第9章效應知識庫創新設計研究所主要內容效應效應應用范例效應知識庫及應用過程案例分析9-1效應1.效應效應是發明問題解決理論(Theoryofinventiveproblemsolving,TRIZ)中一種基于知識的工具。產品功能是輸入到輸出能量、物料和信息的轉換，本質上是描述這些能量、物料和信息的屬性的變化。這些屬性的變化可以用科學效應描述。科學效應一般可用科學定律或定理描述，應用效應，可以利用本領域特別是其它領域的有關定律解決設計中的問題。按照效應所包含的信息，效應可分為物理效應、化學效應、生物效應、幾何效應。效應輸入量輸出量摩擦效應T1T2功能：傳遞扭矩圖9.1效應示意圖及摩擦效應9-1效應1.效應效應是對系統輸入/輸出間轉換過程的描述，該過程由科學原理和系統屬性支配，并伴有現象發生。每一個效應都有輸入和輸出，因此效應模型有輸入和輸出兩個接口（兩極），如圖9.2（a）所示。效應還可以通過輔助量來控制或調整其輸出，可控制的效應模型擴展為三個接口（三極），如圖9.2（b）所示。圖9.2效應模型效應效應(a)兩極效應模型(b)三極效應模型效應輸入流控制流Flow輸出流9-1效應1.效應一個效應可以有多個輸入流、輸出流或控制流，例如庫侖效應中帶電體所帶電量(Q1,Q2)為兩個輸入流，庫侖力(F)為輸出流，相對介電常數(εr)和帶電體間距離(r)為控制流，如圖9.3所示。效應可以用具有多個輸入流、輸出流或控制流的多極效應模型表示，如圖9.4所示。圖9.3庫倫效應模型圖9.4具有多流的多極效應模型9-1效應2.效應模式基于多流多極效應模型構建效應鏈的基本組成方式稱為效應模式，效應模式有以下幾種：圖9.5串聯效應模式圖9.6并聯效應模式（1）串聯效應模式：預期的輸入/輸出轉換由按順序相繼發生的多個效應共同實現，如圖9.5所示。（2）并聯效應模式：預期的輸入/輸出轉換由同時發生的多個效應共同實現，如圖9.6所示。§9-1效應2.效應模式圖9.7環形效應模式圖9.8控制效應模式（3）環形效應模式：預期的輸入/輸出轉換由多個效應共同實現，后一效應的輸出流通過一定的方式返回到前一效應的輸入端，如圖9.7所示。（4）控制效應模式：預期的輸入/輸出轉換由多個效應共同實現，其中一個或多個效應的輸出流由其他效應的輸出流控制，如圖9.8所示。9-2效應應用范例效應1：麥比烏斯圈圖9.9麥比烏斯圈拿一條紙，它有兩個面，把它的兩頭粘上就可以做成一個環，兩個面保持下來，一個內表面，一個外表面。如果將紙條的一端扭轉180°然后再將兩端粘起來，會出現什么情況？如圖9.9所示，只有一個持續的面。這種扭轉的條粘成的環稱為“麥比烏斯圈”，是以首次描述了此圈奇妙特性的德國數學家的名字命名的。§9-2效應應用范例效應1：麥比烏斯圈圖9.10麥比烏斯圈研磨帶工程應用：工程上應用的研磨帶，是在環形帶的外表面涂上研磨材料，當研磨層磨完了就要更換研磨帶。怎樣才能既不增加皮帶長度又能使它的工作壽命延長呢?

運用麥比烏斯圈特性可以解決這個問題，如圖9.10所示。皮帶圈的長短和通常的沒有兩樣，但由于它的工作面增加一倍，所以它的壽命也增加了一倍。

麥比烏斯圈還可用于過濾器、錄音機等創新設計中，目前利用麥比烏斯圈申請的專利有100多項。9-2效應應用范例效應2：超塑性（力學、熱物理學）圖9.11超塑性效應金屬合金具有多晶結構。晶粒結構不是理想的，而存在變位。變位處的原子間引力比有序處的力弱。溫度升高使組成晶格原子的振動能量增加并導致結構缺陷的增加。當溫度為熔點溫度一半時，具有細粒結構合金的變位數目增加。如果在晶粒間的邊界有足夠多的變位，只需要很小的機械力就能引起晶粒間的滑動，如圖9.11所示，在宏觀上表現為變形，這種效應稱為超塑性。§9-2效應應用范例圖9.12超塑性效應在中空元件成形中的應用工程應用：利用超塑性制成中空元件。航空航天工業中采用質量輕的管狀鋁鈦合金鋼生產出結構復雜的中空部件，這需要管狀合金鋼同時在不同的方向受到氣體壓力使其發生形變。然而，普通熱模成型達不到這個壓力值。可以將管狀合金鋼放進壓力和溫度適當的加熱器或爐中，利用合金的超塑性制成中空元件，如圖9.12所示。效應2：超塑性（力學、熱物理學）9-2效應應用范例效應3：離子束濺射（電學、微電子學）圖9.13離子束噴射表面原子用離子束轟擊表面，入射離子的能量將轉移到目標材料的原子上。能量轉移通常導致表面原子的噴射，這使得表面被侵蝕或濺蝕，如圖9.13所示。為了防止離子與氣體原子相撞，需要將系統放在真空中。§9-2效應應用范例圖9.14利用離子束濺射制成電子發射器工程應用：電子發射裝置。傳統的電子發射器利用熱陰極，這種方法能量損失大。利用冷陰極制成的電子發射器能夠解決能量損失的問題，但是設備的制造過程復雜，成本高，產量很低。為了生產電子發射器，可以利用離子濺射生成洞形發射器的方法，如圖9.14所示。底層之上有一絕緣層。利用熱酸有選擇的蝕刻絕緣層。絕緣層上被嵌入的地方為水滴形狀的洞。這些洞足夠深，能夠接觸到傳導層。通過離子束濺射，鎢（或其它電極材料）被沉積到洞里。門電極和錐形發射器同時形成。水滴形狀的洞的底部決定發射器的形狀。效應3：離子束濺射（電學、微電子學）9-2效應應用范例效應4：處于液體中的物體重量減少（力學、流體力學、幾何學）圖9.15將物體置于液體中會使物體的重量減少將物體置于液體中浮力會使物體的重量減少，如圖9.15所示。當物體浸入液體且液體密度和物體密度一致時，會發生物體失重效應。這種失重效應作為整體系統而不是作為內部結構顯示出來。例如，靜止在水中的人的內部器官會有失重的感覺。然而，在物體變形中并沒有發生由真正的完全失重所引起的變化。9-2效應應用范例圖9.16置物體于液體中減小該物體的加速度工程應用：浮力裝置。空中交通工具產生高加速度，使飛行員和宇航員承受很高的機械超載。加速度不是均勻的傳送到身體的各個部分，因此擾亂了循環系統的正常機能。為了保護物體免受加速度方向的超載，使用了充氣裝置。然而，這種裝置需要復雜的閥門系統和傳感器系統。這是因為裝置中的氣囊必須被快速控制以補償加速度。為了補償在具有很大加速的物體表面增加的壓力，建議將物體浸入液體介質中，如圖9.16所示。物體浸入恰當密度的液體媒介中會發生失重。如果物體密度均勻，它和液體介質作為整體獲得加速度。人體能被認為是近似均勻的。效應4：處于液體中的物體重量減少（力學、流體力學、幾何學）9-3效應知識庫及應用過程1.效應知識庫效應是TRIZ中最容易使用的工具之一，而要實現這一點必須開發出一個大型的效應知識庫。按照功能對現有效應和實例進行分類，建立效應知識庫，通過關聯模式和控制模式對需求功能進行改進，產生新概念，使存在的問題得以解決。按照效應所實現的功能，將效應知識庫中的效應和實例，與功能結構樹中的基本子功能對應起來，以確定效應在知識庫中的位置。因此，依據需求功能，設計者能快速準確地從效應知識庫中找出所需要的效應。9-3效應知識庫及應用過程1.效應知識庫在解決問題過程中，經常會出現下述情況：需求功能已經確定，用以實現功能的效應也已經找到，但仍然不能解決問題，原因在于設計者不知道如何將這些效應應用到實際問題中去。因此，效應知識庫中除了效應以外，還應添加大量的工程實例，以提示設計者如何應用效應解決實際問題。另外，每個人的知識是有限的，不可能對各個領域的知識都有深入的了解。為了有效的應用效應知識庫和實例來解決問題，每一條效應和實例都應包含必要的說明、應用條件、公式、應用范圍等信息。由于不同效應和實例存在于不同的技術領域，使用不同的技術術語，為使其更具有普遍性以解決其它領域的問題，對每一條效應或實例都需要抽象出其本質，忽略與特定領域相關的描述。9-3效應知識庫及應用過程2.應用效應知識庫求解功能的一般過程在進行設計時，設計人員首先要發現和確定問題，然后進行系統分析，功能分析，進而確定需求功能，建立功能結構，進而按照需求功能從效應知識庫中查找恰當的效應和實例，利用關聯和控制方式對現有功能進行改進，確定出問題的原理解，并對該原理解進行檢驗，如果原理解不能滿足需求功能則應該重新對問題進行分析或選擇其他效應。圖9.17應用效應解決問題的一般過程9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計1.問題背景根據實際生產運行情況，TRT液壓系統及快速切斷閥存在著如下一些問題：高爐煤氣含塵量較高，插板閥在啟閉過程中液壓系統與煤氣直接接觸，使整個液壓系統的油質清潔度難以滿足要求。液壓系統的儀表在使用過程中存在一些問題，如壓力控制開關和壓差發訊器的工作可靠性較差，伺服閥和伺服放大器的質量和性能不穩定。因操作環境較為惡劣，不經常動作的快速切斷閥長期工作的可靠性較低。在快速切斷閥緊急關閉的最后階段，由于動力彈簧的彈力隨形變的減小而減小，而液壓系統不能提供與彈力同向的作用力，因此會出現動力不足，閥門無法完全關閉的情況。TRT系統正常工作時，快速切斷閥處于打開狀態，液壓系統需要長時間持續工作，消耗大量電能。9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計1.問題背景圖4.27已從系統功能的角度描述TRT系統中快速切斷閥存在的問題：有害作用：電機和液控箱消耗大量電能，灰塵污染液壓油，濾油器和管路阻礙液壓油流動；不足作用：動力彈簧驅動活塞的動力不足。圖4.27快速切斷閥功能模型圖根據功能分析決定去掉液壓驅動系統，采用新的驅動裝置。要求新的驅動裝置能實現慢開、慢關、快關和游動動作，并能產生與彈簧彈力同向的作用力保證閥門完全閉合。9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計2.確定效應鏈應用InventionTool3.0軟件，瀏覽效應知識庫中的“移動固體物質”功能，可以快速確定與問題相關的效應，如表9.1所示，用光、電、磁、液、熱、氣、聲、化等效應都可以實現某些驅動功能。阿基米德原理熱膨脹慣性氣能積累彈簧形變電流變效應馬格努斯效應磁流變效應電致伸縮磁致伸縮溶解磁場電場反壓電效應帕斯卡定律牛頓第二定律安培定則受迫振動化學能磁場力效應表9.1效應知識庫中的相關效應舉例9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計2.確定效應鏈磁場力效應：鐵磁性材料在磁場中要受到磁場力作用，沿受力方向運動。螺線管磁場效應：線圈由導線纏繞而成。當電流通過螺線管時，在其內部會產生磁場。如果螺線管的長度遠大于其直徑，則螺線管內的磁場線平行于它的軸線，產生勻強磁場。螺線管的長度決定磁場強度效應：導線中的電子運動產生電流。螺線管內的磁場是這些電子產生的磁場之和。增加螺線管的長度可以增加線圈中運動電子的數目，從而增加螺線管內部磁場的強度。歐姆效應：在導體的兩端加一直流電壓，在導體的內部會產生直流電流。改變電壓或電阻可改變電流強度。9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計2.確定效應鏈為使驅動系統結構簡單，操作方便，降低成本，可選用磁場力效應，使鐵芯在磁場力的作用下產生運動。但只選用磁場力效應無法滿足需求功能，還需要螺線管磁場效應、歐姆效應和螺線管長度決定磁場強度效應其結合成為效應鏈，對磁場力效應的輸入量和控制參數進行控制。這些效應按照效應鏈模式結合成為效應鏈，如圖9.18所示。圖9.18驅動系統效應鏈9-4案例分析：快速切斷閥的改進設計3.確定驅動系統原理