创新设计概述

第六章创新设计
6.1 概述
6.2 创新设计的基本概念
6.3创新设计中的冲突及其解决原理6.4 创新及其设计思维
6.5工程设计人员的创造力开发
6.1 概述
爱因斯坦说过：“想象力远比知识更重要，现实世界只有一个，而想象力却可以创造千百个世界”。

掌握创造性方法，调动和训练工程技术人员的创造性思维是提高文明素质，进行企业技术创新，提高竞争机制的需要。

创造性的障碍首先是心理上的，其次是思维习惯上的，人们往往害怕进入一个陌生的领域，担心在哪些看起来可笑的想法上进行研究，常常会产生一种习惯心理：“会不会失败？”，承受不起很小的一次失败，总希望一次成功，这都属于有害的“心理惯性”。

一、创新设计的重要性
创新是设计的本质,也是设计活动的最终指标。

创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，
创新产品能满足甚至创造出新的需求，因而必然
有较强的市场竞争力。

二、产品创新的类型
1、技术上创新
2、管理上的创新
3、销售上的创新
4、售后服务上的创新等
三、在制造业中，产品技术上的创新分为以下两种
1、无重要新技术，但在形式上翻新。

比如：生产不同色的自行车，其虽然在生产管理上有所创新，但是自行车的性能并无重要变化，其中也没有融入多少新技术。

2、含有（开发）重要新技术，使产品竞争力有重要提高，或形成新竞争力的制高点。

比如：电动汽车，如果谁在设计和制造出远远超过现在的长寿命电池，就是一种新的竞争力制高点。

6-2 创新设计的基本概念
1、创新设计
1)设计的三个层面：
A）设计哲学：从心理学及认知的层面研究设计的本质。

B）设计理论与方法：设计过程模型、工具
C）设计的应用：常规问题、发明问题
2）创新设计：
解决发明问题的设计，核心是概念设计。

特征是在概念设计阶段解决冲突和矛盾，提出新的或有竞争力的原理解。

2、TRIZ的基本概念
1）TRIZ的产生和主要内容
俄文缩写，英译为：Theory of Inventive Problem Solving (TIPS).前苏联海军专利部Altshuller等对专利文献整理、归纳后发现技术系统的开发创新是有规律可循的，并建立了一整套体系化、实用的解决发明创造的方法。

其核心是：技术系统进化原理。

2）TRIZ的重要发现
A）在以往不同领域的发明中所用到的原理（方法）并不多，不同
时代的发明，不同领域的发明，其应用的原理（方法）被反复利用。

B）每条发明原理（方法）并不限定应用于某一特殊领域，而是融合了物理的、化学的和各工程领域的原理，这些原理适用于不同领域的发明创造和创新。

C）类似的冲突或问题与该问题解决原理在不同的工业及秋海棠领域交替出现。

D）技术系统进货的模式（规律）在不同的工程及科学领域交替出现。

E）创新设计依据的科学原理往往属于其他领域。

例：
6.3 设计中的冲突及其解决原理
一、概述
1）冲突的概念：当改变某个零部件的设计时，可能会影响到与这些被改进零部件的相关零部件，结果可能使产品或系统的另一些方面的性能受到影响，若影响是负面的，则设计出现了冲突。

TRIZ理论认为：产品的标志是解决或移走设计中的冲突，而产生新的有竞争力有解。

发明问题的核心是发现冲突并解决冲突，未克服冲突的设计并不创新设计。

2）冲突的分类：
二、物理冲突及其解决原理
1）物理冲突的概念及其类型
概念：为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但现
时出现了与该特性相反的特性。

种类：
A）一个子系统中有害功能降低的同时导致该子系统中有用功能的降低。

B）一个子系统中有用功能的加强的同时，导致该子系统中有害功能的加强。

2）物理冲突的解决原理
Altshuller提出了11种解决方法，Savransky又提出了14种解决方法。

分离原理包括以下四种方法：
A）空间分离原理
将冲突双方在不同的空间上分离，以降低解决问题的难度。

I）是否冲突一方在整个空间中“正向”或“负向”变化？
II）在空间中的某一处，冲突的一方是否可以不按一个方向变化？
例：自行车链传动。

B）时间分离原理
概念：将冲突双方在不同的时间段上分离，以降低解决问题的难度。

I）是否冲突一方在整个时间段中“正向”或”负向“变化？
II）在时间段中冲突的一方是否可不按一个方向变化？
例：折叠式自行车、飞机起落架等
C）基于条件的分离
概念：将冲突双方在不同的条件下分离，以降低解决问题的难度。

I）是否冲突一方在所有的条件下都要求”正向“或”负向“变化？
II）在某些条件下，冲突的一方是否可不按一个方向变化？
例：水与跳水运动员的关系、输水管路适应温度变化
D）总体与部分的分离
概念：将冲突双方在不同的层次上分离，以降低解决问题的难度。

E）实例分析
超音速飞机、煎锅
三、技术冲突及其解决原理
1、技术冲突的概念
一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。

1）一个子系统中引入一种有用功能后，导致另一个子系统产生一种有害功能，或加强了已存在的一种有害功能；2）一有害功能导致另一个子系统有用功能的变化；
3）有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得更加复杂。

例：波音737的改进设计中发动机问题。

2、技术冲突的一般化处理
1）通用工程参数
2）应用实例
铸件或管状结构中的的法兰联接中螺栓数目与密封性设计。

技术冲突为：
如果密封性良好，则操作时间且结构的质量增加；
如果质量轻，则密封性变差；
如果操作时间短，则密封性变差；
希望改进的特性：
静止物体的质量；可操作性；装置的复杂性。

上述特性的改善将导致：
结构的稳定性、可靠性降低。

3）技术冲突与物理冲突
技术冲突总是涉及到两个基本参数A与B，当A得到改善时，B变的更差。

物理冲突涉及系统中一个子系统或部件，
而对该子系统或部件提出了相反的要求。

例：化学电镀中材料浪费与生产效率提高之间的冲突问题。

3、技术冲突的解决原理
1）概述：为了指导技术创新，一此研究人员总结前人的发明创造经验，并总结分为以下两类：
A）经验主要由本领域的专家、研究人员本身总结，或是与这些人员讨论并整理总结出来的；
B）经验由专门研究人员对不同领域的已有创新成果进行分析、总结，得到具有普遍意义的规律，这些规律对指导不同领域的产品创新都有重要的参考价值。

2）40条发明创造原理
1)分割原理2)分离原理3)局部质量原理4)不对称原理
5)合并原理6)多用性原理7)嵌套原理8)质量补偿原理
9)预加反作用原理10)预操作原理11)预补偿原理
12)等势性原理13)反向原理14)曲面化原理15)动态化原理16)未到达或超过的作用原理17)维数变化原理18)振动原理19)周期性作用原理
20)有效作用的连续性原理21)紧急行动原理22)变有害为
有益原理23)反馈原理24)中介物原理25)自服务原理
26)复制原理27)低成本不耐用的物体代替贵重耐用物体原理28)机械系统的替代原理29)气动与液压结构原理
30)柔性壳体或薄膜原理31)多孔材料原理32）改变颜色原理33）同质性原理34）抛弃与修复原理35）参数变化原理36）状态变化原理37）热膨胀原理38）加速强氧化原理39）惰性环境原理40）复合材料原理
6.4 创新及其设计思维
1、创造性思维的定义:
反映了事物本质属性和内在、外在有机联系，具有新颖的广义模式的一种可以物化的思想心理活动。

2、创造性思维的特点
独创性（突破性求异性）：具备与前人众人不同的见解，突破一般思维的常规惯例，提出新原理，创造新模式，贡献新方法。

从因素分析学说的角度研究，思维独立性中又有几种“因子”：一种是“怀疑因子”，即敢于对别人司空见惯或认为完满无缺的事物提出怀疑；
另一种是“抗压性因子”，即力破陈规陋习，锐意进取拓新，勇于向旧的传统和习惯挑战；
第三种是“自变性因子”即主动否定自己，打破“自我束缚”。

从新的角度分析问题，寻找更合理的解法。

独创性能使设计方案标新立异，独辟路径。

50年代在研制晶体管原料时，人们
发现锗是一种比较理想的材料，人们需要提炼得很纯才能满足要求，各国科学家在锗的提纯工艺方面做了很多探索，都未获成功；而日本的江崎和黑田百合子对锗多次提纯失败之后，敢于采用了与别人完全不同方法，他们有计划地在锗中加人少量杂质，并观察其变化，最后发现当锗的纯度降为原来的一半时，形成—种性能优异的电晶体。

此项成果
轰动世界．获得诺贝尔奖。

诺贝尔奖
连动性（由此思彼）：
连动思维通常表现为三种形式：
一、“纵向连动”，即发现一种现象后，立即纵深一步，探究其产生的原因；
二、“逆向连动”，即看到一种现象后，立即想到它的反面；
三、“横向连动”，即发现一种现象后，便联想到特点与之相似、相关的事物。

摩擦焊接的发明者看到这样一个事实：车床突然停电，促使车刀粘焊在工件上，使工件报废。

分析原因是车刀与工件摩擦产生高温所至。

因此引发了摩擦焊的发明。

多向性：善于从不同的角度想问题。

据分析，创造性活动中成功的几率与设想出供择的方案的多少往往是成正比的。

这种思维的产生并获得成功，主要是依赖于：
1.发散机智——在一个问题面前，尽量提出多种设想、
多种答案，以扩大选择余地；
2.换元机智——灵活地变换影响事物的质和量的诸
多因素中的某一个，从而产生新的思路；
3.转向机智——思维在某一方面受阻时，便马上转向
另一个方面；
4.创优机智——即力求问题的最优解。

跨越性：在无意中作出发明。

从思维进程来说，它表现为常常省略思维步骤，加大思维的“前进跨度”，从思维条件的角度讲，它表现为能跨越事物“可现度”的限制。

它往往表现为思想逻辑的中断，出现一种突如其来的领悟或理解，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而解决了问题。

门捷列夫就是在快要上车去外地出差时，突然闪现
了未来元素体系的思想；凯库勒是在睡意朦胧中梦见苯分子的碳链像一条长龙首尾相接，翩翩起舞，突然悟出了其分子结构。

综合性：对已有材料进行深入分析，综合概括出其规律或利用宜有的信息，现象，概念等组合起来形成新的技术思想或设计出新产品。

要成功地进行综合思维，必须具备三种能力:
一、智慧杂交能力，即善于选取前人智慧宝库中的精华，通过巧妙结合，形成新的成果；
二、思维统摄能力，即把大量概念、事实和观察材料综合在一起，加以概括整理，形成科学概念和系统；三、辨证分析能力。

它是一种综合思维能力．即对占有的材料进行深人分析，把握它们的个性特点，然后从这些特点中概括出事物的规律。

上最伟大的发明创造之一，它使人
类第一次实现登上月球。

登月飞船
是由700万个零件组成，2万家工厂
承担生产制造任务，有42万名科学
家和工程技术人员参与研制工作，
历时11年之久，耗资244亿美元，
这样一个复杂系统是人类智慧综合
的产物。

正如美国阿波罗登月计划总指挥韦伯指出“阿波罗飞船
计划中没有一项新技术，都是现成的技术，关键在于综合。

虽然飞船的每个零件都是原有的，但把它综合而成登月船
却是世界上从来没有的”。

可见，把已有的东西加以新的
综合。

无疑是一种杰出的创造。

3 创造性思维的类型
（根据思考问题过程中思维活动运用的材料形式
不同而划分）
形象思维（灵活、新奇）与抽象思维（严密）
形象思维和抽象思维作为人类理性思维认识中的两种思维形式，它们都是以感性认识为基础，都可以认识事物的本质，而且在大多数情况下，二者是常常相互渗透，交互作用的。

17世纪初伽利略运用抽象思维先于牛顿，发现了物体运动的惯性规律。

伽利略进行了有名的斜面小球实验。

实验表明小球下落高度与上升高度的差值取决于小球的圆度和它同斜面的摩擦力。

小球滚上斜面走过的距离和斜面的坡度有关，斜面坡度越小，小球滚上的距离越长。

伽利略运用抽象思维设想：如果小球做成绝对的圆；小球下落之后不是滚一个斜面，而是一个绝对水平的平面；伽利略设想小球同平面没有任何摩擦力，也不受其它阻力的影响。

得出的结论是：小球将一直运动下去。

由此，伽利略发现了物体运动的惯性定律。

伽利略的设想作为实验条件是难以做到的，但运用头脑的抽象思维却很容易做到。

（按照思维的方向划分）
发散思维（充分）
与集中思维（综合、归纳）
发散思维是指思维者根据问题提供的信息，不依常规，而是沿着不同方向和角度，从多方向寻求问题的各种可能答案的一种。

例如,要解决渡河问题，可以有多种方法：造桥、坐船、使用飞行器、建空中索道、开凿河底隧道等等。

集中思维是在大量设想或方案的基础上，引出一两个正确答案或引出一种大家认为最好的答案的思维方法。

集中思维和发散思维作为两种不同的思维方式，在一个完整的创造活动中是相互补充，相辅相成的。

发散思维能力越强，提出的可能方案越多样化，才能为集中思维在进行判断时提供较为广阔的回旋余地，也才能真正体现集中思维的意义。

但反过来，如果只是毫无限制的散发而无集中思维，散发也就失去了意义。

（按照在思维过程中是否严格遵守逻辑规则划分）逻辑思维（分析、综合、归纳、演绎）与非逻辑思维（联想、想象、直觉、灵感）
逻辑思维是严格遵循逻辑规则按步就班、有条不紊地进行思维的一种思考方式。

逻辑规则是人们在总结思维
活动经验和规律的基础上概括出来的。

逻辑思维以抽象
的概念作为思维元素，使用固定范畴，其规则较为程式
化，推理严密，结论确定。

逻辑思维的推理分为：纵向、横向和逆向三大类。

非逻辑思维是同逻辑思维相对而言的另一类思维方式。

非逻辑思维不严格遵循逻辑格式，表现为更具灵活性的
自由思维，其成果或结论往往能突破常规，具有鲜明的
新奇性，但一般或然性很大。

非逻辑思维的基本形式是
联想、想象、直觉和灵感。

（按照解决问题的途经划分）
直达思维（直达、快速）与旁通思维（转换、类比、模拟）
直达思维是始终不离开问题的情境和要求而进行思考问题的方式。

旁通思维是通过对问题情境和条件的分析、辨识，将问题转换成另一等价问题，或以某一问题为中介间接地去解决问题的思考问题的方式。

旁通思维又称侧向思维。

直达思维的优点是直接面对问题情境，可以快速达到目标。

它对于解决较为简单的问题特别有效，当这种努力遇到障碍或证明无效之后，才改用旁通思维。

司马光砸缸救人，在人小力薄的情况下他无法将人从水中拉出（人离开水），而采用砸缸放水（水离开人）的办法。

4 创造性思维的七大障碍 对创造性作出错误的假设
相信只有一个正确的答案
孤立的考察问题
遵循规则
消极的思想
逃避风险害怕失败
避免多种情况。