创新设计课题.docx

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创新设计课题

河南工学院

创新思维与方法-TRIZ理论

工程课题信息表

课题名称：

运用提高思想度法则创新塑钢复合排水管材

姓名：

殷常伟学号：

140315227班级：

供电142

系部：

电气工程系专业：

供用电技术

填表日期：

2016.5

指导教师：

顾冬冬

填表说明

本表填写内容分为两个阶段：

选题阶段和答辩阶段。

选题阶段是指完成两期培训课程后，学员选定要解决的工程课题，并对问题进行初步的分析，此阶段学员填写前三项内容，并交由指导教师进行初步评审，评审通过后方可进行解决问题的方法实训阶段，按期解决问题并进行答辩，答辩前填写第四项内容，第五项由答辩组根据学员答辩情况，对学员的学习效果进行客观的评价。

1.摘要要求概括问题的背景、现象、产生的条件、根本原因、解决思路和拟解决的方案（答辩前将解决方案修改为最终方案）。

2.问题分析与描述包括以下几个方面的内容：

（1）问题背景（对所要研究的问题进行背景介绍，包括国内外现状以及当前的研究热点。

）

（2）问题描述（具体描述问题的现象、发生条件。

）

（3）问题分析（应用创新方法中的分析工具对问题进行深入分析，找到问题产生的根本原因。

）

（4）发明问题确定（根据分析结果，确定要解决的关键点，并定义为发明问题。

）

注：

问题分析与描述过程中要求分析透彻、图文并茂，以便清晰阐述问题。

3.拟采取的解决方案内容要求学员根据第二项内容，初步选择解决问题的工具，制定解决问题的流程，并确定解决问题的初始方案，具体内容要求如下：

（1）拟采用的创新理论要求学员根据问题，初步选择合理的问题解决工具，按照一定的流程来解决问题，得到拟解决问题的原理解。

（2）初步解决方案要求学员根据拟解决问题的原理解，结合领域知识，确定初始的问题解决方案。

（3）指导教师意见由教师填写，对学员的分析过程和结果进行评判，确定选题是否符合要求，并给出具体指导意见。

4.最终问题解决方案内容要求学员应用创新方法解决问题并完成设计后，归纳解决问题的工具和流程，详细论述问题解决方案，具体内容要求如下：

（1）采用的创新理论要求学员按照解决问题过程，分步骤、详细说明如何应用创新方法来解决问题。

（2）最终解决方案要求学员详细论述如何根据解决问题的原理解，结合领域知识，确定问题解决方案并完成设计。

（3）指导教师意见由教师填写，从创新设计的角度对学员的分析过程和结果进行评判，确定问题解决过程是否规范以及对学员的创新成果给出具体客观的评价。

5.答辩情况是对学员完成培训后，对应用创新方法解决问题的总体评价。

答辩成绩包括个人陈述和答辩委员会提问两部分，个人陈述要求叙述问题清晰，解决问题的方法合理，最终设计方案可行。

答辩委员会根据其答辩情况作出评价。

免责声明

本课题作为创新方法培训实践环节考核使用，研究成果申报人可以申请专利或发表学术论文。

为了保证课题的正常开展，课题申报者需作以下保证：

1．本课题内容不危害国家安全，符合国家法律，不存在任何违法内容。

2．本课题不涉及国家机密。

3.本课题不涉及任何个人和企业团体的技术秘密。

4．在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当使用本课题的内容用于学术活动。

5.以上内容如有违反，由申报人本人负责。

申报人签字：

殷常伟

2016年5月28日

1.基本信息

工程课题名称

运用提高思想度法则创新塑钢复合排水管材

所属领域

机械领域

开题时间

2016年5月

课题摘要

本文从运用提高理想度法则为切入点，以塑料管、镀锌钢管为实例，提高理想度、建立理想模型、探求理想解，确定技术矛盾，使用矛盾矩阵表选择创新原则，再用专业技术理论进行方案设计。

关键词：

提高理想度 解决技术矛盾 塑钢复合理论 污水管材

2.问题描述与分析

（1）问题背景

随着国家环境保护力度的加大，传统的水泥管正在逐步退出市场，上世纪90年代后期，新型替代产品--各类环保排水管材开始在工程上应用。

在排污管道领域，应用较多是塑料管，如PVC双壁波纹管、PE双壁波纹管、HDPE缠绕结构壁管。

近几年，采用欧州瑞士与美国技术制做的镀锌螺旋钢管开始进入国内市场，广泛应用于通风，雨水管道系统中，由于受防腐性能限制，还没有大量进入污水管道工程。

2.问题描述与分析

（2）问题分析

分析以上两类管材的性能差别，主要是由于材质不同，所以两类管材性能上具有的优势不同，镀锌螺旋钢管优点是环刚度较大，耗材较少，不足是防腐性能一般，并且不耐磨损；塑料管优点是耐腐蚀、耐磨损，但环刚度提高受限，耗材较多。

污水管道系统要求管材具有较高的可靠性，由于管材要承受静荷载、动荷载，所以要求管材要具有较高的环刚度；由于污水具有一定的酸碱度并拌有沙土等，所以要求管材既要耐腐蚀，又要耐磨损。

从刚度角度讲，使用钢管有优势，但要耐腐蚀，必须增加管壁厚度，刚度与耗材料矛盾突出；从耐腐蚀耐磨损角度讲，使用塑料管有优势，但当口径超大到一定值时，刚度与耗材矛盾突出。

污水管材的理想度=  可靠性（刚度+耐腐蚀）/ 材料消耗+磨损+有害介质

2.问题描述与分析

提高理想度

污水管道系统要求管材具有较高的可靠性，由于管材要承受静荷载、动荷载，所以要求管材要具有较高的环刚度；由于污水具有一定的酸碱度并拌有沙土等，所以要求管材既要耐腐蚀，又要耐磨损。

从刚度角度讲，使用钢管有优势，但要耐腐蚀，必须增加管壁厚度，刚度与耗材料矛盾突出；从耐腐蚀耐磨损角度讲，使用塑料管有优势，但当口径超大到一定值时，刚度与耗材矛盾突出。

 污水管材的理想度=  可靠性（刚度+耐腐蚀）/ 材料消耗+磨损+有害介质

建立理想模型

理想化是科学研究中创造性思维的基本方法之一。

理想化方法最为关键的部分是思想实验，或称理想实验。

理想化方法的另一个关键部分是如何设立理想模型。

理想模型建立的根本指导思想是最优化原则，即在经验的基础上设计最优的模型结构，同时也要充分考虑到现实存在的各种变量的容忍程度，把理想化与现实性结合起来。

理想中的优化模型往往具有超前性，这是创新的标志。

但是超前性只有在现实条件所容许的情况下，其模型的构造才具有可行性。

建立理想模型：

一种管材，既具有钢管的高刚度性能，又具有塑料管的耐腐蚀、耐磨损性能。

3.拟采取的解决方案：

拟采用的创新理论

1以塑料管为例

塑料管要提高环刚度，就要增加耗材，技术矛盾是既要提高管材强度，单位重量还要下降。

以强度为改善的参数，以运动物体的重量为恶化的参数，交叉之处有4个创新原则--即1号、8号、15号、40号可供选择。

创新原则分析与选用

1号分割原则：

⑴将物体分成独立的部分。

⑵使物体成为可拆卸的。

⑶增加物体的分割程度。

8号反重量原则：

⑴将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消基重量。

⑵将物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作用以抵消其重量。

15号动态原则：

⑴物体（或外部介质）的特性的变化应当在每一工作阶段都是最佳的。

⑵将物体分成彼此相对移动的几个部分。

⑶使不动的物体成为动的。

40号复合材料原则：

用复合材料替代单一材料。

分析后，选择40号创新原则—复合材料法。

2以镀锌钢管为例

镀锌螺旋钢管本身强度好，但不耐腐蚀，不耐磨损，可靠性下降，至使使用寿命降低，因此要改善耐腐蚀、耐磨损性能，即提高可靠性，就要增加镀锌层和钢板厚度，使运动物体重量向恶化方向发展。

技术矛盾为可靠性与运动物体重量，查技术矛盾基本特性参数表，可得出3号、8号、10号、40号创新原则供选择。

3号局部性质原则:

⑴从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构。

⑵使物体的不同部分具有不同的功能。

⑶物体的每部分均应具备最适于它工作的条件。

8号反重量原则：

⑴将物体与具有上升力的另一物体结合以抵消基重量。

⑵将物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作用以抵消其重量。

10号预先作用原则：

⑴预先完成要求的作用（整个的或部分的）。

⑵预先将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立即完成所起的作用。

40号复合材料原则：

用复合材料替代单一材料。

3.拟采取的解决方案：

3塑钢复合理论依据

高密度聚乙烯（HDPE）性状:

密度为0.941～0.970g/cm3，熔点131℃，有较好的耐磨性、耐寒性、透气性、不透水性、耐化学药品性、电气绝缘性、耐应力开裂性、硬度和机械强度，较高的结晶度，软化点和使用强度，在室温下几乎不溶于任何有机溶剂。

在空气中加热或在日光照射易老化作用。

HDPE具有很好的抗冲击性、耐腐蚀性在埋地应用上倍受欢迎，然而由于它较低的弹性模量值，使其在用于大口径管道时，遇到一个不可克服的瓶颈--管环刚度无法提升到符合要求。

按照ISO的定义，环刚度由下式表述：

SN=EI/D3当直径D增加1倍，环刚度SN要降低8倍。

因而做2000㎜口径的管与做500㎜口径的管技术上的难度不可同日而语。

因为直径D增加了4倍使得环刚度减少64倍。

若要保持环刚度SN不变，必须通过增加截面惯性矩I或材料弹性模量E至相当倍数，以抵消直径增加的影响。

而单靠增加I值是不现实的，因为几十倍I值的增加，意味着材料成本成数十倍的增加，同时当I值增加到一定程度时工艺技术必遭遇难以实现的问题。

故必需同时在提升E值方面做文章，才能实现SN值的保持。

钢材的高弹性模量刚好使它能够担此重任。

以下是钢与HDPE的弹性模量比较。

                     钢与HDPE的弹性模量比较表

材料

短期弹性模量Eb

长期弹性模量Ebl

HDPE（PE63）

758MPa

110Mpa

钢

20700MPa

20700MPa

可见长期条件下，钢的弹性模量是HDPE的近200倍。

钢的这一卓越性能是钢塑复合的理论基础。

4.最终问题解决方案：

（1）采用的创新理论

提高理想度、建立理想模型、探求理想解，确定技术矛盾，使用矛盾矩阵表选择创新原则，再用专业技术理论进行方案设计。

（2）最终解决方案

以金属材料与高分子材料复合理论为指导，采用二层共挤技术复合压延工艺，制成塑料（PVC、PE、PP）膜，再与镀锌钢板采用熔融粘贴的工艺制成塑钢复合板材，再以塑钢复合板材为原材料，在专用成管设备上制成塑钢复合螺旋波纹管材。

图示说明：

1镀锌铝合金钢板2塑料片层3黏结层

5.指导教师意见：

导教师签字：

年月日

6.综评成绩：