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计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型(二)

2017/10/25    来源:互联网    作者:张建辉  檀润华  张鹏  曹国忠      
关键字:创新设想产生  发明问题解决理论  计算机辅助创新  产品概念设计  过程模型  
创新设想产生是产品概念设计阶段的关键环节,影响该阶段设想产生的障碍是设计人员不能很好地利用多学科领域的知识。鉴于此,基于发明问题解决理论的计算机辅助创新软件系统提供了应用多学科领域知识的一个平台。提出了计算机辅助创新驱动的创新设想产生原理,以计算辅助创新软件为设计场景进行问题求解,基于源设计中的未预见的发现建立扩展解空间,驱动创新设想产生,进而建立了计算机辅助创新驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型。通过安全隔离蝶阀创新设想产生验证了该模型的可行性。

    4 CAI驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型

    图7是综合以上提出的CAI驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型,该过程分为以下六个步骤:

    步骤1 选定产品。新产品或已有产品都可作为选定产品,作为未来开发过程的原型产品。

    步骤2 确定领域问题。通过对产品的分析,确认产品存在的缺点或问题,产生新需求。

    步骤3 确定TRIZ解。根据问题的类型,应用表1的相应CAI工具将领域问题转换为TRIZ问题,在CAIs中通过相应的匹配操作获得TRIZ通用解,同时得到与TRIZ通用解相关的实例。

    步骤4 发现UXDs。基于CAIs的设计场景,设计者通过分析获得TRIZ通用解及其相关实例,同时作为类比源与目标设计相匹配,驱动领域解的类比求解过程;结合自身的设计经验和对领域问题的理解,发现一个或多个UXD,这是CAI驱动产品创新设想产生的关键步骤。依据TRIZ通用解的类型不同,UXD分为UXD-i(发明原理UXD)、UⅪ)_t(技术进化UXD)、UXI)-e(效应UXD)、UXI)-s(标准解UXD)四类。

    步骤5 建立扩展解空间。在UXD和个人知识、经验、创新思维方法的共同作用下建立扩展解空间,将UXD特征传递给目标设计,并在TRIZ通用解的约束下修改目标设计

    步骤6 产生领域解。分析得到的扩展解空间,会产生很多创新设想,经评价,满足需求的最优解为领域解。

    根据类比源设计的类型及驱动产生相应UXD的类型,把CAI驱动的产品概念设计创新设想产生原理分为四类:

    (1)发明原理驱动的产品创新设想产生;

    (2)进化趋势驱动的产品创新设想产生;

    (3)科学效应驱动的产品创新设想产生;

    (4)标准解驱动的产品创新设想产生。

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    图7 CAI驱动的产品概念设计创新设想产生过程模型

    5 工程实例

    安全壳隔离蝶阀(简称隔离阀)主要应用于核电厂安全壳换气通风系统,能够在安全壳发生事故时切断或接通管路,保证系统的密封性,隔离阀的关闭时间应小于3S。隔离阀主要由阀体、阀板、阀杆、密封圈、阀座和驱动装置等组成,如图8所示,圆形阀板作为挡板随阀杆转动来开启和关闭管路,阀板安装于管路的直径方向。为保证隔离阀的密封性能和快速启闭,现有隔离阀主要从结构设计和运动控制方式两个方面研究及应用较多。

    (1)结构设计 隔离阀多采用多层次直板式三偏心金属硬密封结构,三偏心结构即阀杆轴心既偏离阀板中心又偏离阀体中心,同时圆锥形密封面中心线相对于阀体中心线偏转一个角度,形成第三个偏心,如图8a所示。三偏心结构保证阀座与阀板在阀门的整个行程中完全脱离,密封副的接触只是在密封时的瞬间,极大地减少了磨损,延长了使用寿命,且阀板行程短、启闭时间快。但三偏心结构对结构设计和选材要求严格,并且由于阀板和阀座的弹性变形,在其接触和脱离的瞬间仍存在摩擦,长期使用后密封性能下降。

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    图8 安全隔离蝶阀

    (2)运动控制方式 隔离阀为单偏心结构,其驱动装置内置复合运动控制机构,如图8b所示,使阀门在启闭过程中形成独特的“回转一平移”复合运动轨迹,密封面无摩擦,减小了阀门的启闭力矩,有效提高了阀门的使用寿命和运行可靠性。但复合运动控制机构结构复杂,维修更换不方便,成本较高。

    另外,上述两类隔离阀,阀座和阀体为一体式结构,即阀座直接堆焊在阀体上,阀座无法更换,如果损坏就只能更换整阀,维修成本高昂。

    因此需要对隔离阀进行创新设计。下面应用图7的创新设想产生过程模型产生隔离阀的创新设想,依据该设想可以启动新产品开发项目。隔离阀创新设想产生的步骤如下:

    步骤1 选定产品。选择三偏心隔离阀和复合运动式隔离阀作为下一步开发的原型产品。

    步骤2 确定领域问题。基于上述对两类隔离阀产品的介绍和优缺点分析,产品存在的问题归纳如下:

    (1)为保证隔离阀启闭操作迅速的可靠性,现有阀门存在结构复杂的缺点。

    (2)为保证隔离阀具有良好的密封性能,减少磨损,现有阀门存在结构设计严格或结构复杂的缺点。

    步骤3 确定TRIZ解。领域问题的类型类似于表1中的工程参数冲突,将领域问题转换为TRIZ中的标准工程参数,有两对技术冲突参数:

    冲突1 改善可靠性与装置复杂性增加的冲突;

    冲突2 改善物质损失与装置复杂性增加的冲突。

    应用CAI软件InventionTool 3.0来求解冲突问题,软件冲突模块操作界面如图9和图10所示。

责任编辑:张纯子
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