物质-场模型分析

江西科技学院物质-场模型分析江西科技学院5.1物质-场模型物质－场模型是TRIZ法重要分析工具，是用来分析与现存技术有关的模型类问题（ModelingProblems）。所有技术系统的作用是实现某种功能，所有的系统都可分解为由两个物质(S1,S2)和一个场(F)三个基本元件组成。如图所示，其中物质S1是系统动作的接受者,场F通过物质S2作用于物质S1并改变S1。2FS2S1江西科技学院5.1物质-场模型物质S1和S2：二者定义取决于每一个具体的应用，它们可以是整个系统、子系统或单个物体，可以是材料、工具、零件、人或环境等任何东西。场：为系统提供能量，促使系统发生反应，从而可以实现某种效应。这种效应可以作用于S2上，或作用在场信息的输出物上。物质-场模型简称物场模型，相应的分析称为物场分析。物场模型的三定律：1.所有的系统都可以分解为三个基本要素（S1、S2、F）；2.一个完整的系统必定由这三个基本要素组成；3.将相互作用的三个基本要素进行有机组合将形成一个功能。3江西科技学院5.2物质-场模型分析模式1．有效完整系统模式。组成系统模型的三元件都存在，且都有效，能实现设计者所追求的效应。2．不完全系统模式。组成系统模型的三元件（两个物质，一个场）中部分元件不存在，需要增加系统元件来实现有效完整的系统功能。3．非有效完整系统模式。模型中的三元件都存在，但设计者所追求的效应未能完全实现，如产生的力不够大，温度不够高等。为了实现预期的效应，需要对原有系统进行改进。4．有害完整系统模式。模型三元件都存在，但产生的是与设计者所追求的相冲突的有害效应。在创新设计过程中，要消除系统这种有害的效应。4江西科技学院5.3物质-场模型的描述为了方便世界范围内交流以及让分析的过程更加形象化。人们在科学研究的实践中形成了统一的物质-场模型的描述方法。具体符号如下：描述物场模型的符号5江西科技学院物质-场模型的描述——完整的系统如上页图，场F作用于S2上，使S2对S1产生影响，从而改变S1，达到预期效果。例：磁铁通过磁场吸引铁。将其用物场模型描述就是：F为磁场，S1为铁片，S2为磁铁。即F磁场作用于S2磁铁上，使S2磁铁对S1铁片产生影响，改变其所处位置状态。6F磁场S2磁铁S1铁片江西科技学院物质-场模型的描述——产生有害作用的系统描述如右图，场F作用于S2上，使S2对S1产生有害作用影响。例：车辆噪声扰民将其用物场模型描述就是：F为振动场，S1为居民，S2为空气。即F振动场的能量作用于S2空气。振动场的能量作用在空气上形成驻波，产生噪声，噪声作用于S1居民身上，对其正常生活形成了干扰。7F振动场S2空气S1居民江西科技学院物质-场模型的描述——对于不足的作用和效益。描述如右图，场F作用于S2上，使S2对S1产生影响，从而改变S1。但场F的作用效果不足，因此使S2对S1作用的效果也不足。例：冬季供暖不足，人们觉得寒冷。其用物场描述就是：F为暖气系统产生的热场，S1为人，S2为室内的空气。即热场作用于S2室内的空气，空气受到激活，作用于S1人身上。但由于F热场产生的能量不足，作用不足，对S2空气的激发作用不够，从而导致S2对S1作用不足，取暖效益不明显，对S1产生的影响未能达到预计效果。8F热场（暖气系统）S2空气S1人江西科技学院5.4物质-场模型工作流程构造物质－场模型通常遵循下图所示的工作流程,即1．识别元件，定义模型中的三个要素，2．构建模型，3．从76个标准解中选择合适的解作为解决方案，4．进一步发展解，以达到系统的有效和完善，5．实现具体解，6．探求另外可行解。9江西科技学院5.5物质-场组建的规则（一）第一种情况：非物质-场系统（只包含一个组件）或者非完整物质-场系统（包含两个组件）应该建立完整物质-场。10例：抛锚的汽车停在马路上，前来的拖拽车要利用机械力将其拖走。图中物场模型中S1为抛锚的汽车，S3为拖拽车，F为机械场。由于S3不直接接触S1，不能将场的作用充分传递给S1，此物场模型不能使全系统运转起来。江西科技学院5.5物质-场组建的规则（一）针对两个要素不能直接接触的问题，可以加入钢索将两车栓到一起，形成机械场的传递，增强其可控性，从而达到让系统运转的目的。其中S2代表添加的钢索。S2为直接对S1产生作用的要素，它对S1产生作用的来源为F和S3对其的作用，S2和S3同时受F机械场的作用。11S3S1FS2S2S1FS3江西科技学院5.5物质-场组建的规则（二）第二种情况：把易控的、具有所需特性的补充物引入到系统，形成复合物场。补充物可以引入到：（1）物质内部，形成内部复合物场；（2）物质外部，形成外部复合物场。例：下雪天汽车行驶在马路上，由于路面雪的覆盖导致摩擦系数降低，汽车轮子打滑。此时汽车轮胎已经既定，马路情况也不易改变。则可以在车轮上加设铁链，利用铁链与地面的作用增大前进阻力，使车轮打滑状况大大减少。12江西科技学院5.5物质-场组建的规则（二）下图S1表示汽车行驶的路面，S2表示汽车轮胎，F1为发动机施加在轮子S2上的力场。由于雪的覆盖使摩擦系数降低，S2对S1的作用不大，产生效应不足，用虚线表示。S3为车轮上加设的铁链。下图表示出，由于S3的加入，系统作用充足，从而构成有效完整的系统。13S2S1F1S3S2S1F1S3江西科技学院5.5物质-场组建的规则（三）第三种情况：如果不允许将其他物质引入系统，那么可通过引入外部环境中现有的物质，同时在外部环境中形成物场来解决问题。例：现代社会中的白领女性工作常年与计算机打交道，深受电磁辐射的危害。特别是其怀孕时期，长期的电磁辐射无疑会对将来的宝宝的健康造成影响。14S3防辐射服F能量场（电流）S2电脑S1人S2电脑S1人F能量场（电流）S3防辐射服江西科技学院5.5物质-场组建的规则（三）为了降低伤害，可以引入外部物质，如人们常使用的防辐射服装，通过引入的物质，在系统外部形成物场，经过外部物场的作用，对原来的场起到降低甚至屏蔽的效果。上页图中F能量场（电流形成的能量场）作用于S2电脑使其激发，S2激活散发出电磁波作用于要素S1人身上。由于电磁波对人体健康会产生不利影响，因此形成了有害作用系统。通过引入外部环境中现有的物质S3即防辐射服装，形成了右图所示的系统。防辐射服代替S1人与F电磁场、S2电脑组成系统，接受S2对其的影响。从而使人从此有害系统中脱离。15江西科技学院5.5物质-场组建的规则（四）如果只需要最小的作用状态，但现有条件无法满足，则采用大的作用状态，再把多余的部分带走。例：制作精细陶瓷的时候，常常先做出一个略大于目标产物的毛坯，再通过精细加工得到目标产物。增加的精细加工程序，保证了产品的精密性。毛坯体积的富裕给后期加工提供了空间。16江西科技学院5.5物质-场组建的规则（四）其中F代表机械场，F1为初加工的机械场，F2为精细加工的机械场。S2为用来进行粗加工的机器，S4为用来精细加工的机器。S1+S2为初加工后的毛坯。S1为最终产品，S3为毛坯上多余的材料。初加工时F1作用于S2上，使S2对S1+S3进行作用，得到初级产品。精细加工时，在F2的作用下S4将S3从S1+S3上面去除，从而留下目标产品S1。17S2S1+S3F1S4S1F2S3江西科技学院5.5物质-场组建的规则（五）如果需要得到对某种物质的最大作用状态，而条件不允许，那么可以把此作用状态作用于与之有关联的另一个物质。例：汽车发动机失灵，无法将汽油的化学能转化为前进的动能，则可以将此汽油放入拖拽机发动机内，使拖拽机运动，拉着汽车前进。18S2S1FS3S1F江西科技学院5.5物质-场组建的规则（五）上页图中F表示汽油的化学能转化成的机械能，S2为汽车的发动机，S1为汽车的运动系统。当汽车发动机失灵的时候，汽油的化学能无法正常的转化为汽车运行所需的机械能，因此系统为一个作用效应不足的系统。用虚线表示其元件之间的链接关系。当变化其作用关联物，即将汽油放入拖拽机发动机内，物场模型变为如上页图所示。汽油的化学能在拖拽机发动机内转化为机械能，由拖拽机的运动带动汽车车轮运转，从而产生有效完整的新系统。19江西科技学院5.5物质-场组建的规则（六）如果需要得到有选择的最大作用状态（只需要在特定区域发生最大作用，其他区域保持最小作用状态），那么作用场的选择可以是最大或者最小：如果场的作用是最大，那么需要集中其作用区域，并且对其他非作用的区域引入防护物质。例：X射线衍射仪，将X射线集中在一条X通路上，其他地方用铅玻璃等进行隔离保护。如果选择的场是最小场，则在需要最大作用的地方引入物质，用于生成局部的强化场。20江西科技学院5.6物质-场模型功能分析法的应用采用物质–场模型功能分析法应用于产品创新设计过程如下：步骤1:定义系统的总功能；步骤2:进行功能分解,并确定基本功能和核心功能；功能分解为解决问题基础。由于系统的复杂性,只有将总功能分解为易于实现的基本功能,产品设计才能真正成功。总功能可分解为分功能、子功能,直到分解到基本功能为止。即从根到枝再到叶的分解过程，见下图。21总功能分功能1分功能3分功能2子功能11……子功能22基本功能111基本功能112……江西科技学院5.6物质-场模型功能分析法的应用步骤3:建立系统的功能模型；根据功能分解的结果,建立各基本功能的物质–场模型,并有机结合建立系统整体的功能模型。步骤4:确定待改进功能模型；按物质–场分析方法,TRIZ中将功能分为四类:(1)有效完整功能(2)不完整功能(3)非有效完整功能(4)有害功能。根据功能类别，分析系统的功能模型,确定各基本功能模型的类型,发现待改进的功能模型。22江西科技学院步骤5:标准解分析Altshuller等提出了76种标准解，见书中附录B，并分为如下五类：（1）不改变或仅少量改变已有系统：13种标准解；（2）改变已有系统：23种标准解；（3）系统传递：6种标准解；（4）检查与测量：17种标准解；（5）简化与改善策略：17种标准解。根据每一种基本功能的“物质–场”模型来寻找相适应的标准解。步骤6:提出新的设计概念；根据实际工程结构,将解决问题的标准解转化为特定的解领域。步骤7:解的评价。对解领域进行评估,如有多个可行的解领域,根据进化的模式选取综合最优的方案。23江西科技学院5.7实例（一）：旧自行车车况改善自行车成为了绿色环保、健康的运动，故维修自行车，让之变得更加轻便就成为系统提出的问题。下面将用物质－场模型分析方法来解决这个问题。1．定义系统的总功能；此系统的总功能就是整体自行车系统2．进行功能分解,并确定主要功能；按照其功能的不同，整体自行车系统可以分为驱动系统、传动系统、执行系统和控制系统。其中执行系统是其主要功能，并且自行车的轻便与否也绝大部分取决于它。3．建立系统的功能模型;由于执行系统起主要作用，功能复杂，限于篇幅，这里只讨论执行系统的改善。24江西科技学院5.7实例（一）：旧自行车车况改善（1）识别元件车轮为S1，转轴为S2，车链传动来的机械能为F。（2）构造模型根据本问题所给出的三元件构造如图所示的物质-场模型。对系统的完整性、有效性进行评价。系统元件不缺少，但是每个元件的运行效率没有达到最佳。（3）考虑解决方案,从标准解中选择一个合适的解在附录B中所示的76种标准解中，发现第五类标准解中有引入物质的解。因此在传动装置和车轮与转轴直接都添加润滑油，减少其摩擦损耗，从而达到提高自行车轻便度的目标，其物场转化模型图见下图。25S2S1FS3S1FS2S3江西科技学院5.7实例（一）：旧自行车车况改善其中车轮为S1，转轴为S2，车链传动来的机械能为F，润滑剂为S3。系统原为效应不足的系统，经过润滑剂的添加，使场的作用更好的进行传导，从而使效应增强，得到有效完整的系统。标准解中的第三类标准解介绍的传递到双系统和多系统的解也可以运用