计算机技术的飞速进步和广泛应用，微
电子、信息、新材料及集成技术的发展，深刻地影响着产品设计开发过程、制造
过程、营销和售后服务过程，并改变着产品结构和功能。目前在设计领域，后期
的详细设计阶段应用的 CAD 技术已相当成熟，而作为包含了从产品需求分析到
详细设计之间的概念设计阶段的研究，在国内外还处于起步时期。然而，这一研
究因其困难性和重要性已越来越受到国内外众多专家学者以及企业界人士的关
注。
随着改革开放不断深入发展,中国已经成为工业生产大国，但还不是工业生
产强国。我国的产品大多以 OEM 贴牌加工的方式变成了外国的货品，而即使是
我们自有品牌的出口，也因为设计的粗陋使得中国制造的产品成了低劣低价的代
名词，过于注重模仿与引进、不注重自主知识产权和产品创新设计是我国多数产
品的通病。一个非常著名的提法是，中国要成为世界产品的“生产车间”，但与
那些跨国企业生产的造型新颖、工艺考究的产品赚取的成倍利润相比，这个生产
车间为自己创造的利润却只有 1％～2%.
中国工程院院士、浙江大学校长潘云鹤教授在谈到产品创新时说[9]，创新有
两类：第一类是原理上的改变，如从无到有的创新，比如科技发明；第二类创新
基于 TRIZ 的计算机辅助概念创新设计的研究
2
是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求。
在产品设计过程中，能集中体现这两类创新的工作就是产品概念设计。
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，即以最快的上市速度（Time to 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。
产品概念设计作为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。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%。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。而且详细设计阶段很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。
图1－1产品成本在开发各阶段所承担的份额
概念设计 施工
成本
时间生产管理
产品开发周期
CAD/
CAM
运筹规
划生产
过程控
制
第一章 绪论
3
创新工程作为一个新的领域，吸引了大批国内外学者从事相关研究，因为
对网络信息时代的到来，人们越来越感觉到创新的重要性。对于新产品而言，其
创新的 80%以上是在概念设计阶段完成的，而概念设计又是设计中最模糊的一个
环节。国内外对于新产品方案设计给予了很大的重视，可以说所有成功的大企业
都有自己的新产品开发队伍，有一套自己的设计方法及设计软件。由于设计本身
就是个很复杂的过程，要用定式描述指导设计很是困难。以往的设计往往偏重于
个人的专业领域知识，难以克服心里惰性和摆脱思考问题的特定概念框架，不能
完全把握产品的创新关键问题，造成产品开发目标的偏差。正如 CAD，CAM 等
技术极大的推进了产品设计和制造的发展一样，计算机辅助创新技术可以将多个
领域的科学知识有机的综合起来，有助于设计者拓宽思考空间，打破思维定势，
引导设计者综合应用学科的知识，计算机通过对大量信息的存储、准确记忆和高
速处理，为人的决策提供有益的支持和帮助，而正是由于计算机的帮助才使人的
决策在更高的层次上进行，为产品创新源源不断地提供富有创造性的设计方案。
目前，计算机辅助设计已经深入发展并得到了广泛应用，现有的许多 CAD
软件在产品的分析、计算、绘图以及制造方面发挥了很大的作用，但是在实际应
用中仍存在着某些严重不足，尤其是对产品概念设计的支持还远远不够，对设计
人员的创新设计思维活动的辅助和支持还不能得到充分体现。新产品开发更多更
重要的是非数据计算的、通过思考、推理和判断来解决的创新活动。只有创新活
动才能真正从根本原理上进行产品革新，才能为社会提供种类更多、功能更丰
富、价格更经济、性能更有效的新产品，才能在产品的性能、质量、价格等方面
产生质的飞跃。尽管客观上期待一种通用的智能计算机设计系统还只是一种奢
望，然而，研究如何利用计算机技术进行产品的创新设计已成为现代产品设计领
域的新课题。
企业技术创新能力是形成企业核心竞争力的基础。指导技术创新的方法
学体系,人类已有的发明成果和科技知识,渴望创新并具有创新思维能力的个体和
组织是企业实现技术创新必不可少的三要素。中国加入 WTO 后,企业能否把握未
来市场,很大程度上取决于企业的技术创新能力与水平。而大部分中国企业目前的
现状,使之无法迎接入世后严酷激烈的市场竞争。
1．企业尚未成为技术创新的主体。据国家知识产权局统计,目前 70 %以上的
国有大中型企业和 50 %以上的小型企业没有申请专利。
2．企业技术创新的重点领域、重点方向和重大项目的选择失当,低水平重复
研究多。
基于 TRIZ 的计算机辅助概念创新设计的研究
4
3．大多数企业缺乏完善的知识产权战略,不善于通过分析专利信息了解竞争
对手;不善于通过专利的申请保护和交易来保护自己。而国外公司的专利抢注,
又极大地限制了我国企业技术创新的空间。
4．企业进行新产品研发时,缺乏对产品发展进化趋势的准确预测。
5．企业进行技术改造时,对技术改造的技术来源分析不够,造成投资浪费。
6．企业进行产品创新和工艺创新时,缺乏快速直接的创新解决方案;而通常是
顾此失彼,只能取得折衷方案。
7．企业在解决技术难题时,无法快速找到问题的根本原因所在。
8．新成果的专利生成与申请费时费力。
如何从技术创新的三要素入手,借鉴计算机辅助创新理论的最新研究成果,
为企业提供辅助技术创新的整体方案,解决企业在技术创新活动中遇到的上述问题,
是本文研究的主题。
§1.3 概念设计及其特征
§1.3.1 概念设计的内涵
在概念设计的定义上，至今还没有统一的定义，但是就其本质而言有以下
两种定义很具有代表性。
Pahl 和Beitz 于1984 年在《Engineering Design》一书中提出“在确定设计
任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定
出基本求解途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计”。
French 对概念设计下了这样一个定义：“概念设计首先要弄清楚设计要求
和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解”。
综合英国学者 French 和德国学者 Pahl 和Beitz 关于概念设计的描述，可以
将概念设计的内涵归纳为三个方面：①明确并抽象描述设计要求；②寻求作用原
理求解途径；③得到解方案并做出决策。在他们提出“概念设计”之后的 20 多
年内，人们对于概念设计的研究与日俱增，使概念设计的内涵更为广泛，并在不
断深入。主要表现在三个方面：①在设计理念上融入了以设计师的智慧和经验为
结晶的崭新设计哲理和创新灵感，使概念设计更具创新性。②设计内容更加广
泛，涵盖了产品生命周期各个阶段的要求，例如，市场需求分析、功能分析、确
定实现功能的原理方案、选择功能载体、方案综合，等等。③在设计方法上更加
全面地融合了各种现代设计方法，寻求全局最优方案，使设计过程更具创造性。
第一章 绪论
5
概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列的，可组织的，有目
标的设计活动，它表现为一个由粗到精，由模糊到清楚，由抽象到具体不断进化
的过程。以上两种描述都是依据市场需求，符合人类思维的，由具体到抽象，再
由抽象到具体，产生一个具体的具有市场需求和市场竞争力的产品概念方案的过
程。
从产品设计过程的发展历程可看到（图 1－2），随着设计过程的逐渐紧
凑、目标分化以及 CAD 技术的逐步发展和应用，概念设计的内涵也在不断地发
生变化。为能对概念设计作一个全面的形式化定义，针对其发展状况，从以下 3
个方面加以考虑：
a. 定位的完整性
从设计方法学的角度看，完整意义上的概念设计包含了工程设计与工业设
计两大部分，两者密不可分。但由于历史原因，它们一直处于分裂的局面，主要
由工程师完成，后者由工业设计师完成。
工程设计界将概念设计界定为产品设计的创造性设计思维阶段，目的在于
求得满足功能需求的原理解，即产品的功能设计、原理设计以及初步的结构设
计。不少学者从工程设计学出发，提出了层次概念设计模型、工程设计概念模
型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法。
工业设计界则将其定义为在功能、原理基本确定的情况下，考虑产品结
构、人机工程、形态、色彩、制造以及成本等因素在内的产品外观造型设计，即
图1－2产品设计过程的发展历程与趋势
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。设计是产品开发过程中最重要的环节之一，产品概念设计作为设计过程的早期阶段，其核心就在于产品创新。它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。本文研究了概念设计的内涵和特征以及概念设计的原则和方法，在对概念设计研究现状和概念设计主要问题分析的基础上，指出计算机辅助概念设计的必要性。研究了创新设计思维与创新方法，并对创新设计的法则和基本方法进行了总结，在此基础上对创新系统进行了初步的探讨。本文在研究TRIZ理论的基础上，结合前述的概念创新理论和方法，探讨了I－TRI...

展开>> 收起<<
基于TRIZ的计算机辅助概念创新设计的研究.pdf

共93页,预览10页

还剩页未读， 继续阅读

相关推荐

更多
立即下载
作者：陈辉 分类：高等教育资料 价格：15积分 属性：93 页 大小：2.98MB 格式：PDF 时间：2024-11-19

开通VIP享超值会员特权

  • 多端同步记录
  • 高速下载文档
  • 免费文档工具
  • 分享文档赚钱
  • 每日登录抽奖
  • 优质衍生服务

作者详情

相关内容

更多

推荐作者

热门标签

/ 93
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注