|
|
задания. Проверяемые задания (9). Практическое задание 1 Эвристические методы проектирования
Практическое задание 2
Тема 3. Методы проектирования
Цель – ознакомиться с методом проектирования ТРИЗ (теория решения изобретательских задач).
Формулировка задания
Дать характеристику эвристическим подходам в проектировании и рассмотреть понятие ТРИЗ-методы. Построить структуру с использованием ТРИЗ-методов проектирования.
Теоретическая часть
Что такое АРИЗ?
Алгоритмом Г.С. Альтшуллер назвал свою методику в широком, а не узком математическом смысле. Алгоритм решения изобретательских задач не требовал жесткой точности, как, например, алгоритм извлечения квадратного корня из целого положительного числа. Он отличался гибкостью: разные задачи могли решаться разными путями, зависящими не только от условий задачи, но и от знаний, опыта и способностей самого изобретателя.
АРИЗ – это комплексная программа алгоритмического типа, основанная на законах развития технических систем и предназначенная для анализа и решения изобретательских задач.
Это своеобразная пошаговая инструкция, в которой можно выделить три части (по книге В. Петрова «Алгоритм решения изобретательских задач»).
Программа АРИЗ – последовательность операций по выявлению и разрешению противоречий, анализу исходной ситуации и выбору задачи для решения, синтезу решения, анализу полученных решений и выбору наилучшего из них, накоплению наилучших решений и обобщению этих материалов для улучшения способа решения других задач. Структура программы и правила ее выполнения базируются на законах и закономерностях развития техники.
Информационное обеспечение включает в себя систему стандартов на решение изобретательских задач; технологические эффекты (физические, химические, биологические, математические, в частности, наиболее разработанные в настоящее время – геометрические); приемы устранения противоречий; способы применения ресурсов природы и техники.
Методы управления психологическими факторами, ведь программа АРИЗ предназначена для использования человеком. Помимо преодоления психологической инерции, технология позволяет развивать творческое воображение, необходимое для решения сложных изобретательских задач.
Основные понятия АРИЗ
Категориальный аппарат АРИЗ достаточно прост и базируется на двух основных понятиях: противоречиях и идеальном конечном результате. Рассмотрим их детально и проиллюстрируем примерами.
Противоречия. Противоречие – взаимодействие противоположных, взаимоисключающих сторон и тенденций, предметов и явлений, которые вместе с тем находятся во внутреннем единстве. В случае с ТРИЗ и АРИЗ решение проблемы строится на последовательности по выявлению и разрешению противоречий, устранению их причин. АРИЗ апеллирует к трем видам противоречий, благодаря которым выявляются причинно-следственные связи. Их определение необходимо для понимания сути решения задачи, поэтому рассмотрим их детальнее.
Поверхностное противоречие (ПП) – противоречие между потребностью и возможностью ее удовлетворения. Классическая теория Г.С. Альтшуллера называет это противоречие административным (АП), поскольку оно часто формулируется администрацией или заказчиком и содержит отсылку к проблеме: «Надо увеличить скорость работы, но неизвестно как» или «Имеется брак в производстве, его нужно устранить, но неясно, как это сделать» и т. д. Поверхностное противоречие (ПП) сопряжено либо с устранением нежелательного эффекта (НЭ) – того, что нас не устраивает в технической системе, либо с необходимостью создания чего-то нового, когда еще непонятно как. Пример. Снимая горячую кастрюлю с плиты, можно обжечься. Как устранить этот недостаток?
Углубленное противоречие (УП) – это противоречие между определенными частями, качествами или параметрами системы. УП возникает при улучшении одних частей (качеств или параметров) системы с учетом недопустимости ухудшения других, когда полезное действие вызывает одновременно и вредное. Обычно приходится искать компромисс, то есть чем-то жертвовать ради решения (скоростью работы, габаритами и т. д.). Таким образом, углубленное противоречие представляет собой причину возникновения поверхностного противоречия, усиливая его. Г.С. Альтшуллер, указывая, что для решения задачи нужно изменить технические характеристики объекта, называл это противоречие техническим (ТП). Пример. Кастрюля должна нагреваться, ведь только так возможно приготовление еды. Это вступает в противоречие с потребностью снимать кастрюлю руками.
Обостренное противоречие (ОП) – предъявление диаметрально противоположных свойств (например, физических) к определенной части технической системы (ТС). Оно необходимо для определения причин, породивших углубленное противоречие, другими словами, является дальнейшим его углублением. Порой это нужно для выявления первопричины. Для многих незнакомых с АРИЗ такая формулировка звучит непривычно, ведь ОП подразумевает, что часть ТС должна находиться сразу в двух взаимоисключающих состояниях: быть холодной и горячей, подвижной и неподвижной и т. д. Изучение причин, породивших углубленное (техническое) противоречие приводит к необходимости выявления противоречивых физических свойств системы, поэтому Г.С. Альтшуллер назвал его физическим противоречием (ФП). Пример. Кастрюля должна быть горячей, чтобы готовить в ней еду, и холодной, чтобы снимать ее руками. Но достаточно, чтоб горячим было только дно и стенки. А вот ручки можно сделать из теплоизоляционного материала. Так мы приходим к решению.
Идеальный конечный результат (ИКР) – решение, которое мы хотели бы видеть в своих самых смелых мечтах, когда возможно абсолютно все. ИКР – идеальная система, КПД которой равен 100 %. Альтшуллер предположил, что самое эффективное решение проблемы – такое, которое достигается «само по себе», только за счет уже имеющихся ресурсов. Он определял идеальный конечный результат (ИКР) как ситуацию, когда «некий элемент (X-элемент) системы или окружающей среды сам устраняет вредное воздействие, сохраняя способность выполнять полезное».
Идеальная техническая система – это система, которой нет, а ее функции выполняются, другими словами, цели достигаются без средств. Мы приводили пример такой ТС, описывая закон увеличения степени идеальности системы.
Идеальное вещество – вещества нет, а функции его (прочность, непроницаемость и т. д.) остаются. Этим объясняется современная тенденция использовать все более легкие и более прочные материалы.
Идеальная форма – обеспечивает максимум полезного эффекта, например, прочность при минимуме используемого материала.
Идеальный процесс – получение результатов без процесса, то есть мгновенно. Сокращение процесса изготовления изделий – цель любой прогрессивной технологии.
Таким образом, суть АРИЗ заключается в том, чтобы на основе сопоставления идеального и реального состояния ТС выявить противоречие и устранить его.
Составляющие АРИЗ
Алгоритм решения изобретательских задач состоит из нескольких элементов. Здесь дан упрощенный вариант АРИЗ.
Этап 1. ТИП ЗАДАЧИ
Вначале нужно определить, к какому типу задач относится наша: она исследовательская или изобретательская? Исследовательская задача требует описания нового явления, неизвестного ранее и непонятного. Изобретательская же имеет дело с известным нам явлением, которое нужно изменить или устранить. Очевидно, что такие задачи решаются проще, поэтому нужно уметь переводить исследовательскую задачу в изобретательскую. Чтобы сделать это, нужно к условию задачи поставить вместо вопроса «Почему (как) это происходит?» вопрос «Как это делать?» Для этого записать формулировку обращенной задачи по схеме: «Система (указать назначение) включает (перечислить входящие в систему элементы). Необходимо при заданных условиях (указать) обеспечить получение (указать наблюдаемое явление)».
Этап 2. ПРОТИВОРЕЧИЯ И ИКР (таблица 1 и таблица 2)
На данном этапе нужно сформулировать противоречия и идеальный конечный результат. Бывают случаи, когда четкое определение этих двух составляющих уже наталкивает на приемлемый результат. Например, задача: как поступить гостинице, чтоб гости не крали вещи? Противоречие – кражу допустить нельзя, но и следить за вещами и проверять багаж съезжающих невозможно. ИКР – даже в случае кражи гостиница не должна нести убытки. Решается все просто: стоимость вещей в номере изначально включается в стоимость проживания.
Этап 3. РЕСУРСЫ
Ресурсами может быть все, что полезно для нахождения решения. Желательно, чтобы для этого использовались те ресурсы, которые уже присутствуют в проблемной ситуации, а также максимально дешевые ресурсы. Например, если грузовик буквально на сантиметр выше моста или дорожного перекрытия, разумнее спустить немного колеса и проехать, а не искать объездной путь.
Благодаря работе в направлении поиска полезных ресурсов созданы специальные справочники по ТРИЗ.
На данном этапе необходимо определить, решается ли задача:
– применением смеси ресурсных веществ;
– заменой имеющихся ресурсных веществ пустотой или смесью ресурсных веществ с пустотой;
– применением веществ, производных от ресурсных (или применением смеси этих производных веществ с пустотой).
Этап 4. РЕШЕНИЕ
Применить приемы и принципы, созданные для поиска решений в ТРИЗ:
40 приемов устранения технических противоречий (Таблица 3), сформулированные Г.С. Альтшуллером.
Этап 5. АНАЛИЗ
Получив один или несколько вариантов решения задачи, нужно проанализировать их с позиции идеальности. Для этого нужно выяснить, насколько сложно и дорого обойдется его реализация, задействованы ли все ресурсы системы, какие нежелательные эффекты возникли, как их минимизировать или устранить.
Таблица 1
Схемы типичных конфликтов в моделях задач
1. ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ
|
А действует на Б полезно (сплошная стрелка), но при этом постоянно или на отдельных этапах возникает обратное вредное действие (волнистая стрелка).
Требуется устранить вредное действие, сохранив полезное действие.
|
2. СОПРЯЖЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ
|
Полезное действие А на Б в чем-то оказывается вредным действием на это же Б (например, на разных этапах работы одно и то же действие может быть то полезным, то вредным).
Требуется устранить вредное действие, сохранив полезное.
|
3. СОПРЯЖЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ
|
Полезное действие А на одну часть Б оказывается вредным для другой части Б.
Требуется устранить вредное действие на Б2, сохранив полезное действие на Б1.
|
4. СОПРЯЖЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ
|
Полезное действие А на Б является вредным действием на В (причем А, Б и В образуют систему).
Требуется устранить вредное действие, сохранив полезное и не разрушив систему.
|
5. СОПРЯЖЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ
|
Полезное действие А на Б сопровождается вредным действием на само А (в частности, вызывая усложнение А).
Требуется устранить вредное действие, сохранив полезное.
|
6. НЕСОВМЕСТИМОЕ ДЕЙСТВИЕ
|
Полезное действие А на Б несовместимо с полезным действием В на Б (например, обработка несовместима с измерением).
Требуется обеспечить действие В на Б (пунктирная стрелка), не меняя действия А на Б.
|
7. НЕПОЛНОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИЛИ БЕЗДЕЙСТВИЕ
|
А оказывает на Б одно действие, а нужны два равных действия. Или А не действует на Б. Иногда А вообще не дано: надо изменить Б, а каким образом – неизвестно.
Требуется обеспечить действие на Б при минимально простом А.
|
8. «БЕЗМОЛВИЕ»
|
Нет информации (волнистая пунктирная стрелка) об А, Б или взаимодействии А и Б. Иногда дано только Б.
Требуется получить необходимую информацию.
|
9. НЕРЕГУЛИРУЕМОЕ (В
ЧАСТНОСТИ,
ИЗБЫТОЧНОЕ) ДЕЙСТВИЕ
|
А действует на Б нерегулируемо (например, постоянно), а нужно регулируемое действие (например, переменное).
Требуется сделать действие А на Б регулируемым (штрихпунктирная стрелка).
|
Таблица 2
Разрешение физических противоречий
|
ПРИНЦИПЫ
|
1
|
Разделение противоречивых свойств в пространстве
|
2
|
Разделение противоречивых свойств во времени
|
3
|
Системный переход 1а:
объединение однородных или неоднородных систем в надсистему
|
4
|
Системный переход 1б:
от системы к антисистеме или сочетанию системы с антисистемой
|
5
|
Системный переход 1в:
вся система наделяется свойством С, а ее части – свойством антиС
|
6
|
Системный переход 2:
переход к системе, работающей на микроуровне
|
7
|
Фазовый переход 1:
замена фазового состояния части системы или внешней среды
|
8
|
Фазовый переход 2:
«двойственное» фазовое состояние одной части системы (переход этой части из одного состояния в другое в зависимости от условий работы)
|
9
|
Фазовый переход 3:
использование явлений, сопутствующих фазовому переходу
|
10
|
Фазовый переход 4:
замена однофазового вещества двухфазовым
|
11
|
Физико-химический переход:
возникновение – исчезновение вещества за счет разложения/соединения, ионизации/рекомбинации
|
Таблица 3
Принципы и типовые приемы устранения технических противоречий
№
|
Принципы
|
Типовые приемы устранения технических противоречий
|
1
|
ПРИНЦИП ДРОБЛЕНИЯ
|
а) разделить объект на независимые части;
б) выполнить объект разборным;
в) увеличить степень дробления объекта
|
2
|
ПРИНЦИП ВЫНЕСЕНИЯ
|
отделить от объекта «мешающую» часть («мешающее» свойство) или, наоборот, выделить единственно нужную часть (нужное свойство)
|
3
|
ПРИНЦИП МЕСТНОГО КАЧЕСТВА
|
а) перейти от одной структуры объекта (или внешней среды, внешнего воздействия) к неоднородной;
б) разные части объекта должны иметь (выполнять) различные функции;
в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы
|
4
|
ПРИНЦИП АССИМЕТРИИ
|
а) перейти от симметричной формы объекта к асимметричной;
б) если объект асимметричен, увеличить степень асимметрии.
Машины рождаются симметричными. Это их традиционная форма. Поэтому многие задачи, трудные по отношению к симметричным объектам, легко решаются нарушением симметрии
|
5
|
ПРИНЦИП ОБЪЕДИНЕНИЯ
|
а) соединить однородные или предназначенные для смежных операций объекты;
б) объединить во времени однородные или смежные операции
|
6
|
ПРИНЦИП УНИВЕРСАЛЬНОСТИ
|
объект выполняет несколько разных функций, благодаря чему отпадает необходимость в других объектах
|
7
|
ПРИНЦИП «МАТРЕШКИ»
|
а) один объект размещен внутри другого, который, в свою очередь, находится внутри третьего и т. д.;
б) один объект проходит сквозь полости в другом объекте
|
8
|
ПРИНЦИП АНТИВЕСА
|
а) компенсировать вес объекта соединением с другим, обладающим подъемной силой;
б) компенсировать вес объекта взаимодействием со средой (за счет аэро- и гидродинамических сил)
|
9
|
ПРИНЦИП ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО АНТИДЕЙСТВИЯ
|
а) заранее придать объекту напряжения, противоположные недопустимым или нежелательным рабочим напряжениям;
б) если по условиям задачи необходимо совершить какое-то действие, надо заранее совершить антидействие
|
10
|
ПРИНЦИП ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ
|
а) заранее выполнить требуемое действие (полностью или хотя бы частично);
б) заранее расставить объекты так, чтобы они могли вступить в действие без затраты времени на доставку и с наиболее удобного места
|
11
|
ПРИНЦИП «ЗАРАНЕЕ ПОДЛОЖЕННОЙ ПОДУШКИ»
|
компенсировать относительно невысокую надежность объекта заранее подготовленными аварийными средствами
|
12
|
ПРИНЦИП ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНОСТИ
|
изменить условия работы так, чтобы не приходилось поднимать или опускать объект
|
13
|
ПРИНЦИП «НАОБОРОТ»
|
а) вместо действия, диктуемого условиями задачи, осуществить обратное действие;
б) сделать движущуюся часть объекта или внешней среды неподвижной, а неподвижную – движущейся;
в) перевернуть объект «вверх ногами», вывернуть его
|
14
|
ПРИНЦИП СФЕРОИДАЛЬНОСТИ
|
а) перейти от прямолинейных частей к криволинейным, от плоских поверхностей к сферическим, от частей, выполненных в виде куба и параллелепипеда, к шаровым конструкциям;
б) использовать ролики, шарики, спирали;
в) перейти от прямолинейного движения к вращательному, использовать центробежную силу
|
15
|
ПРИНЦИП ДИНАМИЧНОСТИ
|
а) характеристики объекта (или внешней среды) должны меняться так, чтобы быть оптимальными на каждом этапе работы;
б) разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга;
в) если объект в целом неподвижен, сделать его подвижным, перемещающимся
|
16
|
ПРИНЦИП ЧАСТИЧНОГО ИЛИ ИЗБЫТОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ
|
если трудно получить 100 % требуемого эффекта, надо получить «чуть меньше» или «чуть больше» – задача при этом существенно упростится
|
17
|
ПРИНЦИП ПЕРЕХОДА В ДРУГОЕ ИЗМЕРЕНИЕ
|
а) трудности, связанные с движением (или размещением) объекта по линии, устраняются, если объект приобретает возможность перемещаться в двух измерениях (т. е. на плоскости). Соответственно задачи, связанные с движением (или размещением) объектов в одной плоскости, устраняются при переходе к пространству в трех измерениях;
б) использовать многоэтажную компоновку объектов вместо одноэтажной;
в) наклонить объект или положить его «на бок»;
г) использовать обратную сторону данной площади;
д) использовать оптические потоки, падающие на соседнюю площадь или обратную сторону имеющейся площади
|
18
|
ПРИНЦИП ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
|
а) привести объект в колебательное движение;
б) если такое движение уже совершается, увеличить его частоту (вплоть до ультразвуковой);
в) использовать резонансную частоту;
г) применить вместо механических вибраторов пьезовибраторы;
д) использовать ультразвуковые колебания в сочетании с электромагнитными полями
|
19
|
ПРИНЦИП ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
|
а) перейти от непрерывного действия к периодическому (импульсному);
б) если действие уже осуществляется периодически, изменить периодичность;
в) использовать паузы между импульсами для другого действия
|
20
|
ПРИНЦИП НЕПРЕРЫВНОСТИ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
|
а) вести работу непрерывно (все части объекта должны все время работать с полной нагрузкой);
б) устранить холостые и промежуточные ходы
|
21
|
ПРИНЦИП ПРОСКОКА
|
вести процесс или отдельные его этапы (например, вредные или опасные) на большой скорости
|
22
|
ПРИНЦИП «ОБРАТИТЬ ВРЕД В ПОЛЬЗУ»
|
а) использовать вредные факторы (в частности, вредное воздействие среды) для получения положительного эффекта;
б) устранить вредный фактор за счет сложения с другими вредными факторами;
в) усилить вредный фактор до такой степени, чтобы он перестал быть вредным
|
23
|
ПРИНЦИП ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
|
а) ввести обратную связь;
б) если обратная связь есть, изменить ее
|
24
|
ПРИНЦИП «ПОСРЕДНИКА»
|
а) использовать промежуточный объект, переносящий или передающий действие;
б) на время присоединить к объекту другой (легкоудаляемый) объект
|
25
|
ПРИНЦИП САМООБСЛУЖИВАНИЯ
|
а) объект должен сам себя обслуживать, выполняя вспомогательные и ремонтные операции;
б) использовать отходы (энергии, вещества)
|
26
|
ПРИНЦИП КОПИРОВАНИЯ
|
а) вместо недоступного, сложного, дорогостоящего, неудобного или хрупкого объекта использовать его упрощенные и дешевые копии;
б) заменить объект или систему объектов их оптическими копиями (изображениями). Использовать при этом изменение масштаба (увеличить или уменьшить копии);
в) если используются видимые оптические копии, перейти к копиям инфракрасным и ультрафиолетовым
|
27
|
ПРИНЦИП ДЕШЕВОЙ НЕДОЛГОВЕЧНОСТИ ВЗАМЕН ДОЛГОВЕЧНОСТИ
|
заменить дорогой объект набором дешевых объектов, поступившись при этом некоторыми качествами (например, долговечностью)
|
28
|
ПРИНЦИП ЗАМЕНЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
|
а) заменить механическую схему оптической, акустической или «запаховой»;
б) использовать электрические, магнитные и электромагнитные поля для взаимодействия с объектом;
в) перейти от неподвижных полей к движущимся, от фиксированных – к меняющимся во времени, от неструктурных – к имеющим определенную структуру;
г) использовать поля в сочетании с ферромагнитными частицами
|
29
|
ПРИНЦИП ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПНЕВМО- И ГИДРОКОНСТРУКЦИЙ
|
вместо твердых частей объекта использовать газообразные и жидкие: надувные и гидронаполняемые, воздушную подушку, гидростатические и гидрореактивные
|
30
|
ПРИНЦИП ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИБКИХ ОБОЛОЧЕК И ТОНКИХ ПЛЕНОК
|
а) вместо обычных конструкций использовать гибкие оболочки и тонкие пленки;
б) изолировать объект от внешней среды с помощью гибких оболочек и тонких пленок
|
31
|
ПРИНЦИП ПРИМЕНЕНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
а) выполнить объект пористым или использовать дополнительные пористые элементы (вставки, покрытия и т. д.);
б) если объект уже выполнен пористым, предварительно заполнить поры каким-то веществом
|
32
|
ПРИНЦИП ИЗМЕНЕНИЯ ОКРАСКИ
|
а) изменить окраску объекта или внешней среды;
б) изменить степень прозрачности объекта или внешней среды
|
33
|
ПРИНЦИП ОДНОРОДНОСТИ
|
объекты, взаимодействующие с данным объектом, должны быть сделаны из того же материала (или близкого ему по свойствам)
|
34
|
ПРИНЦИП ОТБРОСА И РЕГЕНЕРАЦИИ ЧАСТЕЙ
|
а) выполнившая свое назначение или ставшая ненужной часть объекта должна быть отброшена (растворена, испарена и т. д.) или видоизменена непосредственно в ходе работы;
б) расходуемые части объекта должны быть восстановлены непосредственно в ходе работы
|
35
|
ПРИНЦИП ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА
|
а) изменить агрегатное состояние объекта;
б) изменить концентрацию или консистенцию;
в) изменить степень гибкости;
г) изменить температуру
|
36
|
ПРИНЦИП ПРИМЕНЕНИЯ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
|
использовать явления, возникающие при фазовых переходах, например, изменение объема, выделение или поглощение тепла и т. д.
|
37
|
ПРИНЦИП ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ
|
а) использовать тепловое расширение (или сжатие) материалов;
б) использовать несколько материалов с разными коэффициентами теплового расширения
|
38
|
ПРИНЦИП ПРИМЕНЕНИЯ СИЛЬНЫХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ
|
а) заменить обычный воздух обогащенным;
б) заменить обогащенный воздух кислородом;
в) воздействовать на воздух и кислород ионизирующим излучением;
г) использовать озонированный кислород;
д) заменить озонированный кислород (или ионизированный) озоном
|
39
|
ПРИНЦИП ПРИМЕНЕНИЯ ИНЕРТНОЙ СРЕДЫ
|
а) заменить обычную среду инертной;
б) вести процесс в вакууме
|
40
|
ПРИНЦИП ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
|
перейти от однородных материалов к композиционным
|
Алгоритм выполнения практического задания
Ознакомиться с теоретической частью практического задания.
По варианту выполнения практического задания 1 заполнить таблицу 4.
|
|
|
Скачать 0.63 Mb.