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基于TRIZ 理论的CAI在船舶设计中的应用分析

2017/10/23    来源:互联网    作者:管芳景      
关键字:CAI  TRIZ  方法论  矛盾矩阵  创新原理  物-场分析模型  
计算机辅助创新技术(CAI)的出现是对制造业CAX体系的发展和完善。该文介绍了计算机辅助创新技术的理论基础——TRIZ,及其解决创新问题的一般结构、流程。阐述了船舶设计中采用计算机辅助创新技术的重要性。用两个实例说明了运用TRIZ理论解决船舶设计中具体问题的方法。

    随着国家制造业信息化工程的推进,利用信息技术提高制造业的创新能力,对于制造业的发展有着重要的意义。计算机辅助创新(Computer Aided Innovation)是新产品开发中的一项关键基础技术,在概念设计阶段对研发加以支持,成功地把信息化技术应用到了产品生命周期的最前端。它是以发明创造方法学(TRIZ)研究为基础,结合本体论、现代设计方法学、计算机技术、多领域科学知识综合而成的创新技术。计算机辅助创新已成为了相关行业辅助创新设计者解决产品创新的有效工具,设计者通过分析产品设计和制造流程中所存在的问题,以解决新产品设计和研发中所遇到的技术难题而实现创新。计算机辅助创新技术在国内外已受到广泛关注,已被应用到产品研发、制造行业等相关领域。

    1 TRIZ 理论和CAI

    TRIZ理论是计算机辅助创新技术的基础。TRIZ理论的创始人为前苏联的Altshuller,他通过对世界各国发明专利的分析与研究之后而创立了TRIZ理论。TRIZ的核心思想主要体现在以下几点。

    (1)一个产品或一个技术系统的核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的,发现其内在的规律。(2)解决在产品研发或系统开发中的各种技术难题、冲突和矛盾。(3)以较少的资源实现较多的功能,达到一个理想解。

    1.1 TRIZ理论解决过程

    在利用TRIZ解决问题的过程中,设计者首先将待设计的产品表达成为TRIZ问题,然后利用TRIZ中的工具,如,发明原理、标准解等,求出该TRIZ问题的普适解或称模拟解(Analogous Solution);最后设计者在把该解转化为领域的解或特解。

    在运用TRIZ理论解决具体问题的过程中,TRIZ研究机构已提供了多种TRIZ解决工具,如,冲突矩阵、76标准解答、ARIZ、AFD、物质-场分析、ISQ、 DE、8种演化类型、科学效应、40个创新原理,39个工程技术特性,物理学、化学、几何学等工程学原理知识库。这些工具为创新理论软件化提供了基础,从而为TRIZ的实际应用提供了条件。

    利用TRIZ解决实际问题的流程可以划分为以下几个阶段。

    (1)问题定义阶段:将现实问题使用相应的方法进行分析,进行抽象化,让其达到一种理想化解。(2)工具选择阶段:根据实际问题情况,进行问题详细分析后,选择解决工具。(3)解决方案产生阶段:根据解决工具,选择适当的解决方法,通过技术演化等达到相应的解决方案。(4)解决方案评估阶段:这个阶段是对解决方案进行验证阶段,看选择的方案能否达到理解化解,若没有达到,重新进行问题定义或工具选择。

    1.2 CAI

    一项新的技术要在各个领域中得到广泛应用,软件化是关键。CAI以TRIZ理论为基础,它的出现为TRIZ的大规模系统化应用提供了良好的基础。在国外很多知名企业,已使用CAI在产品概念设计阶段来解决产品创新中所存在的问题,提高了产品市场竞争力。随着国内对TRIZ理念的研究,很多研究所和企业使用CAI进行技术创新,为创新提供强大的动力,推进了我国产品或技术的自主创新。

    2 CAI在船舶设计中的应用

    根据近几年船舶行业经济情况分析,技术创新在船舶工业发展方面起了很大的推动作用,提高了行业影响和经济效益。我国对高技术船舶科研尤为重视,自科研专项实施以来,很大程度上推动了船舶工业整体技术水平的提高,研究项目应用效果十分显著。但我们也看到,我国船舶行业在取得巨大成就的同时也存在着自主研发、自主建造等能力上的不足,CAD、CAMCAE等软件的应用为制造研发带来了巨大变革和提高,但这些技术均只能够在产品的详细设计阶段加以支持,无法支持产品的概念设计,由此可见,CAI技术引入船舶概念设计很重要,寻求在产品上的创新设计,提高自主创新能力。

    2.1 应用实例1

    水翼艇、水翼船是一种高速船舶,在底部装上水翼,主要依靠水翼提供的浮力运行在水面。在高速运行下,水的温度和压力发生了变化,船舶在水中运动时所遇到的各种阻力,船舶稳定性以及船体和推进器在水中引起的空化现象。水翼在长期高速状态下运行,大量气泡会在水翼表面产生,被产生的气穴腐蚀。

    应用背景: 防止水翼被气穴腐蚀。问题描述:当水翼在水中移动时会产生气穴腐蚀现象。通常采用的一种防止水翼产生气穴腐蚀的方法是冷却水翼,使其表面被冰覆盖,让冰层成为气穴腐蚀的载体,来防止水翼被腐蚀。但问题是:需要不间断地提供冷却的能量维系冰层,这样就需要消耗大量能量来保持冰层,以防止水翼被气穴腐蚀。

    求助于CAI,调用TRIZ中的“物-场分析法”分析:腐蚀通过气穴作用于水翼,需设法消除腐蚀这一负面效应,TRIZ建议引入新的物-场资源,带冰层的水翼如图1所示。

    1

    图1 带冰层的水翼

    解决方法:结合工程实际,最终解决方案为:利用水翼外围的水。将水翼上会产生气穴腐蚀的部位穿孔,由于上下表面的压力

    2

    图2 带内保护水层的水翼

    2.2 应用实例2

    工程应用背景:装配船体通常在造船厂进行。然而,随着海运经济增长需求,对船舶的规模要求迅速增加。因此,需要建造能够装配大型船只的大型造船厂。然而在陆地上建造巨大的造船厂成本过高。

    技术矛盾:提高静止物体的长度(船体的大小)却增加了静止物体(装配船体的造船厂)的体积。

    根据技术矛盾,建立了矛盾矩阵,将静止物体的长度作为优化参数,而静止物体的体积作为恶化参数,选取了创新原理35、8、2、14。

    矛盾矩阵如表1所示。

    表1 矛盾矩阵

    3

    相关原理解释如下。

    (1)创新原理35:物体的物理或化学状态的变化。改变物体的凝聚状态、密度分布、可挠度、湿度等。

    (2)创新原理8:重量补偿。

    ①通过对某一物体的重量进行调节,提高与其他物体重量的平衡。

    ②通过空气动力学特性、流体力学特性的相互作用调节物体的质量。

    (3)创新原理2:抽出。

    从物体中抽出产生紊乱的或是需要的部分或属性。

    (4)创新原理14:回转、椭圆性。

    用线性替代曲线部分。

    应用创新原理: 应用重量补偿原理。

    根据重量补偿原理,在水上建造水上船坞,利用水的浮力实现重量补偿。

    首先,通过将多个中空防水的短圆柱体焊接,组装成两个长圆柱体。长圆柱体的浮力大,在装配过程中该浮力可用于补偿其余组建部分的重量。同时,它们为船体提供浮力。

    然后,两个长圆柱体彼此相互平行排列。通过起重机,将船体底部分为两部分,分别安装在长圆柱体上,两部分焊接。这样所组装的双底船体可作为下一步装配的支撑。

    应用结果:浮动分段组装的应用使得在水面上装配船体成为可能。这样就消除了对大型造船厂的需求。

    首先,通过焊接多个中空防水的短圆柱体,组装成两个长圆柱体。中空的圆柱体浮力大,在船体装配过程中,浮力可以用来补偿其他装配部分的重量。同时,又为船体提供了浮力。

    然后,两个长圆柱体相互平行排列。通过起重机,将船体的底部分别安装在长圆柱体上。

    应用结果:浮动分段组装使船体在水面上的装配成为可能。这样就消除了装配大型船只时对大型造船厂的需要,解决方案如图3所示。

    4

    图3 解决方案示意图

    3 结语

    将CAI技术引入到船舶设计中,将完善船舶工业的CAX(CAD/CAE/CAM/CAPP/CAT/CACD)体系,更加有力地支持船舶的创新设计和技术改进工作,提升船舶工业的自主创新能力。因此研究CAI及其理论基础——TRIZ具有重要的应用意义。

责任编辑:张纯子
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