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创新原理应用
一、实验目的
1. 理解创新设计的基本原理。
2. 掌握发明问题解决理论(TRIZ)的基本思想和应用。
二、实验要求
本次实验，要求学生根据“发明问题解决理论”的40项原理，利用因特网，在更广泛意义上表述这些原理。请通过收集资料，在更广泛意义上理解这些原理。
1. 试对其中某项原理给出在技术创新(产品创新和工艺创新)方面的解释和实例。
2. 试对其中某项原理给出在管理创新方面的解释和实例。
3. 以计算机文件形式上机完成。采用Word文件(包括文本、图表、动画、立体、色彩等)。每人不少于两幅图，3000字。A4纸，页边距均为2cm，单倍行距，5号字。
三、实验原理
1. 设计中存在的矛盾
无论是新设计还是已有产品的改进设计，设计人员在设计过程中首先要保证或提高产品的某些内部性能，但这种提高往往导致产品其他内部性能的降低，即设计中往往存在矛盾。
矛盾普遍存在于各种产品的设计之中。按传统设计中的折衷法，矛盾并没有彻底解决，而是在矛盾双方取得折衷方案，或称降低矛盾的程度。TRIZ理论认为，产品创新的标志是解决或移走设计中的矛盾，而产生新的有竞争力的解。
可将设计中的矛盾分为如下三类：
⑴ 技术矛盾。技术矛盾是指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。
例 桥梁设计。实际使用中希望桥所能承受的物体重量越大越好，但重量太大将有可能超过桥的强度所允许的范围，也就降低了桥的安全性。因此，存在技术矛盾。
技术矛盾常常现为一个系统中两个子系统之间的矛盾。技术矛盾出现的几种情况：
①在一个子系统中引入一种有用功能，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消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏。
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太复杂。
⑵ 物理矛盾。物理矛盾是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。
例 飞机机翼设计。为了容易起飞，飞机的机翼应有较大的面积，但为了高速飞行，机冀又应有较小的面积，这种要求机翼具有大的面积与小的面积同时存在的情况，对于机翼的设计就是物理矛盾。
当对一子系统具有相反的要求时就出现了物理矛盾。与技术矛盾相比，物理矛盾是一种更尖锐的矛盾，设计中必须解决。物理矛盾出现的几种情况：
①一个子系统中有用功能加强的同时导致该子系统中有害功能的加强。
②一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。
⑶ 管理矛盾。管理矛盾是指为了避免某些现象或希望取得某些结果，需要做一些事情，但不知如何去做。
例：希望提高产品质量、降低原材料的成本，但不知方法。
由于生产规划、可制造性及可靠性等问题在开发过程中是分别考虑的，各部门间缺乏经常交流，且参与产品开发的人员往在对自己在整个过程中的角色缺乏清晰的认识，上、下游活动间可能存在不可调和的矛盾。
在产品开发的各个阶段会产生许多反馈信息，反馈信息的主要内容是：相关过程发生矛盾；要求相关设计过程协调或更改；解决设计和制造矛盾等。
在并行设计的实施过程中，必然遇到一些矛盾，如CAD的输出是CAPP/CAM的输入，CAPP的输出又是CAM的输入，而且，各个阶段的输出/输入信息又不完备，不完备的信息模型为信息的处理带来许多矛盾。
2. 解决技术矛盾的创新原理
发明问题解决理论根据全世界的发明专利归纳了40项创新原理，可以直接应用于创新过程。
(1) 分割
1)将一个物体分成相互独立的部分。
如用多台个人计算机代替一台大型计算机完成相同的功能；用一辆卡车加拖车代替一辆载重量大的卡车。
2)使物体分成容易组装及拆卸的部分。
如组合夹具是由多个零件拼装而成的；
花园中浇花用的软管系统，可根据需要通过快速接头连接成所需的长度。
3)增加物体相互独立部分的程度。
如用百叶窗代替整体窗帘；
用粉状焊接材料代替焊条改善焊接效果。
可拆卸部分
A向放大
可拆卸部分
A
图5-1 可拆卸铲斗
例 可拆卸铲斗唇缘设计(图5-1)
一个挖掘机铲斗的唇缘是由钢板制成的。只要它的一部分磨损或毁坏，就必须更换整个的唇缘。这是一项既费力又费时的工作，而且挖掘机也不得不停止工作。
可使用“分割原理”来解决这一问题。将唇缘分割成单独的可分离的几部分。这样，可以快速方便地将毁坏或磨损的部分更换。
(2) 分离(分开)
1)将一个物体中的“干扰”部分分离出去。如在飞机场环境中为了驱赶各种鸟，采用播放刺激鸟类的声音是一种方便的方法，这种特殊的声音使鸟与机场分离；将产生噪声的空气压缩机放于室外。
图5-2 被太空船绑缚的人造卫星

电缆
太空船
2)将物体中的关键部分挑选或分离出来。
例 被绑缚的人造卫星(图5-2)
可以使用同一个太空船操作几个位置的太空探测器吗？
建议使用分离原理和局部质量原理来改善太空船的使用。将太空船(母船有一个推进系统)定位在一个特定的轨道上，从母船发射一个被绑定的人造卫星。用光缆将其定位在第二个轨道。这样，可以从母船发出许多的操作信号来操作几个位置的探测器。
(3) 局部质量
1)将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构。如用变化中的压力、温度或密度代替定常的压力、温度或密度。
2)使组成物体的不同部分完成不同的功能。如午餐盒被分成放热食、冷食及液体的空间，每个空间功能不同。
3)使组成物体的每一部分都最大限度地发挥作用。如带有橡皮的铅笔，带有起钉器的榔头等。
图5-3 两列齿锯片
不同高度的齿
一对短齿
一对长齿
纤维材料
该原理在机械产品进化的过程中表现的非常明显，如机器由零部件组成，每个零部件在机器中都应占据一个最能发挥作用的位置。如果某零件未能最大限度的发挥作用，则应对其改进设计。
例 两列齿锯片(图5-3)
当锯纤维材料，如木头时，如何保证表面的粗糙度？
建议使用增加维数原理和局部质量原理来提高切削的质量。可以使用双列齿。将锯齿制成高度不同，交叉排列的形状，短齿比长齿宽。长齿主要用来切削，短齿用来清洁切削表面。由于短齿能切去很薄的层，所以粗糙度减小。同时，切削速度也有明显提高。
(4) 不对称
绝缘筒
金属筒
图5-4 不对称共鸣器
1)将物体的形状由对称变为不对称。如不对称搅拌容器，或对称搅拌容器中的不对称叶片；将O形圈的截面形状改为其他形状，以改善其密封性能。
2)如果物体是不对称的，增加其不对称的程度。如轮胎的一侧强度大于另一侧，以增加其抗冲击的能力。
机械设计中经常采用对称性原理，对称是传统上很多零部件的实现形式。实际上设计中的很多冲突都与对称有关，将对称变为不对称就能解决很多问题。
例 不对称共鸣器设计(图5-4)
可调电磁共鸣器(包括金属和绝缘筒)很大，并且为了达到好的调谐效果需要严格的垂直运动。
原设计 钻 护孔簧片 螺钉
原设计 护孔簧片
图5-5 扩孔簧片
建议使用“不对称”原理和“维数改变”原理来改善设计。将金属筒中心线与绝缘筒的轴心线(两个筒的轴线未重合)偏离一定的距离。那么，通过旋转倾斜的筒可以产生鸣器(和两筒的距离变化有关)得到很好的调谐效果。
(5) 合并
1)在空间上将相似的物体连接在一起，使其完成并行的操作。如网络中的个人计算机；并行计算机中的多个微处理器；安装在电路板两面的集成电路。
2)在时间上合并相似或相连的操作。如同时分析多个血液参数的医疗诊断仪；具有保护根部功能的草坪割草机。
例 扩孔簧片(图5-5)
原设计
新设计
伞状天线
图5-6 伞状天线
要在木头或塑料上安装扩孔簧片，首先需要在材料上钻孔。这增加了安装紧固件的次数并且需要特殊的工具，所以效率很低。
建议把扩孔黄片和钻连接起来。簧片由一个粗牙螺纹和一个切削端部组成。扩孔簧片靠十字形螺丝刀来安装。这种设计减少了安装的次数，而且也不需要特殊的工具。
(6) 多用性
使一个物体能完成多项功能，可以减少原设计中完成这些功能多个物体的数量。如装有牙膏的牙刷柄；能用作婴儿车的儿童安全座椅。
例 伞状天线(图5-6)
天线与房屋的建筑一般是分离的。天线暴露在空气中，容易被腐蚀。
建议将天线设计成为多功能的。
将天线的金属板作为一个封盖，其形状和颜色由消费者选择，这样可以使天线充当花园里的遮阳伞。而且也能使天线免受空气腐蚀。
(7) 套装
原设计
扭转角 转矩
新设计
图5-7 扭转轴
1)将一个物体放在第二个物体中，将第二个物体放在第三个物体中，可进行下去。如儿童玩具不倒翁；套装式油罐，内罐装粘度较高的油，外罐装粘度较低的油。
2)使一个物体穿过另一物体的空腔。如收音机伸缩式天线；伸缩式钓鱼竿；汽车安全带卷收器。
例 扭转轴设计(图5-7)
对于扭转轴(弹性轴)而言，若需要旋转角较大则扭转轴将变得很长，这将需要很大的空间。如何能不减小旋转角而降低扭转轴的长度呢？
建议使用套装原理解决这个问题。将一根扭转铀的一半套在另一根之中。结果，扭转角度不变时，扭转轴所占的空间减少。
(8) 质量补偿
1)用另一个能产生提升力的物体补偿第一个物体的质量。如在圆木中注入发泡剂，使其更好地漂浮；用气球携带广告条幅。
传送带
带
支撑件
图5-8 浮动支撑
2)通过与环境相互作用产生空气动力或液体动力的方法补偿第一个物体的质量。如飞机机翼的形状使其上部空气压力减少，下部压力增加，以产生升力；升力涡改善飞机机翼所产生的升 力；船在航行过程中船身浮出水面，以减少阻力。
例 浮动支撑(图5-8)
重载荷传送带经常在与传送滚子相接处断裂。
建议使用气动和液压结构及质量补偿原理来改善支撑件的耐久性和抗振能力。应用浮力达到这一目的。将为浮动而设计的支撑件放在一个充满气体或液体的容器中。
(9) 预加反作用
1)预先施加反作用。如缓冲器能吸收能量，减少冲击带来的负面影响。
2)如果一物体处于或将处于受拉伸状态，预先增加压力。如浇混凝上之前的预压缩钢筋。
图5-9 预压缩弹簧
钻柄 切削阻力
切削力方向
工件 弹簧
例 切削机构中的预压缩弹簧(图5-9)
在加工孔时，经常使用钻柄。但是，如果钻柄的刚度不足就会引起振动。
建议使用预加反作用原理减小振动。可以在切削力方向加一预压力(由一尺寸适当的压缩弹簧产生)以增加刚度，从而减少振动，提高加工精度。
(10) 预操作
模具
预先涂漆层
注模
已涂漆的件
图5-10 预着色
1)在操作开始前，使物体局部或全部产生所需的变化。如预先涂上胶的壁纸；在手术前为所有器械杀菌。
2)预先对物体进行特殊安排，使其在时间上有准备，或已处于易操作的位置。如柔性生产单元；灌装生产线中使所有瓶口朝一个方向，以增加灌装效率。
例 预着色(图5-10)
代替手工用刷子对塑料件进行着色，其中一种方法是机械着色。
建议应用预操作原理与合并原理来改善着色过程。在分开的铸模的孔洞中预先加染料套(甚至预先将染料注入塑料中)。普通的印刷油墨(具有成型胶片样的流动性)就可以这样应用。合模后注入塑料(如聚苯乙烯)。零件的颜料具有较好的粘时性，因为颜料扩散到了表面内部。
(11) 预补偿
采用预先准备好的应急措施补偿物体相对较低的可靠性。如飞机上的降落伞。
安全带
空气
气囊
车身
图5-11 安全气囊
例 汽车安全气囊(图安全带6-11)
如果碰撞发生在车前部，安全带可以保护驾驶员。然而，安全带对侧面碰撞不起作用。
建议使用测面安全气囊。紧缩的气囊放在座位的后面。侧面碰撞时，气囊因充气而膨胀，这样可以避免乘客受伤。
(12) 等势性
改变工作条件，使物体不需要被升高或降低。如与冲床工作台高度相同的工件输送带，将冲好的零件输送到另一工位。
例 汽车旋转装置(图5-12)
液压平台
原设计

旋转装置
新设计
图5-12 汽车旋转装置
要到汽车下面修理汽车，汽车必须停放在敞开的隧道上，或固定到液压平台上。而且进行修理时，机修工必须在头顶上操作，这很不方便也很不安全。
建议使用“等势”原理。将汽车固定到一个环形的旋转装置上，这样汽车就能够随意旋转甚至可以倒置，从而很好地改善了修理条件。
(13) 反向
1)将一个问题说明中所规定的操作改为相反的操作。如为了拆卸处于紧配合的两个零件，采用冷却内部零件的方法，而不采用加热外部零件的方法。
2)使物体中的运动部分静止，静止部分运动。如使工件旋转，使刀具固定；扶梯运动，乘客相对扶梯静止。
池塘
拖拉机
图5-13 地面测试系统
3)使一个物体的位置颠倒。如将一个部件或机器总成翻转，以安装紧固件。
例 移动测试地面(图5-13)
为了测试拖拉机的性能，通常需要在各种各样的地形上进行测试，怎样才能减少测试地面的数量呢？
建议使用反向原理，让拖拉机静止而让测试地面移动。为了达到这个目的，需要将一个很大的由弹簧支撑的带有叶片的圆筒漂浮在池塘中，拖拉机在圆筒里行驶使得圆筒转动，而圆筒的转动使得水面产生波浪。波浪的起伏就像是各种各样的地形。
(14) 曲面化
1)将直线或平面部分用曲线或曲面代替，立方形用球形代替。如为了增加建筑结构的强度，采用弧或拱。
2)采用辊、球和螺旋。如斜齿轮提供均匀的承载能力；采用球或滚柱为笔尖的钢笔增加了墨水的均匀程度。
3)用旋转运动代替直线运动，采用离心力。如鼠标采用球形结构产生计算器屏幕内光标的运动；洗衣机采用旋转产生离心力的方法，去除湿衣服中的部分水分。
球形齿
槽齿轮
有矩形切口的轮齿
图5-14 球面齿轮
例 球面接触(图5-14)
怎么才能提高齿轮副的承载能力？
建议用球体一曲面原理来改善齿轮副的承载能力。其中一个齿轮的齿槽设计成球形的，而另一个齿轮的轮齿被制成球状，结果，轮齿的接触面积增大，这样就减少了轮齿之间的接触应力，相同型号的齿轮能够承受更大的负载。
(15) 动态化
1)使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能。如可调整驱动轮；可调整座椅；可调整反光镜。
图5-15 螺杆输送机
2)划分一个物体成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置。如计算机蝶形键盘。
3)如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改变的。如检测发动机用柔性光学内孔检测仪。
例 螺旋角可变的螺杆输送机(图5-15)
传送如矿物或化学药品之类的松散材料，传统的装置是螺杆输送机。为了更好地控制材料的输送速度和相对于不同密度的材料进行调节，希望输送机螺杆的螺旋角是可调的。
建议使用变参数原理和动态原理设计输送机。螺杆的表面使用如橡胶之类的弹性材料制成。两个螺旋弹簧控制螺旋的形状。弹簧沿着旋转轴的伸长/压缩可控制螺杆的螺旋角，从而控制松散材料的传送速度。
(16) 未达到或超过的作用
如果100%达到所希望的效果是困难的，稍微未达到或稍微超过预期的效果将大大简化问题。
如缸筒外壁刷漆可将缸筒浸泡在盛漆的容器中完成，但取出缸筒后外壁粘漆太多，通过快速旋转可以甩掉多余的漆。
船的上部结构
港口
海
河
桥 船
图5-16 未完成的船
例 未完成的船(图5-16)
依托河流所制造的船如果太大就不能穿过桥梁，那么怎么让它驶入大海？
建议先将未完成的船(没有上部结构)驶过桥梁，而船的上部结构通过公路运送到港口，并安装到船的用板上。
(17) 维数变化
1)将一维空间中运动或静止的物体变成在二维空间中运动或静止的物体，在二维空间中的物体变成三维空间中的物体。如为了扫描一个物体，红外线计算机鼠标在三维空间运动，而不是在一个平面内运动；五轴机床的刀具可被定位到任意所需的位置上。
2)将物体用多层排列代替单层排列。如能装6个CD盘的音响不仅增加了连续放音乐的时间，也增加了选择性。
3)使物体倾斜或改变其方向。如自卸车。
提升矿车的抓手
图5－17 进入垂直面的矿车
4)使用给定表面的反面。如叠层集成电路。
例 矿车进入垂直面(图5-17)
当空矿车和负载矿车在矿并中需要对调时，通过增加隧道宽度来解决是不理想的。因为隧道宽度的增大会使隧道顶部安全性降低。
建议应用维数变化原理、动态原理和分离原理来解决。可以通过垂直面来重新排列矿车，如图，将空车抓到负载车的上面，负载车向前行，在合适位置将空车放下。这样矿车队列变得更为动态化，此过程中所有矿车就像一堆纸牌一样易操作。通过这种方法，可以大大改善矿井工人的安全。
(18) 振动
1)使物体处于振动状态。如电动雕刻刀具有振动刀片。
2)如果振动存在，增加其频率，甚至可以增加到超声。如通过振动分选粉末。
机械计数
原技术
新技术
图5-18 产品记数装置
3)使用共振频率。如利用超声共振消除胆结石或肾结石。
4)使用电振动代替机械振动。如石英晶体振动驱动高精度的表。
5)使超声振动与电磁场耦合。如在高频炉中混合合金。
例 产品记数装置(图5-18)
流水线上的机械计数系统长时间使用就会磨损。同对，由于灰尘的积累，光学装置的可靠性将降低。
建议用气流和产品间相互作用产生的声波来计数。让产品沿着一个路径传送，到达终点后和气流接近。产品和气流相互作用产生声波，声波通过麦克风转变成电信号，电信号可用来计数。
(19) 周期性作用
被切削的工件
周期性的撤回刀具
图5-19 控制切削振动
1)用周期性运动或脉动代替连续运动。如使报警器声音脉动变化，代替连续的报警声音。
2)对周期性的运动改变其运动频率。如通过调频传递信息。
3)在两个元脉动的运动之间增加脉动。如医用呼吸器系统中，每压迫胸部5次，呼吸1次。
例 控制振动的方法(图5-19)
如何控制车床进行金属切削时的振动呢？
建议用“机械振动”原理和“周期作用”原理。按预先确定的频率，短时间周期性的停止切削操作。切削数圈后，撤回刀具。切削圈数与车床的振动阻尼(刚度、转速和固有阻尼)及工件的材料有关。这种方法也可以防止切屑堆积在刀具边缘。
(20) 有效作用的连续性
1)不停顿地工作，物体的所有部件都应满负荷地工作。如当车辆停止运行时，飞轮或液压蓄能器储存能量，使发动机处在一个优化的工作点。
旋转机
毛坯
图5-20 连续工作
2)消除运动过程中的中间间歇，如针式打印机的双向打印。
3)用旋转运动代替往复运动。
例 连续工作(图5-20)
由于机器需要等待新毛坯进入工作面，所以流水线的生产效率受到限制。
建议加工毛坯时，让毛坯与工装一同运动。这项技术可用于回转机械中。由于减少了空转昧、司，使得旋转流水线的生产效率得到提高。
(21) 紧急行动
图5-21 切断管路的方法
以最快的速度完成有害的操作。如修理牙齿的钻头高速旋转，以防止牙组织升温。
例 高速切断管路(图5-21)
传统方法截断大直径薄壁管路时，管路变形与过度挤压是个大缺陷。
建议使用加速原理。刀具以极快的速度切削使管路没有时间变形(有一定惯性)。
(22) 变有害为有益
图 5-22 废物利用
循环
CO2，SO2
净化气体
1)利用有害因素，特别是对环境有害的因素，获得有益的结果。如利用余热发电；利用秸杆作板材原料。
2)通过与另一种有害因素结合消除一种有害因素。
3)加大一种有害因素的程度使其不再有害。
例 废物利用(图5-22)
热力发电站排出的气体必须经过净化，主要是除去其净化中的酸性成分，尤其是硫磺酐。同时，还要处理含有碱性炉渣和灰尘的污水。
建议使用“变害为益”的原理去除废物，提高净化率。可以用碱性污水吸收酸性气体。这样可以有效地抑制两种污染物中的有害成分。
(23)反馈
图5-23 轧机控制
电子枪
传感器
辊子
被轧板
反馈
1)引入反馈以改善过程或动作。如音频电路中的自动音量控制；加工中心自动检测装置。
2)如果反馈已经存在，改变反馈控制信号的大小或灵敏度。如飞机接近机场时，改变自动驾驶系统的灵敏度。
例 轧机钢板厚度控制(图5-23)
控制被轧钢板的厚度，重要的是控制钢板温度。最终的厚度是温度和接近辊子的板的厚度共同作用的结果。
图5-24 抗磨喷嘴
同轴孔
气流
喷嘴
建议使用“反馈”控制输出厚度。可以将接近辊子的钢板的厚度与加热器(电子枪)电子束的进给速度结合起来，电子束通过钢板被传感器监控。钢板越厚，接收到的辐射密度越低。那么发信号降低电子束的进给速度以增加钢板的温度。这种反馈控制改善了输出厚度的精度。
(24) 中介物
1)使用中介物传递某一物体或某一种中间过程。如机械传动中的惰轮。
2)将一容易移动的物体与另一物体暂时接合。如机械手抓取重物并移动该重物到另一处。
例 抗磨喷嘴(图5-24)
当一种研磨剂喷射器加速到高速时，喷嘴很快就会被磨损。
图5-25 自服务挖掘机
空气
土壤
建议应用中介物原理来减小喷嘴的磨损。可以引进空气介质流来加速研磨剂。这些空气流，通过同轴孔(在喷嘴延长块中)流动，不仅加速了研磨剂而且保护了喷嘴壁少受磨损。
(25) 自服务
1)使一物体通过附加功能产生自己服务于自己的功能。
2)利用废弃的材料、能量与物质。如钢铁厂余热发电装置。
例 自服务挖掘机(图5-25)
图5-26 人造岩石工作面
给挖掘机的铲斗提供气体润滑以减少土壤和铲斗的摩擦，也可以防止卸土时土壤附着在铲斗上。然而，在发动机上安装压缩机会增加能量的消耗。
建议使用“自服务”原理来解决问题。用作业时挖掘机悬臂的运动来给铲斗提供空气。这要通过在悬臂上安装一个双作用的气缸来实现。
(26) 复制
1)用简单的、低廉的复制品代替复杂的、昂贵的、易碎的或不易操作的物体。如通过虚拟现实技术可以对未来的复杂系统进行研究；通过对模型的实验来代替对真实系统的实验。
2)用光学拷贝或图像代替物体本身，可以放大或缩小图像。如通过看一名教授的讲座录像可代替亲自参加他的讲座。
3)如果已使用了可见光拷贝，用红外线或紫外线代替。如利用红外线成像探测热源。
例 人造岩石工作面(图5-26)
钻头和发动机要在模拟自然岩石的人造工作面上测试。而且测试时要求的钻探转矩比工作时的大。
建议采用复制与复合材料原理设计一种人造岩石面。使用廉价的铅与钢夹杂物的混合物来制作高质量自然岩石的“复制品”。这种“复制品”能很好地满足测试要求。
(27) 低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体
用一些低成本物体代替昂贵物体，用一些不耐用物体代替耐用物体，有关特性作折衷处理。如一次性纸杯子。
例 泡沫塑胶飞机减速跑道(图5-27)
原设计
水泥路面
土地
塑胶
新设计
图5-27 塑胶跑道
有时，机场跑道太短，飞机会因无法着陆而造成严重事故。解决问题的一个可能办法是加长跑道，但是多建一段跑道耗时耗财，而且要多占上地。
建议用泡沫塑胶板铺一段跑道。如果飞机不能停在水泥跑道上，可以继续在塑胶跑道上减速。实验证明，一段120m的塑胶跑道足够使一架波音727停止运动。
(28)机械系统的替代
1)用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统。如在天然气中混入难闻的气体代替机械或电器传感器来警告人们天然气的泄露。
电磁推动器
弹壳
电磁铣
图5-28 脱壳装置
2)用电场、磁场及电磁场完成与物体的相互作用。如为了混合两种粉末，使其中一种带正电荷，另一种带负电荷。
3)将固定场变为移动场，将静态场变为动态场，将随机场变为确定场。
4)将铁磁粒子用于场的作用之中。
例 28 磁场移去弹性外壳(图5-28)
从成型机的轴上移去弹壳使用的电磁推动器是机械装置控制的推动器。这种装置可靠性低，而且弹壳经常被刺穿。
建议使用“机械替代”原理改善推动器的效率。用永久磁铁作为推动器放在磁场中提供推动力。反作用力由一个外部磁场(电磁铁)控制。
(29)气动与液压结构
A
A－A
膨胀壳
图5-29 充气夹具
物体的固体零部件可用气动或液压零部件代替，将气体或液体用于膨胀或减振。如车辆减速时由液压系统储存能量，车辆运行时放出能量。
例 29 充气夹具(图5-29)
怎么才能可靠地夹紧易碎件呢？
建议使用液动与气动原理及柔性壳和薄膜原理来发明一种夹具。在夹具主体的螺旋形或Z字形凹槽中缠绕一种能膨胀的外壳管子。提升负载时，夹具放在凹室中，向壳体内提供压缩空气。管子内部的压力使夹具与负载紧密接触，沿着螺旋管表面的摩擦力增加，负载被提升起来。
(30)柔性壳体或薄膜
空气压缩密封
松软货物
图5-30 松软货物的运输
保护过滤器
1)用柔性壳体或薄膜代替传统结构。如用薄膜制造的充气结构作为网球场的冬季覆盖物。
2)使用柔性壳体或薄膜将物体与环境隔离。如在水库表面漂浮一种由双极性材料制造的薄膜，一面具有亲水性能，另一面具有疏水性能，以减少水的蒸发。
例 压缩松软货物防止移动(图5-30)
将松软货物装在容器中运输时，容器移动，货物就有可能运动，因此导致容器失衡。而且，由于静电积累也可能发生爆炸。
建议使用柔性外壳和薄膜原理、反作用原理来解决这一问题。用弹性封套来密封松软物质，在下面产生真空。于是，封套在空气压力作用下紧紧地压在货物上。这样，可以阻止货物的大范围移动。
(31) 多孔材料
1)使物体多孔或通过插入、涂层等增加多孔元素。如在一结构上钻孔，以减轻质量。
可去除的织物层
紧固性
图5-31 钻石粘贴
2)如果物体已是多孔的，用这些孔引入有用的物质或功能。如利用一种多孔材料吸收接头上的焊料；利用多孔钯储藏液态氢。
例 用织物向轮子上粘贴钻石颗粒(图5-31)
如何在金属轮的外表面粘一层钻石颗粒？
建议采用“多孔材料”和“中介物”原理来解决。金属轮的表面用多孔材料(如织物)制成。将钻石粉末粘在由溶液稍微弄湿的织物上，再将钻石粉末通过镀镍固定(多孔织物可使电解液不溶解而通过)在轮子表面。织物可以用像丙铜类的溶剂溶解掉。这样将使得工艺过程变得更加简单，且提高质量。
(32)改变颜色
1)改变物体或环境的颜色。如在洗像的暗房中要采用安全的光线。
反射体
纤维
热辐射器
透明基座
图5-32 新型熨斗
2)改变一个物体的透明度，或改变某一过程的可视性。如采用透明绷带缠绕伤口，可以从绷带外部观察伤口变化的情况。
3)采用有颜色的添加物，使不易被观察到的物体或过程被察到。如为了观察一个透明管路内的水是处于层流还是紊流，使带颜色的某种流体从入口流入。
4)如果已增加了颜色添加物，则采用发光的轨迹。
例 轻便辐射熨斗(图5-32)
如何改善普通家用熨斗的设计？
建议使用改变颅色(透明)原理、改变维数原理来改善设计。用难熔的、透明的玻璃制成基座。被熨的织品直接通过热辐射加热，而不是通过金属基座加热。新设计的熨斗质量轻，加热快，能渗透到织品的整个表面。这样的熨斗既轻便，又节约时间。
(33)同质性
头

绕线
管状部分
塞子
楔子
图5-33 承载轴
采用相同或相似的物质制造与某物体相互作用的物体。如为了减少化学反应，盛放某物体的容器应与该物体用相同的材料制造。
例 承载轴的设计(图5-33)
某传动轴包括一个两端都有头部的管道和内部的一个线圈。由于两头部分材料的强度比内部线圈的强度低很多而使 得它的耐久性大大降低。
建议使用“同质性”原理来改善轴的设计。用和线圈同种材质来制作头部以消除耐久性问题。
(34)抛弃与修复
1)当一个物体完成了其功能或变得无用时，抛弃或修改该物体中的一个元件。如用可溶解的胶囊作为药面的包装；可降解餐具；子弹壳。
2)立即修复一个物体中所损耗的部分。如割草机的自刃磨刀具.
图5-34 铁轨防滑
消磁装置
金属尘埃
磁化装置
柴油机车
例 用铁粉代替沙子(图5-34)
为了防滑，通常在柴油机车车轮前面的铁轨上撒上沙子。然而，每次都要使用新沙子。而且沙子容易进入车轮的轴套中，加速摩擦。
建议使用铁粉代替沙子来防滑。磁化装置在撒铁粉前将铁轨磁化。消磁装置将铁轨和使用过的铁粉消磁，并将铁粉收回箱子。
(35) 参数变化
1)改变物体的物理状态，即使物体在气态、液态、固态之间变化。如使氧气处于液态，便于运输。
岩石颗粒

燃烧室
水管道

加速室

研磨颗粒
图5-35 研磨剂硬化
2)改变物体的浓度或粘度。如从使用的角度看，液态香皂的粘度高于固态香皂，且使用更方便。
3)改变物体的柔性。如用三级可调减振器代替轿车中不可调减振器。
4)改变温度。如使金属的温度升高到居里点以上，金属由铁磁体变为顺磁体；为了保护动物标本，需将其降温。
例 研磨剂硬化(图5-35)
在钻探过程中，高温喷嘴将研磨剂喷到岩石表面。研磨剂可以循环使用。然而，占于热作用研磨剂被软化，这样钻岩石的效率就很低。
建议使用改变参数原理来提高钻岩石的效率。为了硬化研磨剂并且适当地瓦解物质，用水来冷却研磨剂。冷却后再利用的研磨剂可以提高钻探效率。
(36)状态变化
在物质状态变化过程中实现某种效应。如合理利用水在结冰时体积膨胀的原理；热泵利用吸热散热原理。
弹簧圈
熔化位置
被熔化金属固定的弹簧末端
图5-36 弹簧端部固定方法
例 弹簧端部的固定(图5-36)
尽管设计者已经做出了各种努力，但是插入零件内的弹簧的末端仍随时可能脱落。
建议使用状态转换原理固定零件内弹簧的末端。在零件上做一个倒锥倾斜面的凹槽，其中用在一定温度下易熔金属填充，将弹簧末端覆盖。当金属冷却后，填充物即形成一个不能脱落的塞子，将弹簧末端固定于零件之中。
(37)热膨胀
控制系统
图5-37 热量测试仪
杠杆
化学反应热
反应物
1)利用材料的热膨胀或热收缩性质。如装配过盈配合
的两个零件时，将内部零件冷却，外部零件加热，之后装配在一起并置于常温中。
2)使用具有不同热膨胀系数的材料。如双金属片传感器。
例 热量测试仪(图5-37)
热量测试仪用来测量在化学反应期间里释放的热量。不过这种热量测试仪的反应速度不够快。
建议利用物质的热膨胀原理。热量测试仪敏感元件用长400μm、厚1.5μm的双金属板制成。在反应过程中，释放的热量将板加热，使板弯曲。控制系统用来决定板弯曲所需要的热量。这种热量测试仪的敏感度增加了5~10K。
粘性液滴
喷嘴
电极
氧化层
氧化空气
图5-38 在氧化空气中焊接
(38) 加速强氧化
使氧化从一个级别转变到另一个级别，如从环境气体到充满氧气，从充满氧气到纯氧气，从纯氧到离子态氧。
如为了获得更多的热量，焊枪里通入氧气，而不是用空气。
例 在氧化空气中焊接(图5-38)
如何防止金属液滴粘附到被焊的零件上？用特殊液体在零件表面上涂层有一个缺点，即当金属液滴落到涂层上时，涂层会分解成有毒物质。
图5-39 清洁过滤器
CO清洁装置
粉尘
过滤器
纯CO
提取通道
氮
含灰尘的CO
建议使用强氧化剂原理来提高焊接工艺的安全性。在焊接区域内提供氧(或氮)，炽热的溅落的液滴会被覆盖上一层氧化粘性液滴物(或氮化物)。这既可以防止液滴粘附在零件上，又可以使焊接工艺无毒。
(39)惰性环境
1)用惰性环境代替通常环境。如为了防止炽热灯丝的失效，让其置于氩气中。
2)让一个过程在真空中发生。
例 清洁过滤器(图5-39)
在冶金生产中，往往使用从熔炉气体中分离出的一氧化碳在燃烧室中燃烧来加热水和金属。在给燃挠室供气之前，应先将灰尘过滤掉。如果过滤器被阻塞，就应该使用压缩空气将灰尘清除。然而，这样形成的一氧化碳和空气的混合物容易发生爆炸。
建议使用惰性气体代替空气。例如，将氮气通过过滤器以保证过滤器的清洁和工作过程的安全。
(40)复合材料
玻璃复合轮缘
铝合金轮辐
图5-40 超级飞轮
将材质单一的材料改为复合材料。如玻璃纤维与木材相比较轻，其在形成不同形状时更容易控制。
例 超级飞轮(图5-40)
为了提高飞轮积聚特殊能量的特性，应当使用密度低、强度高的材料来制造飞轮。
建议飞轮的轮缘用玻璃复合材料。这种材料比金属合金的密度低，但强度能满足要求。这种飞轮积聚的特殊能量将达4000kJ/kg。
上述这些原理都是通用发明原理，未针对具体领域，其表达方法是描述可能解的概念。如几个原理建议采用柔性方法，问题的解要涉及到在某种程度上改变已有系统的柔性或适应性，设计者根据该建议提出已有系统的改进方案，这将有助于问题的迅速解决。还有一些原理范围很宽，应用面广，既可应用于工程，又可用于管理、广告和市场等领域。
3. 解决物理矛盾的创新原理
(1)矛盾特性的空间分离
例 采矿的过程中为了遏制粉尘，需要微小水滴，但微小水滴产生雾，影响工作。建议在微小水滴周围混有锥形大水滴。
(2)矛盾特性的时间分离
例 根据焊缝宽度的不同，改变电级的宽度。
(3)将不同系统或元件与一超系统相连
例 传送带上的钢板首尾相连，以使钢板端部保持温度。
(4)将系统改为反系统，或将系统与反系统相结合
例 为防止伤口流血，在伤口处缠上绷带。
(5)系统作为一个整体具有特性B，其子系统具有特性－B
例 链条与链轮组成的传动系统是柔性的，但每一个链节是刚性的。
(6)微观操作为核心的系统
例 微波炉可代替电炉等加热食品。
(7)系统中一部分物质的状态交替变化
例 运输时氧气处于液态，使用时处于气态。
(8)由于工作条件变化使系统从一种状态向另一种状态过渡
例 形状记忆合金管接头，在低温下管接头很容易安装，在常温下不会松开。
(9)利用状态变化所伴随的现象
例 一种输送冷冻