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Chinese Journal of Engineering Design  2026, Vol. 33 Issue (3): 301-314    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.224
Theory and Method of Mechanical Design     
Research on failure prediction based on mechanism models and inverse application of TRIZ tools
Runze XUE(),Huangao ZHANG(),Miaomiao ZHANG,Sai WANG
National Engineering Research Center for Technological Innovation Method and Tool, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China
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Abstract  

Anticipatory failure determination (AFD) is a failure prediction method used to identify deficiencies and hidden risks in product design during design or manufacturing stages, serving as a powerful tool to enhance product reliability. Current AFD mainly define scenarios of successful realization of product functions at a macro level and give insufficient attention to the underlying mechanisms that drive functional realization, which affects the rationality and accuracy of failure prediction. Furthermore, the existing studies for function reversal and standard-solution reversal predominantly adopt direct semantic reversal to generate failure scenarios, which leads to relatively simplistic reversal methods. To address these issues, firstly, a mechanism-based failure prediction approach was proposed. In this approach, the mechanism model of the product was extracted, the mathematical or physical expressions of the mechanism model were used to query potential failures, and the integrated mechanism model was simulated by Simulink software to effectively query failure modes of the product. Secondly, the reversal forms of functions and standard solutions were added based on the substance-field model, and a method for obtaining failure events by reverse application of inventive principles in TRIZ (Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch) was proposed, forming a new path to obtain failure events. Finally, an AFD prediction process combining mechanism models and the reverse application of TRIZ problem-solving tools was established, and the failure prediction for a passive power-damping boring bar was conducted to verify the feasibility of this method. The proposed method improves the acquisition way of failure scenarios based on the traditional AFD process, effectively enhancing the rationality and accuracy of failure mode prediction, which has significant theoretical insights and practical engineering value for improving product design reliability.



Key wordsanticipatory failure determination      mechanism model      TRIZ      failure prediction     
Received: 21 October 2025      Published: 27 June 2026
CLC:  TH 122  
Corresponding Authors: Huangao ZHANG     E-mail: 1776364187@qq.com;zhgzwy@hebut.edu.cn
Cite this article:

Runze XUE,Huangao ZHANG,Miaomiao ZHANG,Sai WANG. Research on failure prediction based on mechanism models and inverse application of TRIZ tools. Chinese Journal of Engineering Design, 2026, 33(3): 301-314.

URL:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/10.3785/j.issn.1006-754X.2026.05.224     OR     https://www.zjujournals.com/gcsjxb/Y2026/V33/I3/301


基于机理模型和TRIZ工具逆用的失效预测研究

预期失效分析(anticipatory failure determination, AFD)是一种在设计或制造阶段发现产品设计的不足和隐患的失效预测方法,是提高产品可靠性的强有力工具。现有的AFD主要从宏观角度设定产品功能成功实现的情景,缺乏对产品功能实现机理的关注,从而影响失效预测的合理性和准确性。此外,现有研究针对功能反转与标准解反转多为直接采用语义反转后形成失效情景,反转方式比较单一。针对上述问题,首先,提出了结合机理模型的失效预测方法,在提取产品机理模型的基础上,使用表达机理模型的数学或物理公式进行潜在失效査询,并使用Simulink软件对整体机理模型进行仿真,以有效查询产品的失效模式。然后,基于物质-场模型增加功能与标准解的反转形式,并提出了基于逆用TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch,发明问题解决理论)中发明原理的失效事件获取方法,形成了失效事件获取的新途径。最后,建立了结合机理模型和TRIZ解题工具逆用的AFD预测流程,并以被动式动力减振镗杆失效预测为例,验证了该方法的可行性。所提出的方法在传统AFD流程的基础上,改进了失效情景获取方式,能够有效提高失效模式预测的合理性和准确性,这对提升产品设计的可靠性具有重要的理论意义与工程应用价值。


关键词: 预期失效分析,  机理模型,  发明问题解决理论(TRIZ),  失效预测 
Fig.1 Core idea of AFD
步骤内容
1. 明确表述初始问题对系统进行命名,说明系统设计目的,描述系统已经发生的失效
2. 确定成功模式按阶段列出想要实现的功能及其成功实现的结果
3. 确定失效模式根据成功模式进行逆向提问,找出所有可能的失效模式
4. 阐明和放大逆向问题转化为发明问题——询问“如何做某些事可使某些失效发生”,并在空间和时间上放大
5. 寻求解决方案根据逆向问题,利用系统中和系统周围的资源搜索可能产生该问题的明显解
6. 明确表述解决方案并设计验证实验根据解决方案,生成合理的改进措施,并设计可执行的结构以进行验证
7. 消除潜在失效若已验证的方案能够消除潜在失效,则将其列为改进措施,并对原系统进行结构优化
Table 1 AFD-2 template
Fig.2 AFD method integrated with product functions
名称图形表达解释举例反转描述
有效完整功能该功能的3个元件均存在且有效,是设计人员所追求的作用钉子S2利用(借助/依靠)机械场F钉入了木板S1钉子钉入木板(功能载体、作用、功能对象)
功能丧失

① 元件缺少,导致无法行使功能

② 元件性质损坏,导致无法行使功能

① 缺少机械场F,钉子S2不受力,无法钉入木板S1

② 钉子S2尖锐部分受损,即使受到力也无法钉入木板S1

钉子无法钉入木板(功能载体、无法作用、功能对象)
Table 2 Function reversal form
Fig.3 Parameter tracing for single function based on mechanism model
分割原理表述反转表述
将一个系统或物体分解成相互独立的子系统或子部分

1)不将一个系统或物体分解成相互独立的子系统或子部分,而是维持整体、统一的状态

2)将相互独立的子系统或子部分重新组合成一个整体(若之前为分解状态),或将原本完整的系统或物体进一步合并或融合,使其内部结构更加紧密,以减少或消除原有的独立性特征

3)将一个系统或物体分解成相互影响的子系统或子部分

使一个系统和物体易于组装和拆卸

1)使系统和物体变得难以组装和拆卸

2)不使系统和物体易于组装和拆卸

增加物体相互独立部分的程度

1)不增加物体相互独立部分的程度,保持现有的关联紧密程度

2)降低物体相互独立部分的程度,使原本相对独立的部分相互连接更紧密或更具整体性

3)增加物体相互影响部分的程度

Table 3 Reversal situation of segmentation principle
Fig.4 Model expression for standard solution 1
Fig.5 Failure prediction process of improved AFD
Fig.6 Schematic diagram of passive power-damping boring bar structure
元件减振块阻尼液刀片工件
减振块
阻尼液摩擦
刀头固定
刀片镗削
工件振动
卡盘夹持
主轴旋转
Table 4 Interaction table of each component in damping boring bar (part)
类别资源内容
物质资源系统及其所处环境中的物质(材料、介质、工艺过程及其产物,以及由设计与制造过程决定的结构形式、公差与配合、装配关系)
场资源系统及其所处环境中的场(力场、热场、电场、磁场)
空间资源系统内部及其所处环境中未被占用的空间(装配间隙、位置偏差、几何误差)
时间资源可被用来改善系统操作的时间区间(启动时间、运行时间、停机时间、响应时间)
信息资源描述系统、元件及其所处环境状态的所有信息(监测数据、状态参数、反馈信号)
功能资源系统及其所处环境执行额外功能的能力(冗余功能、潜在有害功能)
Table 5 Common resource classification
达到反转理想状态的假想方法运用可用资源验证每一种假想方法是否能实现失效原因得到潜在失效模式
刀片损坏

刀片材质性能不足;

工件材质过硬

刀片材质过差,使用时间过长未及时更换;未选择与工件硬度适配的刀片刀片在运行中被磨损或折断,无法镗削工件
镗杆折断

镗杆材质脆弱;

镗杆过长

镗杆使用时间过长;镗杆生产制造存在缺陷在镗削过程中,镗杆因受力过大而折断,无法进行镗削
Table 6 Failure query process of blade being unable to boring workpiece
改进参数恶化参数得到的发明原理

13 结构稳定性。减振镗杆部件间结构稳定,不易损坏

14 强度。刀片具有强大的抵抗外界变化的能力

21 功率。提高能量的输出效率

27 可靠性。减振镗杆的耐久性

32 可制造性。高效稳定的减振镗杆不易制造35、19、11、3、10、32、26、34
Table 7 Conflict matrix 1
发明原理正向逆向失效预测
35 参数变化

改变物体的物理状态(如气态、液态或固态);

改变物体的浓度、黏度、柔性、温度、压力及其他参数

改变物体的物理状态,使其处于不适合的状态,例如将固态转变为气态或液态,或使其状态变得不稳定,从而使物体失去原本的功能或引发不可预见的问题运用逆向。刀片切削过程中未及时降温,工件因温度升高而局部熔化,导致镗削误差增大,甚至无法完成镗削加工
19 周期性动作将连续的作用替换为周期性的或脉冲的作用将连续的作用替换为非周期性的或非脉冲的作用运用逆向。机床供电不稳定导致工件旋转不均匀,刀片在镗削过程中出现间歇性切削,导致工件加工尺寸或表面精度不均
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采用预先准备好的措施降低物体相对较高的可靠性运用逆向。冷却液流量过大或冲刷不均,导致刀片切削过程不平稳,可能影响加工精度或工件表面质量
3 局部质量将物体或系统的均匀结构变为不均匀结构将已经变为不均匀结构的物体或系统恢复为均匀结构运用逆向。锋利刀片在长期切削过程中磨损,致使刀刃趋于均匀(不锋利),从而导致镗削精度下降或加工误差增大
............
Table 8 Failure query 1 based on reversed inventive principle (core function)
改进参数恶化参数得到的发明原理
23 物质损失。刀片不进行镗削,不会磨损刀片21 功率。不会产生功率28、27、18、38
Table 9 Conflict matrix 2
发明原理正向逆向失效预测
28 机械系统的替代利用视觉、听觉、嗅觉、触觉或味觉的方式代替部分机械系统不利用视觉、听觉、嗅觉、触觉或味觉等方式,而是完全依赖机械系统来完成任务,这可能会导致系统更加复杂、笨重且容易出现故障,缺乏感官反馈的系统可能变得不灵敏或无法适应环境变化运用逆向。不利用视觉或听觉辅助操作,例如操作人员在加工过程中离开现场,可能会导致机械故障无法及时被发现和处理,从而引发失效或安全事故
27 用低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体用一些廉价、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体用昂贵、耐用的物体代替廉价、不耐用的物体,增加成本和资源的投入

运用正向。使用劣质刀片,导致镗削精度下降,造成工件浪费;使用劣质镗杆,减振效果差,导致镗削精度降低

运用逆向。使用昂贵的冷却液或过度耐用的刀片,导致成本增加或资源浪费

............
Table 10 Failure query 2 based on reversed inventive principle (core function)
改进参数恶化参数得到的发明原理
32 可制造性。减振镗杆质量较差,容易制造39 生产率。无法正常镗削工件,镗削不足或过剩,致使生产出的符合标准的工件减少,降低了生产率35、1、10、28
Table 11 Conflict matrix 3
发明原理正向逆向失效预测

35 参数

变化

改变物体的物理状态、浓度、黏度、柔性、温度、压力及其他参数不改变或逆向改变运用正向。①改变减振镗杆参数(如阻尼液的阻尼系数),导致减振效果下降,无法正常镗削工件;②改变其他参数(如旋转速度过慢),导致镗削不均匀或加工误差增大
1 分割使系统和物体易于组装和拆卸使系统和物体难以组装和拆卸运用逆向。因制造问题,镗杆与刀头难以组装和拆卸,更换困难,影响加工效率
10 预操作在操作开始前,使物体局部或全部产生所需的变化在操作开始后,使物体局部或全部产生所需的变化运用逆向。在移动刀具后才开始旋转工件,导致部分镗削不均匀或加工误差增大
............
Table 12 Failure query 3 based on reversed inventive principle (core function)
标准解反转描述失效预测
No.1 完善具有不完整功能的系统。假如只有物质S1,增加物质S2及场F减少现有系统的完整性。假如系统已有物质S1、S2和场F,去除S2或F,使系统功能不再完整,导致其无法有效运行①在刀头或刀片未正确安装时,系统无法实现镗削功能;②工件或减振镗杆安装不牢固,导致镗削过程中出现松动,造成镗削精度下降
No.9 在一个系统中有用及有害作用同时存在。物质S1与S2不必直接接触,引入物质S3消除有害效应

在一个系统中有用及有害作用同时存在。去除吸收有害作用的物质S3,物质S1与S2直接接触,引发失效;

在一个系统中只存在有用作用。物质S1与S2不必直接接触,引入物质S3阻挡有益效应,产生失效

有用:工件

有害:切屑

物质S3:防护罩

若去除防护罩或忘记关闭防护罩,则切屑可能会飞溅并烫伤操作人员

No.11 有害作用是由一种场引起的。引入物质S3吸收有害作用

有害作用是由一种场引起的,去除吸收有害作用的物质S3,使场产生有害作用;

有用作用是由一种物质引起的,引入场F吸收有用作用

有害:镗削时的高温

物质S3:冷却液

若冷却液喷洒不当或未及时喷洒,则工件和刀具均会过热,导致镗削精度下降,刀片磨损加剧甚至失效

No.12 在一个系统中有用及有害作用同时存在,但物质S1与S2必须处于接触状态。增加场F2,以抵消场F1的影响,或得到附加的有用作用

在一个系统中有用及有害作用同时存在,但物质S1与S2必须处于接触状态。去除抵消场F1的场F2,使其既产生有用作用又产生有害作用;

在一个系统中只存在有用作用,但物质S1与S2必须处于接触状态。去除场F2,以降低有用作用

场F2:热场

去除热场,即去除冷却液。热量无法及时排出,导致刀具过热,镗削精度下降,刀片磨损加剧甚至发生早期失效

Table 13 Failure query based on reversed standard solution (core function)
功能描述功能丧失产生有害功能功能不足、过剩
220 V电源供能主轴未及时了解供电情况,镗削时断电供给电压过大(如错误连接到380 V电源),导致机床损坏供电中断,主轴失去能量,导致加工中断
主轴旋转工件电源中断或电压不足导致主轴无法驱动机床主轴老化,未及时添加润滑油,导致摩擦耗能过多电源电压或频率超标,主轴转速或扭矩超过工艺要求
卡盘夹持工件工件尺寸或形状超出卡盘的可夹范围卡盘力度过大,损害工件机床卡盘老化,夹持效果不足,易产生振动
进给机构驱动镗杆机床进给机构卡住切屑或其他物质,无法进给人工操作失误或编程失误,导致移动量不在预定范围内机床进给机构老化,移动效果差,容易导致操作失误,如移动距离过大导致镗削错误
刀片镗削工件镗杆切割时断裂,无法进行镗削刀片破损或飞屑高速喷出,损伤工件、夹具或操作人员①刀片磨损,镗削精度下降;②操作人员未及时更换特定的刀头,导致生产出不符合标准的工件
刀片挤压刀头紧固螺钉紧固不足,镗削时刀片和刀头分离挤压力过大,使刀头变形或产生裂纹紧固螺钉紧固不足,镗削时刀片与刀头的相对位置改变,导致镗削效果变差
............
Table 14 Failure query based on function list (operation process function)
功能描述公式参数参数变化主机理引起的失效
刀片镗削工件

切削力:

Ft=KcapfFf=αFtFr=βFt

周期性激励力:

Ft=Fr1+sinωt

注:Fr引发弯曲振动,影响大;Ft引发扭转振动,影响不大,可忽略

主切削力Ft、主切削力系数Kc、切削深度ap、进给量f、典型经验系数α(约为0.3)、经验系数β(约为0.2)、进给力Ff、径向力Fr、工件转动角速度ωKc(材料性质)、ap(加工参数设定)、f(人工设定)、ω(人工设定)①工件材料变化导致主切削力系数过大,或设置的切削深度和进给量过大,使主切削力显著增大,从而导致刀具崩刃或设备过载停机;②主切削力增大导致径向力增大,造成镗杆弯曲振动增强,进而产生颤振,降低加工精度和工件表面质量;③人工设置的激励频率与系统固有频率接近,产生共振,导致振动加剧及刀具寿命急剧下降
减振块挤压橡胶衬套

相对位移:

Δx=x1-?x2

弹性力:

Fk=kΔx

弹性能量:

Ek=12kΔx2

刚度:

k=AEh

相对位移Δx、镗杆位移x1(橡胶衬套位移)、减振块位移x2、弹性力Fk 、橡胶衬套等效刚度k、弹性能量Ek 、橡胶衬套受力面积A、橡胶的弹性模量E、橡胶厚度h(压缩方向的原始长度)Δx(外部激振和结构安装偏差)、A(生产制造)、E(材料、温度、时间)、h(生产制造)①外部激励过大,使得相对位移长期过大,导致橡胶疲劳、开裂、永久变形,失去缓冲功能;②安装时减振块过度挤压橡胶衬套,导致其无法产生相对位移,失去减振功能;③生产制造时A偏小或h偏大导致刚度降低,致使弹性变形量增大,进而引发结构接触或摩擦;④生产制造时A偏大或h偏小导致刚度过高,失去减振作用;⑤随着使用时间的增加,橡胶材料老化,弹性力过大,导致失去减振缓冲作用,振动和冲击直接传递到结构;⑥高温环境导致橡胶材料软化,致使弹性模量和刚度下降,造成结构支撑不足和位移增大,影响加工精度
阻尼液摩擦减振块

相对速度:

v=x˙1-?x˙2

黏滞阻尼力:

Fd=cv=cx˙1-?x˙2

耗散功率:

P=Fdv=cv2

阻尼系数:

c=12πηR3Ld3

相对速度v、镗杆速度x˙1、减振块速度x˙2、阻尼力Fd、阻尼液的等效阻尼系数c、耗散功率P、阻尼液的动力黏度η、腔体半径R、有效阻尼接触长度L、减振块与腔体之间的径向间隙dv(外部激振)、η(温度)、R(生产制造)、L(生产制造)、d(生产制造)①未及时冷却,致使阻尼液温度过高,黏度降低,进而使阻尼系数下降,导致振动能量耗散不足、振动幅值增大,并加剧结构疲劳;②生产制造时RL偏小导致阻尼不足,振动控制失效;③生产制造时d过大,阻尼系数下降,失去减振效果
Table 15 Failure query based on single mechanism model (operation process function)
Fig.7 Operation process function model of damping boring bar
Fig.8 Simulink simulation model of damping boring bar
Fig.9 Comparison of damping boring bar displacement based on mechanism model and ADAMS simulation (ω=1 100 rad/s, Fr=30 N)
Fig.10 Comparison of displacement response of damping boring bar under different main cutting force coefficients
功能描述功能丧失产生有害功能功能不足、过剩

镗杆固定

橡胶衬套

镗杆中间部分尺寸过小,无法

放入橡胶衬套

温度过高,橡胶衬套熔化,粘住镗杆,导致下一次更换橡胶衬套时不方便镗杆内部的孔不平整,导致橡胶衬套无法竖直,存在一定倾斜,致使部件安装不牢固
Table 16 Failure query based on function list (auxiliary function)
功能描述公式参数参数变化主机理引起的失效

镗杆固定

橡胶衬套

简单的位置固定橡胶硬度(邵氏A)、压装量(干涉量)、橡胶衬套厚度、预紧力橡胶硬度(温度、使用时间)、压装量(装配工艺、使用时间)、橡胶衬套厚度(使用时间)、预紧力(装配、时间)①因老化或高温而导致橡胶硬化、开裂或性退化能,橡胶衬套失去固定能力;②装配不当或长期振动导致预紧力减小甚至丧失,影响固定稳定性;③装配时压装量不足或橡胶衬套发生变形,导致橡胶衬套定位松动,造成镗杆与减振块运动异常,从而降低减振性能
Table 17 Failure query based on single mechanism model (auxiliary function)
 
 
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