張娜，趙家堃，于振環(huán)

1.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校機械工程學(xué)院，吉林長春 130011;2.長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校汽車工程學(xué)院，吉林長春 130011

0 引言

當今社會，科技進步日新月異，高科技成果向現(xiàn)實生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化越來越快。國家和民族的發(fā)展離不開創(chuàng)新精神，高職院校學(xué)生更應(yīng)該具備創(chuàng)新的基本素質(zhì)。創(chuàng)新是指以突破慣有的思維模式提出超越現(xiàn)實規(guī)律的思路為導(dǎo)向，利用現(xiàn)有的理論與方法，本著理想化需要或為滿足社會需求，在特定的環(huán)境中，將事物的某一特性或用途完善，并獲得一定有益效果的行為。

人力資源和社會保障部印發(fā)《“技能中國行動”實施方案》，在“十四五”期間，明確通過實施技能中國行動的提出，實現(xiàn)新增技能人才4 000萬人以上。高職院校的教學(xué)水平受到了更大的挑戰(zhàn)，學(xué)生的綜合職業(yè)能力是衡量高職院校辦校水平的重要指標。而創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力則是技能人才適應(yīng)科技高速發(fā)展的必要條件，高水平技能人才應(yīng)不滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)方式、方法、工具、材料或是物品，敢于探索新的規(guī)律和方法，具有自己獨特的創(chuàng)新方法和手段。

因此，高職院校對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關(guān)重要，也是國家實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、促進經(jīng)濟提質(zhì)增效的迫切要求[1]。

1 TRIZ創(chuàng)新理論

TRIZ(theory of inventive problem solving)創(chuàng)新理論，即為“發(fā)明問題解決理論”[2]。21世紀以來，研究TRIZ的高校、學(xué)術(shù)組織以及創(chuàng)新企業(yè)逐漸增多，TRIZ的傳播和發(fā)展處于高速發(fā)展階段，該理論正處于發(fā)展的黃金期。TRIZ作為一種高效的創(chuàng)新方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，工程技術(shù)領(lǐng)域涉及較多，并已逐步向其他領(lǐng)域滲透和擴展，例如醫(yī)療行業(yè)、汽車行業(yè)、工業(yè)、微電子以及教育方面均有應(yīng)用案例。國內(nèi)已有多名大學(xué)生運用TRIZ理論，得到了高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品，并取得專利的成功案例。

將TRIZ理論融入教學(xué)，使高職學(xué)生的創(chuàng)新想法得以實現(xiàn)，縮短開發(fā)周期，拓寬創(chuàng)新性思維，幫助學(xué)生解決問題建立、問題定義、問題解決的流程[3-4]。產(chǎn)品的創(chuàng)新適用于多個領(lǐng)域，包括模糊前端(fuzzy front end,FFE)、新產(chǎn)品開發(fā)(new product development,NPD)及商品化(commercialization)3個階段，如圖1所示[5]。TRIZ創(chuàng)新理論在每一階段都有適合的解決方案進行產(chǎn)品改善，可以通過對理想解、最小問題、技術(shù)沖突、物理沖突、聰明小人法、標準解等解決創(chuàng)新難題[6]。

圖1 產(chǎn)品創(chuàng)新過程模型

2 創(chuàng)新實踐培養(yǎng)模式

2.1 創(chuàng)新問題的提出

隨著國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和“雙高計劃”項目的實施，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育在高職院校的推廣持續(xù)向更大范圍、更高層次和更深程度推進[1]。由于國家和政府的高度重視，高職院校也不斷鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，但學(xué)生們的產(chǎn)出并不高，究其根本，最重要的原因之一是高職學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)問題。

無思路是高職學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)遇到的最大瓶頸，傳統(tǒng)的教學(xué)是教師提出一個待解決問題，讓學(xué)生通過小組討論、頭腦風(fēng)暴法或是其他教學(xué)手段來完成創(chuàng)新方法的設(shè)計。然而在“創(chuàng)新”中，“創(chuàng)”表明了“新”實現(xiàn)的困難，即需要經(jīng)歷一個開拓性的過程[5]，高職學(xué)生恰恰在這一點上遇到的困擾較多，致使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)沒有突破口。TRIZ創(chuàng)新理論可以解決模糊前端是怎樣產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)想和創(chuàng)新設(shè)想如何選擇的問題，通過該理論的植入和練習(xí)，大大提高了高職學(xué)生的創(chuàng)新問題產(chǎn)出率，拓寬了學(xué)生思維的廣度和深度。

2.2 創(chuàng)新問題的解決方法

TRIZ創(chuàng)新理論是在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，提取專利中蘊含的解決發(fā)明問題的原理及其規(guī)律性之后總結(jié)出來的。所以TRIZ解決創(chuàng)新問題的方法較多，包括矛盾矩陣法、技術(shù)系統(tǒng)進化法則、九屏幕法、STC算子法、金魚法、小人法、最終理想解法、資源分析法、ARIZ算法以及因果分析法等。TRIZ的多樣性為學(xué)生解決創(chuàng)新問題提供了思路和方法，通過運用不同創(chuàng)新手段可以獲得多種創(chuàng)新解，大大提高了解決創(chuàng)新問題的效率，打開了創(chuàng)新的思路。

高職學(xué)生在學(xué)習(xí)生產(chǎn)中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些實踐性問題，但因方法論的限制，無法評估、檢測和解決遇到的特殊工況，為分析解決現(xiàn)實工況困擾，必會進行生產(chǎn)的創(chuàng)新改進。并且高職學(xué)生在創(chuàng)新設(shè)計過程中往往會遇到“有想法、沒辦法”的現(xiàn)象，原始的頭腦風(fēng)暴法、試錯法、形態(tài)分析法等常用創(chuàng)新方法與TRIZ方法的不同，TRIZ理論是建立在科學(xué)和技術(shù)方法基礎(chǔ)上的專門工具，涵蓋創(chuàng)新思維的內(nèi)涵、特征及發(fā)展過程。TRIZ的引入，可以使學(xué)生掌握一套成熟的創(chuàng)新方法，引導(dǎo)學(xué)生得出滿足實際需求的創(chuàng)新解，彌補高職學(xué)生創(chuàng)新能力的不足。同時可以解決高職學(xué)生專業(yè)實踐教學(xué)部分的課程設(shè)計、綜合實訓(xùn)、創(chuàng)新大賽、畢業(yè)設(shè)計與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等教學(xué)環(huán)節(jié)中“創(chuàng)新”的核心問題。

2.3 創(chuàng)新實踐的實施路徑

創(chuàng)新的思維兼具匠人的精神，是新一代高職高專學(xué)生應(yīng)具備的素質(zhì)，將課程思政融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，在對學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的同時，通過習(xí)近平新時代中國特色社會主義理論的灌輸以及職業(yè)道德教育，積極培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)精神[7]。

創(chuàng)新的想法還要依托有限元仿真和試驗來驗證，利用有限元理論，將抽象、不可視的以及難以理解的微觀原理，以可操作、可視化的形式在Adina、Abaqus等有限元軟件中展現(xiàn)，可以突破高職教學(xué)中微觀力學(xué)理論講解的教學(xué)困境，推進高職汽車類專業(yè)理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，以此為范式，可以推廣到其他專業(yè)以及其他領(lǐng)域相關(guān)專業(yè)。

2.4 創(chuàng)新設(shè)計模型庫的建立

2.4.1 深入企業(yè)調(diào)研

進入汽車相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)一線和研發(fā)中心進行調(diào)研，獲取汽車零部件制造過程中在模具設(shè)計、加工制造、樣件檢測及批量生產(chǎn)等環(huán)節(jié)過程中遇到的常見問題，形成來自企業(yè)的“生產(chǎn)問題庫”。

2.4.2 搜集競賽資料

搜集全國職工技能大賽模具工賽項、全國機械行業(yè)職業(yè)院校技能大賽、模具智能制造技術(shù)綜合應(yīng)用技能大賽、高職技能大賽模具數(shù)字化設(shè)計與制造工藝賽項等競賽的試題以及歷年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的案例，進行整理歸納，形成“競賽問題庫”。

2.4.3 模型的建立

針對問題庫中的問題，應(yīng)用TRIZ理論，清楚分析各種創(chuàng)新思維方法的優(yōu)勢，能夠熟練選擇并應(yīng)用各個創(chuàng)新方法，提出ARIZ算法建立模型，理清解決復(fù)雜問題的思路。

2.4.4 模型庫的建立

針對問題庫，制作相應(yīng)的“設(shè)計模型庫”，并根據(jù)不同學(xué)科建設(shè)設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方案。

3 TRIZ創(chuàng)新能力培養(yǎng)實踐案例

3.1 創(chuàng)新問題的提出與表述

3.1.1 具體問題描述

汽車懸架是車輛系統(tǒng)的重要組成部件，減振器是懸架系統(tǒng)的主要部件[8-9]，其核心作用是抑制彈簧沖擊所造成的彈力振動的吸收。車輛在行駛中，減振器簧上質(zhì)量由彈簧承擔(dān)，彈簧下托盤支撐來自彈簧的沖擊。所以，保證托盤的抗沖擊性對車輛安全起著至關(guān)重要作用?？梢岳脛?chuàng)新實踐理論，對減振器下托盤分析，最終得到創(chuàng)新解。

經(jīng)系統(tǒng)問題描述，得出待解決的問題為：彈簧托盤強度問題。

3.1.2 減振器功能描述

減振器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 減振器整體結(jié)構(gòu)

分離并分析車輛減振系統(tǒng)部分功能組件，將其功能綜合起來，描述各元件之間的關(guān)系，對系統(tǒng)進行功能建模[10]。減振器系統(tǒng)元件分析見表1。

表1 減振器系統(tǒng)元件分析

通過對減振器系統(tǒng)元件的功能分析，得出托盤耐久性不足是由于彈簧的反復(fù)沖擊造成的。托盤的主要失效形式是變形或斷裂，應(yīng)分別確認托盤的各連接點功能,即分析彈簧與托盤之間的作用關(guān)系。

3.2 分析問題模型

3.2.1 定義技術(shù)矛盾(technical contradictions，TC)

TC1:如果減小彈簧對托盤的應(yīng)力，會提高托盤的耐久性，但是會改變懸架的剛度，直接影響車輛的操穩(wěn)性。

TC2：如果增加彈簧對托盤的應(yīng)力，會降低托盤的耐久性，但是會滿足懸架剛度的需求，保證車輛的操穩(wěn)性。

3.2.2 利用創(chuàng)新原理表解決問題

向著解決系統(tǒng)問題的方向進行，由于導(dǎo)致最終問題形成的原因是應(yīng)力過大，將TC1定義為主要技術(shù)矛盾，即降低托盤所受應(yīng)力，提高其可靠性。

通過TRIZ理論Matrix2003對應(yīng)的創(chuàng)新原理表，得到欲改善工程特性對應(yīng)的創(chuàng)新原理，即預(yù)改善特性設(shè)定為托盤與彈簧接觸處局部區(qū)域受力問題、托盤可靠性問題以及系統(tǒng)安全性問題，欲改善的特性對應(yīng)的創(chuàng)新原理見表2。

表2 欲改善的特性對應(yīng)的創(chuàng)新原理

通過表2可知，創(chuàng)新原理NO.3、NO.10、NO.13、NO.1和NO.28的出現(xiàn)率較高。通過系統(tǒng)分析得知，NO.3、NO.10和NO.13比較適合該矛盾的改造。Matrix2003矛盾矩陣創(chuàng)新原理及其具體內(nèi)容見表3。

表3 Matrix2003矛盾矩陣創(chuàng)新原理及其具體內(nèi)容

3.3 創(chuàng)新結(jié)論提出

原理應(yīng)用：托盤所受應(yīng)力減小，會增加其使用壽命，但是應(yīng)力減小會影響減振系統(tǒng)的使用；若應(yīng)力增大，會損壞托盤，增加有害功能。

預(yù)先作用原理分析：預(yù)先對物體(全部或部分)施加必要的改變，可將托盤在安裝前做局部質(zhì)量的改變。即為了防止彈簧與托盤接觸處破壞托盤結(jié)構(gòu)，可以在將托盤局部加厚，降低受損危險。

反作用原理分析：設(shè)定一種相反的方式來制造或執(zhí)行，可以以一種相反的思路來分析托盤，不增加托盤厚度，反而將其厚度減小。

局部質(zhì)量原理分析：將物體、外部環(huán)境或作用的均勻結(jié)構(gòu)變?yōu)椴痪鶆虻?，即可以在托盤上進行打孔處理，可分散其單位面積所受應(yīng)力。

3.4 有限元仿真驗證

為確認以上嘗試的可應(yīng)用性，幫助學(xué)生利用ABAQUS的隱式動態(tài)有限元分析法來仿真。計算機仿真在教學(xué)中的應(yīng)用，既可驗證創(chuàng)新想法的可靠性，又可以讓同學(xué)們直觀地觀察到零件受力的變化。

為避免網(wǎng)格尺寸大小不一致造成的精度缺失，對模型中的倒角和小圓角進行過濾處理，同時對實物模型提取中性面，以提高網(wǎng)格的計算精度。圖3和圖4分別為減振器托盤優(yōu)化前和優(yōu)化后的中性面有限元模型。

圖3 減振器托盤優(yōu)化前的中性面有限元模型

圖4 減振器托盤優(yōu)化后的中性面有限元模型

減振器托盤優(yōu)化前后位移云圖如圖5和圖6所示。由圖可知，位移變形量出現(xiàn)在載荷施加處，說明有限元分析結(jié)果是正確的，且優(yōu)化后的位移比優(yōu)化前位移值小。

圖5 減振器托盤優(yōu)化前位移云圖

圖6 減振器托盤優(yōu)化后位移云圖

圖7和圖8分別為減振器托盤優(yōu)化前后壓力云圖。由圖可知，減振器托盤壓力變大處在力矩最大位置，說明仿真結(jié)果是正確有效的，且優(yōu)化后的壓力比優(yōu)化前壓力略顯分散，壓力值略低。

圖7 減振器托盤優(yōu)化前壓力云圖

圖8 減振器托盤優(yōu)化后壓力云圖

最終實施方案：結(jié)合工廠的生產(chǎn)實際，從成本、經(jīng)濟效益、副作用和加工難度等，對上述8個方案進行評估，在托盤上進行打孔的方案副作用小，并且可以降低原料成本，提升理想化水平。

經(jīng)過以上創(chuàng)新設(shè)計方法的提出和有限元仿真結(jié)果顯示，該創(chuàng)新方案可進行臺架試驗驗證，其試驗設(shè)備如圖9所示，耐久試驗后，試驗件的彈簧托盤均沒有破壞和裂縫。圖10為減振器托盤試驗后滑柱各零件，由圖可看出各零件保持完好。說明優(yōu)化后的減振器托盤滿足試驗?zāi)途脧姸纫蟆?/p>

圖9 減振器托盤耐久試驗設(shè)備

圖10 減振器托盤試驗后滑柱各零件

該創(chuàng)新案例已完成臺架試驗并應(yīng)用到很多車型的減振器托盤，進行批量生產(chǎn)。整個設(shè)計過程均利用創(chuàng)新實踐方式提出創(chuàng)新問題的思路和解決創(chuàng)新矛盾點，最終得到創(chuàng)新解。

4 結(jié)論

通過有限元仿真與TRIZ理論教學(xué)資源的深入推廣，使高職學(xué)生和新入職教師解決問題能力和專業(yè)技能得到顯著提升。

(1)建立產(chǎn)品創(chuàng)新過程模型，系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生提出創(chuàng)新問題、分析創(chuàng)新方法和生產(chǎn)創(chuàng)新型產(chǎn)品的能力。

(2)“設(shè)計模型庫”的建立為高職院校提供新的思路，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程的建立提供完備的素材。

(3)利用Abaqus的隱式動態(tài)有限元分析法來驗證創(chuàng)新想法，得到最優(yōu)創(chuàng)新解。

結(jié)果表明，有限元仿真與TRIZ理論的結(jié)合可實現(xiàn)仿真教學(xué)與創(chuàng)新實踐的無縫對接，可為高職院校仿真實踐教學(xué)提供重要的參考價值。