物-场模型分析

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物—场模型分析是TRIZ理论中的一种重要的问题描

述和分析工具，用以建立与已存在的系统或新技术系统

问题相联系的功能模型，在问题的解决过程中，可以根

据物—场模型所描述的问题，来查找相对应的一般解法

和标准解法。

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6.1 物—场分析

每个系统的出现都是为了实现某个确定的功能。产品是

功能的实现。

所谓功能，是指系统的输出与系统的输人之间正常的、

期望存在的关系。产品设计中，经常使用到传递函数：

y = F (x1，x2，x3，…，x n)

式中y —输出;

x1，x2，x3，…，x n—输入。

输出与输入之间的函数关系F 就是功能。

系统的功能可以是一个比较大的总的功能，也可以是分

解到子系统的功能，也可以一直分解下去，直达底层的功能

为止。底层的功能结构上比较简单，容易进行理解和表达。

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阿奇舒勒通过对功能的研究，发现并总结出以下3条定律:

l) 所有的功能都可以分解为3个基本元素(S1，S2，F);

2)一个存在的功能必定由这3个基本元素组成;

3)将相互作用的3个基本元素进行有机组合将形成一个功能。

为方便表示，功能用一个三角形来进行模型化，三角形的下边2个角是3个物体(或称为物质)，上角是作用或效应(或称为场)。物体可以是工件或工具，场是能量形式。通常，任何一个完整的系统功能，都可以用一个完整的物—场三角形进行模型化，称为物—场分析模型。见图7-l。如果是一个复杂的系统，可以用多个物—场三角形来进行模型化。

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F

S 1S 2

图6-1 物——场分析模型

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参与相互作用的物体S 1和S 2可以是：

1) 材料;

2) 工具;3) 零件;

4) 人;

5) 环境。F

S 1S 2

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一般地，S 1表示工件，S 2表示工具。

物体之间的效应(或称为场) F 可以是:

1) Me ——机械能;

2) T h ——热能;3) Ch ——化学能;

4) E ——电能;

5) M ——磁能。F

S 1S 2

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将这些场类别组合起来，就形成一个词:MeThChEM，以方便对能量形式的记忆。

Me—Th—Ch—E—M与技术系统的进化趋势是一致

的，可以根据系统所采用的能量形式，来判断技术系统所处的进化阶段和未来可能的进化方向。

下面举例来熟悉一下物—场分析。

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例6-1 吸尘器清洁地毯S 1 ——地毯(工件)S 2 ——吸尘器(工具)F ——清洁(机械场) 例6-2

人用油漆刷墙S 1 ——墙(工件)

S 2 ——人(工具)

F ——刷油漆(机械场)

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6.2 物—场模型的类型

物—场模型有助于使问题聚焦于关键子系统上并确定问题所在的特别“模型组”，事实上，任何物—场模型中的异常表现(见表6-1)，都来自于这些模型组中所存在的问题上。

期望的效应没有产生过热火炉的炉瓦没有进行冷却

有害效应产生过热火炉的炉瓦变得过热

期望的效应不足或无效对炉瓦的冷却低效，因此，加强冷却是可能的

异常情况举例

表6-1 常见的物-场异常情况

为建立针对以上3种异常情况的图形化模型描述，要用到系列表达效应的几何符号，常见的效应图形表示符号

见表6-2所示。

表6-2

11 TRIZ理论中，根据以上各种情况，总结出常见的物—场模型的类型有4类:

1) 有效完整模型。

功能的3个元素都存在，且都有效，是设计者追求的效应。

2) 不完整模型。

组成功能的元素不全，可能缺少场，也有可能是缺少物质。

3)效应不足的完整模型。

3个元素齐全，但设计者所追求的效应未能有效实现，或效应实现的不足够。

4)有害效应的完整模型。

3个元素齐全，但产生了与设计者所追求的效应相左的、有害的效应，需要消除这些有害效应。

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TRIZ中，重点关注的是3种非正常模型:不完整模型、效应不足的完整模型、有害效应的完整模型，并

提出了物—场模型的一般解法和76个标准解法。本章

将介绍物—场模型的一般解法。第8章将专门介绍物—

场模型的76个标准解法。

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6.3 物—场分析的一般解法

针对物—场模型的类型，，TRIZ提出了对应的

一般解法。物—场分析的一般解法共6个，下面逐一

进行阐述。

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6.3.1 不完整模型

一般解法1:

1)补齐所缺失的元素，增加场F或工具S2，完整模型(见

图6-2)。

图6-2

2)系统地研究各种能量场，机械能—热能—化学能—电能—磁能。

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例6-3

气泡的分离

液体(S1)中存在着气泡(S2)。使用离心机(增加机械场F)

将气泡从液体中分解出来。

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6.3.2 有害效应的完整模型

有害效应的完整模型，元素齐全，但S1和S2之间的相互作用的结果是有害的或不希望得到的，因此，场F是有害的。

一般解法2：加入第3种物质S3，S3用来阻止有害作用。S3可以是通过S l或S2改变而来，或者是S1/S2共同改变而来，见图6-3所示。

图6-3

17例6-4

办公室的玻璃

将窗户玻璃进行磨砂处理，变成半透明的，以保护办公室的隐私。一般解法3：

l) 增加另外一个场F2来抵消原来有害场F的效应。见图6-4所示。

图6-4

2)系统地研究各种能量场，机械能—热能—化学能—电能—磁能。

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例6-5

细长工件的切削加工

为防止零件在加工中产生偏歪，增加一个反向作

用力（如使用跟刀架）。

19 6.3.3 效应不足的完整模型

效应不足的模型是构成物—场模型的元素是完整的，但有用的场F效应不足，比如太弱、太慢等。

一般解法4：

用另一个场F2(或者F2和S3一起)代替原来的场F1(或者F1及S2)。见图6-5 所示。

图6-5

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例6-6

墙纸的去除

利用水蒸气来代替机械力，以去除墙上的墙纸，效率

和效果提升许多。一般解法5：

1) 增加另外一个场F2来强化有用的效应。见图6-6所示。

图6-6

2)系统地研究各种能量场，机械能—热能—化学能—电能—磁能。

21例6-7物体的粘贴

在粘贴2个物体过程中，当胶水还没有完全凝固之前，先用夹子夹紧让粘贴面紧密结合，这夹子的夹紧力就是外加的场F2。

一般解法6：

l)插进一个物质S3并加上另一个场F2来提高有用效应。见图6-7所示。

图6-7

2)系统地研究各种能量场，机械能—热能—化学能—电能—磁能。

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例6-8

电过滤网

过滤网加装一个电场，将细小的粒子聚集成大颗粒子，其过滤效率得到大幅提升。

23 6.4 物—场模型分析的应用

物—场分析时，物—场模型的6个一般解法，如果能

够结合在一起应用，可以更有效地解决问题。建议使用以

下步骤进行。

1) 确定相关的元素。首先根据问题所存在的区域和问

题的表现，确定造成问题的相关元素，以缩小问题分析的范围。

2) 联系问题情形，确定并完成物—场模型的绘制。根

据问题情形，表述相关元素间的作用，确定作用的程度，

绘制出问题所在的物—场模型，模型反映出的问题与实际

问题应该是一致的。

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3) 选择物—场模型的一般解法。按照物—场模型所

表现出的问题，查找此类物—场模型的一般解法，如果

有多个，则逐个进行对照，寻找最佳解法。

4) 开发设计概念。将一般解法与实际问题相对照，

并考虑各种限制条件下的实现方式，在设计中加以应

用，从而形成产品的解决方案。

本章所介绍的6个一般解法，只是物—场分析的一

个初步应用，而更全面的解法请进入76个标准解法。

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例6-9

纯铜板的清洗

问题描述:在纯铜电解生产过程中，少量的电解液会

残留在铜板表面的微孔中，在铜板存储过程中，这些残

留的电解液会挥发出来而形成氧化斑点，从而影响铜板

表面质量并降低其价值。为避免这种损失，在存储之前

先清洗铜板，以去除铜板表面微孔中的残留电解液。但是，由于微孔非常小，微孔中的电解液很难能够得到彻

底清洗。该如何改进纯铜的清洗呢？

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按照以上步骤来求解问题。

第1步：确定相关的元素

根据原来的水洗工艺，确定相关的元素为：

S1—电解液。

S2—水。

F —机械冲击力(清洗)。

第2步：联系问题情形，确定并完成物—场模型的绘制

本问题属于第3类模型，是效应不足的完整模型。对应

模型如图6-8所示。

图6-8

27第3步：选择物—场模型的一般解法

第3类模型：效应不足的完整模型，有3个一般解法：4，5，6。本问题选择的一般解法是5和6。

第4步:开发设计概念

(l) 应用一般解法5。增加另外一个场F2来强化有用效应。见图6-9所示。通过系统地研究各种能量场来选择可用的场形式。

图6-9

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F2 ——机械冲击力，使用超声波清洗;

F2 ——热冲击力，用热水清洗;

F2 ——化学冲击力，使用表面活性剂溶解来加强

残留电解液的移动;

F2 ——磁冲击力，将水磁化以加强清洗。

以上各种能量形式，对改善清洗效果都是有效

的，但效果似乎没有达到IFR，TRIZ要求对问题彻底

解决，追求获得最终理想解。

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(2) 应用一般解法6。插进一个物质S3并加上另一个场

F2来提高有用效应。见图6-10所示。

图6-9

S3 ——蒸汽;

F2——压力。

解决方案：使用过热水(100℃以上)且与高压力结合。过热的水蒸气可达到徽孔内，穿进并充满微孔，形成对残留电解液的强烈爆炸冲击并强制将其彻底排出微孔。

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例:

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