基于TRIZ理論的CAI在船舶設計中的應用分析

管芳景

摘 要：計算機輔助創(chuàng)新技術（CAI）的出現(xiàn)是對制造業(yè)CAX體系的發(fā)展和完善。該文介紹了計算機輔助創(chuàng)新技術的理論基礎 ——TRIZ，及其解決創(chuàng)新問題的一般結構、流程。闡述了船舶設計中采用計算機輔助創(chuàng)新技術的重要性。用兩個實例說明了運用TRIZ理論解決船舶設計中具體問題的方法。

關鍵詞：CAI TRIZ 方法論 矛盾矩陣 創(chuàng)新原理 物-場分析模型

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（b）-0037-03

隨著國家制造業(yè)信息化工程的推進，利用信息技術提高制造業(yè)的創(chuàng)新能力，對于制造業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。計算機輔助創(chuàng)新（Computer Aided Innovation）是新產(chǎn)品開發(fā)中的一項關鍵基礎技術，在概念設計階段對研發(fā)加以支持，成功地把信息化技術應用到了產(chǎn)品生命周期的最前端。它是以發(fā)明創(chuàng)造方法學（TRIZ）研究為基礎，結合本體論、現(xiàn)代設計方法學、計算機技術、多領域科學知識綜合而成的創(chuàng)新技術。計算機輔助創(chuàng)新已成為了相關行業(yè)輔助創(chuàng)新設計者解決產(chǎn)品創(chuàng)新的有效工具，設計者通過分析產(chǎn)品設計和制造流程中所存在的問題，以解決新產(chǎn)品設計和研發(fā)中所遇到的技術難題而實現(xiàn)創(chuàng)新。計算機輔助創(chuàng)新技術在國內(nèi)外已受到廣泛關注，已被應用到產(chǎn)品研發(fā)、制造行業(yè)等相關領域。

1 TRIZ理論和CAI

TRIZ理論是計算機輔助創(chuàng)新技術的基礎。TRIZ理論的創(chuàng)始人為前蘇聯(lián)的Altshuller，他通過對世界各國發(fā)明專利的分析與研究之后而創(chuàng)立了TRIZ理論。TRIZ的核心思想主要體現(xiàn)在以下幾點。

（1）一個產(chǎn)品或一個技術系統(tǒng)的核心技術的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的規(guī)律。（2）解決在產(chǎn)品研發(fā)或系統(tǒng)開發(fā)中的各種技術難題、沖突和矛盾。（3）以較少的資源實現(xiàn)較多的功能，達到一個理想解。

1.1 TRIZ理論解決過程

在利用TRIZ解決問題的過程中，設計者首先將待設計的產(chǎn)品表達成為TRIZ問題，然后利用TRIZ中的工具，如，發(fā)明原理、標準解等，求出該TRIZ問題的普適解或稱模擬解（Analogous Solution）；最后設計者在把該解轉(zhuǎn)化為領域的解或特解。

在運用TRIZ理論解決具體問題的過程中，TRIZ研究機構已提供了多種TRIZ解決工具，如，沖突矩陣、76標準解答、ARIZ、AFD、物質(zhì)-場分析、ISQ、 DE、8種演化類型、科學效應、40個創(chuàng)新原理，39個工程技術特性，物理學、化學、幾何學等工程學原理知識庫。這些工具為創(chuàng)新理論軟件化提供了基礎，從而為TRIZ的實際應用提供了條件。

利用TRIZ解決實際問題的流程可以劃分為以下幾個階段。

（1）問題定義階段：將現(xiàn)實問題使用相應的方法進行分析，進行抽象化，讓其達到一種理想化解。（2）工具選擇階段：根據(jù)實際問題情況，進行問題詳細分析后，選擇解決工具。（3）解決方案產(chǎn)生階段：根據(jù)解決工具，選擇適當?shù)慕鉀Q方法，通過技術演化等達到相應的解決方案。（4）解決方案評估階段：這個階段是對解決方案進行驗證階段，看選擇的方案能否達到理解化解，若沒有達到，重新進行問題定義或工具選擇。

1.2 CAI

一項新的技術要在各個領域中得到廣泛應用，軟件化是關鍵。CAI以TRIZ理論為基礎，它的出現(xiàn)為TRIZ的大規(guī)模系統(tǒng)化應用提供了良好的基礎。在國外很多知名企業(yè)，已使用CAI在產(chǎn)品概念設計階段來解決產(chǎn)品創(chuàng)新中所存在的問題，提高了產(chǎn)品市場競爭力。隨著國內(nèi)對TRIZ理念的研究，很多研究所和企業(yè)使用CAI進行技術創(chuàng)新，為創(chuàng)新提供強大的動力，推進了我國產(chǎn)品或技術的自主創(chuàng)新。

2 CAI在船舶設計中的應用

根據(jù)近幾年船舶行業(yè)經(jīng)濟情況分析，技術創(chuàng)新在船舶工業(yè)發(fā)展方面起了很大的推動作用，提高了行業(yè)影響和經(jīng)濟效益。我國對高技術船舶科研尤為重視，自科研專項實施以來，很大程度上推動了船舶工業(yè)整體技術水平的提高，研究項目應用效果十分顯著。但我們也看到，我國船舶行業(yè)在取得巨大成就的同時也存在著自主研發(fā)、自主建造等能力上的不足，CAD、CAM、CAE等軟件的應用為制造研發(fā)帶來了巨大變革和提高，但這些技術均只能夠在產(chǎn)品的詳細設計階段加以支持，無法支持產(chǎn)品的概念設計，由此可見，CAI技術引入船舶概念設計很重要，尋求在產(chǎn)品上的創(chuàng)新設計，提高自主創(chuàng)新能力。

2.1 應用實例1

水翼艇、水翼船是一種高速船舶，在底部裝上水翼，主要依靠水翼提供的浮力運行在水面。在高速運行下，水的溫度和壓力發(fā)生了變化，船舶在水中運動時所遇到的各種阻力，船舶穩(wěn)定性以及船體和推進器在水中引起的空化現(xiàn)象。水翼在長期高速狀態(tài)下運行，大量氣泡會在水翼表面產(chǎn)生，被產(chǎn)生的氣穴腐蝕。

應用背景： 防止水翼被氣穴腐蝕。

問題描述：當水翼在水中移動時會產(chǎn)生氣穴腐蝕現(xiàn)象。通常采用的一種防止水翼產(chǎn)生氣穴腐蝕的方法是冷卻水翼，使其表面被冰覆蓋，讓冰層成為氣穴腐蝕的載體，來防止水翼被腐蝕。但問題是：需要不間斷地提供冷卻的能量維系冰層，這樣就需要消耗大量能量來保持冰層，以防止水翼被氣穴腐蝕。

求助于CAI，調(diào)用TRIZ中的“物-場分析法”分析：腐蝕通過氣穴作用于水翼，需設法消除腐蝕這一負面效應，TRIZ建議引入新的物-場資源，帶冰層的水翼如圖1所示。

解決方法：結合工程實際，最終解決方案為：利用水翼外圍的水。將水翼上會產(chǎn)生氣穴腐蝕的部位穿孔，由于上下表面的壓力差，水在這些小孔表面形成保護水層，從而防止水翼遭受氣穴腐蝕，帶內(nèi)保護水層的水翼如圖2所示。

2.2 應用實例2

工程應用背景：裝配船體通常在造船廠進行。然而，隨著海運經(jīng)濟增長需求，對船舶的規(guī)模要求迅速增加。因此，需要建造能夠裝配大型船只的大型造船廠。然而在陸地上建造巨大的造船廠成本過高。

技術矛盾：提高靜止物體的長度（船體的大?。﹨s增加了靜止物體（裝配船體的造船廠）的體積。

根據(jù)技術矛盾，建立了矛盾矩陣，將靜止物體的長度作為優(yōu)化參數(shù)，而靜止物體的體積作為惡化參數(shù)，選取了創(chuàng)新原理35、8、2、14。

矛盾矩陣如表1所示。

相關原理解釋如下。

（1）創(chuàng)新原理35：物體的物理或化學狀態(tài)的變化。

改變物體的凝聚狀態(tài)、密度分布、可撓度、濕度等。

（2）創(chuàng)新原理8：重量補償。

①通過對某一物體的重量進行調(diào)節(jié)，提高與其他物體重量的平衡。

②通過空氣動力學特性、流體力學特性的相互作用調(diào)節(jié)物體的質(zhì)量。

（3）創(chuàng)新原理2：抽出。

從物體中抽出產(chǎn)生紊亂的或是需要的部分或?qū)傩浴?/p>

（4）創(chuàng)新原理14：回轉(zhuǎn)、橢圓性。

用線性替代曲線部分。

應用創(chuàng)新原理： 應用重量補償原理。

根據(jù)重量補償原理，在水上建造水上船塢，利用水的浮力實現(xiàn)重量補償。

首先，通過將多個中空防水的短圓柱體焊接，組裝成兩個長圓柱體。長圓柱體的浮力大，在裝配過程中該浮力可用于補償其余組建部分的重量。同時，它們?yōu)榇w提供浮力。

然后，兩個長圓柱體彼此相互平行排列。通過起重機，將船體底部分為兩部分，分別安裝在長圓柱體上，兩部分焊接。這樣所組裝的雙底船體可作為下一步裝配的支撐。

應用結果：浮動分段組裝的應用使得在水面上裝配船體成為可能。這樣就消除了對大型造船廠的需求。

首先，通過焊接多個中空防水的短圓柱體，組裝成兩個長圓柱體。中空的圓柱體浮力大，在船體裝配過程中，浮力可以用來補償其他裝配部分的重量。同時，又為船體提供了浮力。

然后，兩個長圓柱體相互平行排列。通過起重機，將船體的底部分別安裝在長圓柱體上。

應用結果：浮動分段組裝使船體在水面上的裝配成為可能。這樣就消除了裝配大型船只時對大型造船廠的需要，解決方案如圖3所示。

3 結語

將CAI技術引入到船舶設計中，將完善船舶工業(yè)的CAX（CAD/CAE/CAM/CAPP/CAT/CACD）體系，更加有力地支持船舶的創(chuàng)新設計和技術改進工作，提升船舶工業(yè)的自主創(chuàng)新能力。因此研究CAI及其理論基礎——TRIZ具有重要的應用意義。

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