CAE 及TRIZ 理论在产品设计中的应用

张国富，苏唤唤

（1.山东工业技师学院组织人事处，山东 潍坊 261053；2.潍坊学院机械与自动化学院，山东 潍坊 261061）

0 引言

产品创新设计是产品开发的重要环节，一个优秀的产品设计是企业具有行业竞争力的关键。而CAE技术和TRIZ 创新理论是可以帮助设计者获得创新的理念有利工具，因此，将TRIZ 理论与计算机辅助工程相结合来进行技术创新和产品创新已经成为国内外的研究热点。

1 CAE 技术简介

1.1 CAE 定义

CAE（Computer Aided Engineering）是计算机辅助工程的简称，是用计算机来辅助分析，并求解工程设计中各部分结构的力学性能，对其进行优化等。CAE技术可以分析静态和动态结构，研究线性和非线性问题，以及固体、流体、电磁分析等[1]。

1.2 CAE 求解过程

CAE 系统的核心思想是结构的离散化，它的分析过程是将形状较为复杂的连续体所对应的求解区域逐步的分解为有限个的形状相对简单的子区域。运用CAD 创建CAE 的几何模型及物理模型，输入所需分析数据。同时也需运用CAD 来形象的输出CAE 的运算结果，如值线图，彩色明暗图，以及动态显示图等。

1.3 CAE 软件及其应用

常见的CAE 软件有Hyperworks、Pro/ENGINEER、ADINA、Abaqus 等，其中Ansys 是一种很经典的CAE，在国内运用广泛，特别是在科学研究领域。

随着CAD 技术的日渐普及，工程技术人员已逐渐将主要精力转化到如何进行产品优化设计，增强工程结构以及产品质量上来。CAE 成为产品制造业逐步信息化的技术关键。

2 产品设计理论的重要作用

产品设计是从市场的需求开始，直到获得产品的设计解，此项工作是需要多种专业的理论知识和丰富的经验相结合来完成[2]。产品的创新设计就是要解决发明过程中遇到的问题，至少要解决一个设计冲突，用户的需求是来进行产品设计的最初构思想法；根据用户的需求来进行产品的功能分析，并建立好功能模型，发现存在的冲突；利用分离原理、40 条发明原理、标准解以及效应知识库等工具来解决冲突，得到发明问题的原理解；创新设计的关键就是解决此类问题[3]。

运用TRIZ 理论发现并解决矛盾是产品设计的关键，而如何找到矛盾，并能够准确地定义矛盾具有重要意义。

3 TRIZ 理论及其在产品设计中的应用

TRIZ 理论提供了由39 个矛盾和40 条发明原理所组成的冲突矩阵，并为工程设计人员发现设计问题并解决，提供了一系列系统的理论和方法工具，包括冲突的解决方案、发明原理知识库、效应知识库、可用资源知识库等。冲突的解决方案如表1 所示[4]。

表1 冲突解决方案

发明原理知识库的框架如图1 所示。

图1 发明原理知识库框架

效应知识库的框架如图2 所示。

图2 效应知识库框架

可用资源信息树如图3 所示。

图3 可用资源信息树

TRIZ 理论分析和解决问题是有一定的过程。首先，要对设计中的问题来进行准确的定义。有些问题可能不太明显，针对此类问题，可以采用理想解的方法来定义问题。其次，进行问题分析，找出问题的矛盾点。遇到矛盾比较明显的，则可运用冲突矩阵、物质-场分析等进行解决；有的问题矛盾并不明显，工程技术人员找不到情况下，则可采用效应知识库来进行解决。最后，完成评价与反馈，如果获得了满意的解决方法，则表示获得是最终解，可以将最终解进行应用实施；如果没有获得满意的方案，则可以对问题进行重新分析，开始新一轮的产品设计过程[5]。

4 CAE 在产品设计中的应用

应用创新技术设计出的新产品能否得以实现，能否真正的投入实际的生产和生活中，得到最终的效益，这在工业生产中有重要的意义，CAE 技术是解决这一问题的重要途径。

每一个产品从设计初期，到技术设计阶段，再到详细设计阶段，甚至到报废阶段，都是一个完整的生命周期。CAE 在整个产品周期的各个阶段都具有重要的意义[6]。

4.1 初步设计阶段

产品设计初期，根据市场对产品结构及功能的需求，完成产品的规划以及方案的设计。此时，CAE 为设计人员提供有关设计方案的验证、计算与分析，并为其提供一系列的参考价值。

4.2 详细设计阶段

在这个阶段，整个产品设计被全部打开，并细化，大到系统的设计以及部件的装配，小到各个子部件的装配、以及小零件的设计，甚至到所用的材料以及产品制造工艺等等。此时，CAE 技术就是通过仿真技术来验证各个零部件的预期性能以及制造的可行性；为达到设计要求，应采用何种加工设备；如何简化工装以及工艺流程步骤等。

4.3 试验阶段

此阶段是产品创新设计的重要环节。为了更好地进行实验，以往都是先制造样机，在试验的过程中，如某一环节失败，则需要重新进行设计、重新制造样机、重新投入试验，直到试验成功。这种传统的试验过程，既耗时耗力，又浪费财力物力。此时，可以采用CAE 技术进行模拟仿真，必将减少制造试验样机的数量以及试验的次数。通过CAE 仿真试验，发现设计中存在的问题，及时修改问题设计，大大降低了设计成本。

4.4 制造阶段

此阶段是产品投入实际制造生产的阶段。通过CAE 技术可以进一步确认并优化产品制造的工艺步骤，可以对加工过程出现的错误进行运算，随时进行图纸的修改，从而降低废料及废品率。

5 结语

CAE 技术可以应用于各种产品设计过程之中，在产品的整个生命周期中发挥着重要作用，给企业带来巨大的经济效益。TRIZ 理论为设计人员发现设计中存在的问题并解决问题，提供了一系列系统的理论和方法工具，提高了产品设计的质量和水平。它提供了一种辩证的思维方式，而CAE 技术则将TIRZ 理论获得的理想解决方案现实化，最终解决矛盾，完成产品的创新设计。