基于功能方法树与TRIZ的钢索夹设计
2013-11-30黄振勇罗建设
黄振勇 ，罗建设
(1．中国民航飞行学院 飞机修理厂，四川 德阳 618307；2．成都工业学院 模具技术四川省高校重点实验室，成都 610031)
罗建设(1979- ),男(汉族),四川宣汉人，讲师，博士,研究方向：计算机辅助设计。
基于功能方法树与TRIZ的钢索夹设计
黄振勇1，罗建设2
(1．中国民航飞行学院 飞机修理厂，四川 德阳 618307；2．成都工业学院 模具技术四川省高校重点实验室，成都 610031)
结合功能方法树与TRIZ方法的特点，在充分发挥两者优势的基础上提出了发现问题解决矛盾的一种新方法，并将其应用到钢索夹的具体设计中，得到了钢索夹的改进设计方案，为钢索夹的详细设计提供了依据。
功能方法树；TRIZ；钢索夹
产品设计过程是解决问题的过程，它是把“我们希望得到”映射到“我们如何得到”，即是从用户需求到产品功能要求，最后到满足功能的物理结构。本文将功能方法树与TRIZ理论在产品设计方面的优势有机地结合，提出了一种产品设计的新方法，同时将该方法应用于调整飞机软式操纵系统时使用的钢索夹的设计中，改善了钢索夹的使用性能和可操作性，提高了工作效率。
图1 功能分解
1 功能方法树
产品方案设计的出发点是功能分解，其主要任务是把用户需求映射为产品的总功能，但产品的总功能通常很难立即找到相应的实体解，因此必须把总功能逐层分解为相对比较简单的、容易寻求实体解的子功能或功能单元，通过功能建模可以清晰地把握功能的输入、输出及功能之间的相互关系，如图1所示。
功能方法树是将从用户需求中提取的复杂的产品总功能分解为若干个较小的、简单的分功能，并通过对简单的分功能的求解和对这些解的组合来求出总功能的解[1]。这些组合可以得到若干不同的方案，在这些方案中选择出一个或几个最佳方案，从而实现产品创新设计。
2 发明问题解决理论(TRIZ)
TRIZ是俄文“发明问题解决理论”的缩写，是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学。新产品的研制或改型设计，主要是不断解决产品所存在的冲突。运用TRIZ中的工具可以解决基本矛盾和冲突[2]，从而避免设计过程中的盲目性和局限性。
TRIZ的主要内容包括：技术系统演变的8个模式、40条发明原理、39个技术参数、矛盾矩阵、76个发明问题的标准解决方案、发明问题解决算法(ARIZ)和工程知识库等。
图2 TRIZ流程图
3 基于功能方法树与TRIZ的钢索夹设计
3.1 功能方法树与TRIZ的结合
应用功能方法树的功能模型对产品功能进行描述，抽象出产品的总功能，再由功能分解方法将其分解，直到分解为更小且容易实现的功能元；各功能元可以选择一种或几种方法来实现，形成功能结构树，每个功能元通过相互协调来完成所期望的总功能。
图2为基于TRIZ的发明问题解决过程模型[3]。依据该模型，首先分析问题，包括功能分析、理想解、可用资源及冲突区域的确定；如果存在技术冲突或物理冲突，选择发明原理或分离原理解决；如果需要替代技术，选择技术进化模式与进化路线；如果已确定要解决的问题，但不知如何解决，可选择科学效应。然后对通过上述方法得到的方案进行评价，如果仍然不满足需求，则必须对问题进行重新分析；反之，就可以进行后续的详细设计。
图3 功能方法树与TRIZ结合模型
综上所述，TRIZ主要是解决设计中如何做的问题(how)，对设计中做什么的问题(what)未能给出合适的工具。其出发点是借助于经验发现设计中的冲突，冲突发现的过程也是通过对问题的定性描述来完成的[4-5]。其他的设计理论，特别是功能方法树能解决做什么的问题。所以将两者有机地结合，发挥各自的优势，将有助于产品设计，如图3所示。
图4 功能分解树力
3.2 钢索夹的设计
在小型飞机结构大检修过程中，有时需要对钢索进行检查、调整或更换，就必须使用钢索夹。当拆卸该段钢索时，对不需要拆下的钢索应先夹上钢索夹，或是在钢索轮毂或钢索扇形盘上插上钢销，以保持一定的张力，防止整个钢索系统松垮，导致钢索从滑轮上脱落。
3.2.1 钢索夹总功能的提取
钢索夹在使用过程中的空间及位置的局限性对钢索夹的设计提出了特殊要求。通过对维护人员需求和实际工作要求的分析可知，维护人员希望得到简易装卸、且安全可靠的钢索夹。
3.2.2 功能分解
基于钢索夹的总功能以及在使用过程中的需求、限制等，应用功能方法树进行功能分解，得到如图4所示的功能分解树。
3.2.3 确定冲突
无论是新设计还是对已有产品的改进设计，设计人员在设计过程中首先要保证或提高产品的某些内部性能，但这种提高往往导致产品其他内部性能的降低，这就是设计中的冲突。传统钢索夹使用过程中，想要快速安装钢索夹，就要缩短其定位、安装和夹紧的时间，但同时也降低了其可靠性，即快速安装/拆卸钢索夹和可靠性间存在冲突。
3.2.4 解决矛盾
本文选择冲突矩阵作为问题解决的工具。首先从39个标准工程参数中选择并确定技术冲突的一对特性参数：1)改善的参数：时间损失(No.25)；2)带来负面影响的参数：可操作性(No.33)。由冲突矩阵确定可用发明原理为：不对称(No.4)、预操作(No.10)、机械系统的替代(No.28)、抛弃与修复(No.34)。
3.2.5 得出方案
结合网络信息检索、科学效应库、专利库等，本文得到问题的创新方案的过程为：1) 利用No.4、No.10 、No.28：机械系统的替代，将物体由对称变为不对称——通过不对称进行夹紧及机械自锁；在操作开始前，使物体局部或全部产生所需的变化——在钢索夹设计中事先将其一端连接好，得到创新方案b，如图5(b)所示。2)利用No.10：预先对物体进行特殊安排，使其处于易操作的位置——在钢索夹设计中，另一端事先固定好螺帽，得到创新方案c，如图5(c)所示。3)利用No.10、No.28：机械系统替代——改变螺帽拧紧形式，得到方案d，如图5(d)所示。
图5功能方法树与TRIZ结合模型
3.2.6 确定方案
方案a所示为原有钢索夹，与其相比，方案b、c和d在易操作性和快速拆装方面有了很大的改进，但是方案b降低了可靠性，即降低了其对钢索的夹紧力，容易使钢索发生滑动导致夹紧失效。方案c和d在易操作性、快速拆装方面有很大提高，并且没有降低其可靠性，因此方案c和d是较为合理的设计方案。可根据具体的使用限制和应用空间来具体选择合适的设计方案。
4 结语
产品是功能的实现，任何产品都包括一个或多个功能，为了实现这些功能，产品要由相关的多个零部件组成。为了提高产品的市场竞争力，需要不断对产品进行改进设计，这就需要发现并解决产品的冲突。本文结合功能方法树与TRIZ2个产品设计方法提出了相应的设计模型，并通过对钢索夹进行改进设计，验证了其实用性，得到了较为合理的新的钢索夹设计方案。
[1] 刘新福,刘东升,梁建芬,等.基于功能方法树的车床刀架概念设计及评价[J].机械科学与技术,2005,24(4):462-465.
[2] 檀润华.创新设计-TRIZ:发明问题解决理论[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3] DOMB E.QFD and TIPS/TRIZ [EB/OL].[2013-01-01].http://www.TRIZ-Journal.com.
[4] 檀润华,马建红,张换高,等.基于QFD及TRIZ的概念设计过程研究[J].机械设计,2002,19(9):1-4.
[5] 侯智,张根保,余德忠,等.基于QFD、TRIZ和稳健设计的设计方法体系结构研究[J].机械设计与研究,2003,19(3):17-19.
DesignofCableClipBasedonFunctionalMeansTreeandTRIZ
HUANGZhenyong1,LUOJianshe2
(1. Aircraft Repair Plant, Civil Aviation Flight university of China, Deyang 618307, China; 2. Key Laboratory for Mold Technology of Sichuan Province, Chengdu Technological University, Chengdu 610031, China)
Product evolution process is the process of solving product conflict. How to identify and solve the conflict becomes a key factor for product improvement. This paper presents a new method to solve the contradiction, based on full play to the advantages of the characteristic function means tree and TRIZ method, and applies to the improved design scheme of cable clamp. The improved design scheme provides the basis for the detailed design of the cable clamp.
function means tree；TRIZ；cable clamp
2013-01-30
四川省教育厅项目“高强度汽车用钢的热冲压成形关键技术研究”(11ZB014)
黄振勇(1982- ),男(汉族),山西大同人，助理工程师，硕士,研究方向：机务维修。
TH122
A
2095-5383(2013)02-0029-03
