解决技术问题的思维要点

例子：钢丝张力计算机控制技术
预应力钢丝缠绕的张力产生与控制
认识的深入
沈重采用变频器对八字轮进行调速 提出在重锤轨道上设行程开关 启示：重锤的上下运动实际上显示了 张力的变化，其作用是张力的测量和 标定 认识：完全可以用一个张力传感器代 替重锤
计算机控制的钢丝张力装置
解决技术问题的思维要点：
需求引导创新的生产
割草机的噪音问题 需求：
低噪音的割草机 ——发动机改成电动机 ——飞剪改成齿形剪 安静修剪草坪 ——不长高的草坪草 免维护的草坪
对于需求理解的深度，反映了对问 题理解深度，直接影响着创造性方 案的产生。
如何做？
多问“为什么？” “中立”思考，缓提方案 试探性试验 文献参考，发现其真正的需求背景。
多向模锻液压机
万吨以上的多向模锻液压机只美国卡麦隆 （Cameron）公司拥有100MN，180MN和 300MN的多向模锻液压机
垂直油缸作用力300MN 水平油缸作用力60MN
垂直油缸作用力180MN 水平油缸作用力45MN
利用有限元说明多向模锻液压机的受力特点
仅垂直载荷作用 最大应力：775MPa
什么是冲突？
简单讲冲突就是“矛盾”，就是“技 术难点”，就是现有方法解决不了的 技术问题。 TRIZ对冲突的定义：
当改进或提高系统的某些方面性能时，造成 对系统其他方面的影响，如果这些影响是负 面的，造成系统性能变差，就出现了冲突。 冲突普遍存在于各种产品的设计中。
檀润华，《创新设计：TRIZ，发明问题解决理论》，机械工业出版社，2002年
解决技术问题的思维要点
林峰 教授 清华大学机械工程系
2010年2月4日
科学研究的基本类型
探求自然（客观）规律 ——发现 解决现实问题 ——发明 预见事物变化 ——发展 三者往往是交织在一起的，“发现和 发明”是科研的最主要内容，而“发 展”则是“创新”的源泉
解决技术问题的思维要点：
生物进化的特点：
生物进化的形式——自然选择（物竞 天择）
模型：病毒、细菌、老鼠的抗药性产生 条件：
高繁殖率 选择条件相对稳定 基因突变
技术系统发展的特点
技术系统进化的途径：
技术冲突的解决——G. S. Altshuler（阿里 特舒列尔）的TRIZ理论 实践检验
利用个人和团队的知识和创造力去产 生解决方案 通过个人的独立工作和小组的集体工 作来完成 具体方式：每个成员先独自工作、深 入思考，然后聚在一起讨论和改进每 个人产生的设计概念。
(美) Karl T. Ulrich，Steven D. Eppinger著，詹涵菁译，产品设计与开发
，第三版，高等教育出版社，2005
解决技术问题的思维要点：
需求引导 “漏斗”模型 抓冲突 高起点
高起点
TRIZ认为：现实中的技术问题解决方法 可以分成5个级别。
技术方案的级别
级别 1 2 3 4 5 创新程度 显然的解 少量的改进 根本性的改进 全新的概念 发现 百分比 32% 45% 18% 4% 1% 知识来源 个人的知识 公司内的知识 行业内的知识 行业以外的知识 所有已有的知识 淘汰解的个数 1～10 10～100 100～1000 1000～10000 10000～
多向模锻液压机
通常的螺栓预紧结构中预紧螺栓需 贯穿左右机架，会造成结构的干涉， 因此不适合
多向模锻液压机
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而预应力钢丝缠绕结构是通过在机 架外侧缠绕钢丝产生预紧力，可有 效避免机架内部的运动结构干涉。
缠绕预紧是通过柔性体在圆弧表面包裹的 面压产生预紧力，无需穿过被预紧结构 q
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完
檀润华，《创新设计：TRIZ，发明问题解决理论》，机械工业出版社，2002年
第1级（Level 1）
通常的技术问题，或对已有系统的简 单改进。 例如：增加隔热层厚度，改变零部件 尺寸，改变材料等。
第2级（Level 2）
通过解决一个技术冲突对已有系统进 行少量改进。 例如：在焊接装置上加一个灭火器， 自行车车把前加一个框，钢丝张力计 算机控制系统，错缸结构。
需求引导 “漏斗”模型 抓冲突 高起点
“漏斗”模型
最初产生宽泛的概念设计； 逐步缩小选择范围，逐步明确一些详细特征； 最终得到可靠的，能实现的解决方案
自然的杰作 vs. 人类的发明
鸟类 鲨鱼、海豚 羚羊 昆虫的复眼 蝙蝠的超声波探测 荷叶的自洁 北极熊的毛发 光合作用 生物固氮 飞机 舰船、潜艇 汽车 复眼相机 雷达、声纳 二氧化钛镀膜 多孔保温材料 光电池 氮肥
能够进行尝试的机会太少，时间太短。
因此，人类发明活动的基本矛盾是：
在有限的条件下，求得最佳的解决方案
如何解决这一基本矛盾？
科学知识 逻辑推演 “漏斗模型” ——集思广益
“漏斗模型”的要求
设计方案一定要“由多到少，由宽到 窄” 开阔思路，广纳博采，兼收并蓄 在“概念世界中”进行设计 充分发挥数字化设计工具的作用 可以通过外部和内部两条途径
(美) Karl T. Ulrich，Steven D. Eppinger著，詹涵菁译，产品设计与开发
，第三版，高等教育出版社，2005
反面意见的价值：
第一台预应力钢丝缠绕自由锻/快锻液压机 提出重心高，机架摇晃
反面意见的价值：
自由锻/快锻液压机普遍存在机身摇晃 稳定性最好的是一种“缸动”式结构
实例：瓦特发明蒸汽机
解决了压力控制 解决了气缸镗孔
设计与自然选择
自然选择的特点
多样、完备——无限个体的“突变” 持续、渐变——上万年的持续进程 适应性——适者生存 不确定——个体的发展无法控制 漫长——消耗几代的繁衍过程 残酷——数以万计的淘汰者 被动——无意识下的自然特征
现有结构方案的问题：
因此：
法国650MN模锻液压 机最终舍去了水平机 架 二重的800MN模锻液 压机也放弃了水平机 架
提出“冲突”
多向模锻液压机结构设计的主要矛盾 （冲突）：结构的独立与力学的独立
结构不干涉，但应力叠加，力学上不独立
力学上独立，但结构需避让，相互干涉
解决方法
采用正交预紧的整体机架结构 整体结构——可避免垂直承载 结构与水平承载结构相互干涉 正交预紧——平衡机架承受垂 直和水平载荷的联合作用，提 高机架承受正交叠加载荷的能 力 但预紧结构不能有贯穿机架的 部件，以免造成新的干涉。
如何“抓住”？
动脑筋、勤思考 矛盾分析法 实验法 影响因素排除法
冲突的精确化
数学模型 实验
多向模锻液压机的研制
可一火一次锻造成形带内孔的零件，节省材料50%，节 省加工工时70% 是一种集模锻和挤压特点的优良锻造工艺，锻件性能比 普通锻造的提高20％，疲劳性能大大提高 多向模锻技术是一种高效、节能、优良的锻造技术
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10月14日方案评审会
正交预紧机架方案得到专家一致好评，认为是 “创造性的、先进的”多向模锻机架结构形式。 燕山大学的聂绍珉教授和孙惠学教授认为该方案 “巧”，把预应力钢丝缠绕技术“用在了该用的 地方”，解决了困扰重型多向模锻技术的重大问 题。
用“冲突”来提炼技术水平
研究工作的价值，体现在解决了重要的技 术难点（冲突），或揭示了重要的影响因 素和关系上。 科技论文要求的“新发现、新方法、新应 用”都可以通过对重要“冲突”的确定、 分析、计算以及创造性地解决来提炼。
第5级（Level 5）
罕见的科学原理导致新系统的发明。 例如：蒸汽机，计算机，半导体，汽 车，飞机，克隆技术，组织工程。
解决方案的级别
越高级别的解决方案，意味着对技术 冲突越彻底的解决。 “举一反三”——将针对具体问题的 思考，扩大到一类问题的思考。
总结：
需求引导——发现问题、了解问题 “漏斗”模型——启发思维、集思广益 抓冲突——分析问题、加强创新 高起点——提高科研和技术水平
，第三版，高等教育出版社，2005
内部搜索的技巧：
欢迎看起来不可行的想法
看起来不可行的想法是非常有价值的， 应当鼓励的提出这样的想法。 最初不可行的想法，经常能够被其他成 员进行改进，“纠正”或者“修复”。 一个想法越不可行，它延伸到解决方案 的边界就越近，也越能鼓励团队思考可 能的极限。
仅水平载荷作用 最大应力：504MPa
垂直水平载荷联合作用 最大应力：1014MPa
现有的结构设计
垂直载荷和水平载荷分别 由两个互不干涉的机架承 受
现有结构方案的问题：
水平机架要么包围垂直机架，结构庞大； 要么穿过垂直机架，削弱垂直机架的强度， 而且水平机架往往处于偏心受力状态，
设计与自然选择
设计的特点
主动性——人类的能动性与智力 目的性——为解决问题、满足需求 继承、加速——知识积累、多学科交叉 效率高——时间短、消耗少 优胜劣汰——经受实践的检验 阶段性——受到认知水平、技术条件的限制 有限方案——备选方案数量少
启示：
“发明”活动是人类有意识的（主动、 智力的）适应性创造活动。 相对大自然，人类发明最大的瓶颈是
内部探索的技巧：
推迟决定：
小组会上概念产生时不允许对任何概念 提出批评。如果发觉概念中的缺点， 可将批评意见以改进建议的方式提出。
产生大量的想法
鼓励分享其想法，每个人的想法都有
价值，并可刺激其它想法的产生。大量 的想法具有刺激更多想法的可能。
(美) Karl T. Ulrich，Steven D. Eppinger著，詹涵菁译，产品设计与开发
反面意见的价值：
但“缸动”式结构的受力不合理，最大吨 位只有40MN 结合钢丝缠绕技术，提出了“台”式结构
wk.baidu.com
解决技术问题的思维要点：
需求引导 “漏斗”模型 抓冲突 高起点
抓冲突
发明（或技术突破）的核心是解决技
术难点，即解决冲突。
未克服冲突的解决方案不算创新。 要创新、想突破，就要发现、提炼、 “抓住”冲突。
需求引导 “漏斗”模型 抓冲突 高起点
解决技术问题的思维要点：
需求引导 “漏斗”模型 抓冲突 高起点
需求导引
例子：
重型模锻及挤压机的项目：
800MN模锻液压机的产品需求中隐含着的机遇
需求导引
需求引领项目、研究、开发方向 另外，需求导引在研究过程中还意味 着了解真正要研究的目的 越明确、越有效的需求，有可能蕴涵 着越有价值的创造
外部
外部途径的目标是寻找已经有的解决方 案。是一个信息收集过程。 方法：
访谈有经验的用户 咨询专家 查询专利 搜寻文献 相关产品：
(美) Karl T. Ulrich，Steven D. Eppinger著，詹涵菁译，产品设计与开发
，第三版，高等教育出版社，2005
内部
第3级（Level 3）
对已有的系统进行根本性的改进，设 计中要解决冲突。 例如：鼠标，圆珠笔，自行车链条， 汽车的ABS，低温沉积成形工艺，血 管支架成形工艺，正交预紧机架，数 字油压缸技术等。
第4级（Level 4）
采用全新的原理完成已有系统的基本 功能，解的发现是从科学的角度，而 不只是从工程的角度出发。 例如：内燃机，集成电路，个人计算 机，数控机床，预应力技术，快速原 型技术，细胞堆积等。
(美) Karl T. Ulrich，Steven D. Eppinger著，詹涵菁译，产品设计与开发
，第三版，高等教育出版社，2005
内部搜索的技巧：
扮演反面角色
正反两方面的建议更有利于完善设计方案。
反面意见要说明理由，以便提供改进和启发 性的观点。 认真对待不同意见，暂时解决不了的意见可 能蕴含则技术突破。