面向能源节约的产品绿色设计理论与方法研究

论文摘要

随着经济的高速增长，人类不得不开始面对越来越严重的资源短缺和环境污染问题。人们逐渐认识到只有实行绿色设计才能从根本上解决制造业中的环境问题。能量节约设计是绿色设计中的重要问题，它不仅具有能源节约的属性，还能通过环境影响和成本分析体现绿色属性和经济属性，具有重要的研究价值。在综合国内外现有的研究的基础上，从设计方法学和系统的角度，提出并描述了FBAS设计框架。通过对产品全生命周期能量消耗的分析，建立有效描述和表达机电产品中能量消耗的效用模型，找出机电产品能量属性及其与设计过程和设计信息的内在联系。提出“能量设计因子”和“设计元”概念，建立了基于设计元的面向能源节约的产品设计模型。建立能量因子的提取应用机制。首先，建立能量因子效用映射模型，将能量因子提取过程模型分为：能量因素识别、能量因子提取、能量因子应用三个阶段。定义能量因素与重要能量因素。对产品信息进行了能量聚类，作为能量因素识别的基础。详细阐述了能量因素的识别原则，提出了能量因素三维识别模型。建立重要能量因素提取的工作机制和判定原则，给出了能量因子的量化分析过程。并对能量因子的表达和与设计元之间的关系进行了阐述。产品全生命周期能量消耗量化模型是能量因子提取的基础。在现有能量消耗研究的基础上，将产品能量分析扩展到整个产品生命周期；提出串行状态变化过程的能量函数。针对产品全生命周期及各个主要阶段的能量消耗，分别进行详细的分析，建立能量量化公式，并给产品生命周期出各阶段的最高层能量因子。将能量因子的表达方式分为面向单一因素和多因素两个方面。针对产品全生命周期拐点这一单一因素，分析了能量拐点优化的影响因素。分别从主观寿命和客观寿命两个方面考虑影响产品使用寿命的因素。给出产品生命周期能量拐点优化和能量优化寿命的概念，及其对产品设计、回收等阶段的影响。对产品生命周期能耗动态性和不确定性能进行模拟，提出了基于产品生命周期动态能量消耗(LUDE)时间函数，给出函数的普通公式、简化公式和特殊情况。针对产品结构的组合设计这一多因素问题，分析了多个设计元组合结构相关的能量因素。从材料相容性、装配与拆卸、使用过程能量转递、零件寿命、回收处理等个方面对设计元结构的能量关联度进行分析和量化，并将功能和物理关联度作为约束。运用模块化思想，采用聚类分析方法进行产品结构进行组合优化，提出了产品结构组合的能量聚类优化模型和方法。本文中以家电产品电冰箱为例贯穿始终，对基于设计元的面向能源节约的绿色设计模型及其关键技术进行了验证，并在此基础上提出了改进建议。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及基本概念

1.1.1 我国的能源资源现状

1.1.2 能源消耗与经济发展

1.1.3 能量相关的基本概念

1.2 绿色设计国内外研究综述

1.2.1 面向可持续制造的DFX研究

1.2.2 产品生命周期设计

1.2.3 相关理论方法的借鉴和引用研究

1.3 能量设计的相关技术综述

1.3.1 能源节约的背景

1.3.2 面向能量节约相关研究

1.4 论文的主要研究内容与组织

1.4.1 论文的选题

1.4.2 论文的主要内容

1.4.3 论文的组织

第二章基于设计元的面向能源节约设计模型

2.1 过程模型和信息模型

2.1.1 过程模型

2.1.2 信息模型

2.1.3 效用模型

2.2 设计元定义

2.3 设计元的设计过程模型

2.3.1 设计元的FBAS过程原理

2.3.2 设计元的设计过程

2.3.3 设计元层次结构实例研究

2.4 设计元的信息模型

2.4.1 产品生命周期信息

2.4.2 信息分类

2.4.3 设计元的信息模型及传递过程

2.5 基于设计元的面向能源节约的绿色设计模型

2.5.1 能量因子与设计信息

2.5.2 能量因子与设计过程

2.5.3 面向能源节约的绿色设计模型

本章小结

第三章能量因子识别与提取模型

3.1 能量因子效用及过程模型

3.1.1 能量因素与能量因子

3.1.2 能量因子效用模型

3.1.3 能量因子效用过程模型

3.1.4 能量因子提取策略

3.2 信息能量聚类分析

3.3 能量因素识别

3.3.1 能量因素识别的原则

3.3.2 常用因素识别方法

3.3.3 能量因素三坐标识别模型

3.4 重要能量因素的提取

3.4.1 重要能量因素提取的工作机制

3.4.2 “The Most of The Most”判定原则

3.5 能量因子的量化与表达

3.5.1 能量因子的量化表达过程

3.5.2 能量因子的关系分析

3.5.3 能量因子的表达

3.5.4 能量因子与设计元之间的关系

本章小结

第四章产品能量消耗模型及应用研究

4.1 产品能量消耗研究概述

4.2 全生命周期能量消耗分析

4.3 全生命周期能量消耗量化

4.3.1 原材料能耗

4.3.2 产品加工能耗

4.3.3 产品装配能耗

4.3.4 产品使用能耗

4.3.5 产品维修能耗

4.3.6 产品回收再处理能耗

4.3.7 产品传输能耗

4.3.8 全局能量因子提取

4.4 全生命周期能量消耗模型的应用研究

4.4.1 冰箱能耗水平现状

4.4.2 冰箱全生命周期能量消耗分析

4.4.3 冰箱能量因子提取

本章小结

第五章面向单因素的产品生命周期拐点优化

5.1 产品使用寿命概述

5.1.1 使用寿命的能量因子特性

5.1.2 影响产品使用寿命因素

5.1.3 生命周期拐点的定义

5.2 生命周期拐点的能量优化

5.2.1 能量拐点优化定义及相关研究概述

5.2.2 生命周期拐点优化的能量特性

5.2.3 产品生命周期拐点的判定及其影响

5.3 能耗动态性及其模拟

5.3.1 原材料动态能量消耗函数

5.3.2 加工动态能量消耗函数

5.3.3 装配动态能量消耗函数

5.3.4 使用动态能量消耗函数

5.3.5 维护动态能量消耗函数

5.3.6 回收动态能量消耗函数

5.3.7 运输动态能量消耗函数

5.3.8 生命周期动态能量消耗函数

5.4 能耗不确定性及其建模

5.4.1 不确定因素分析

5.4.2 未确知数理论

5.4.3 基于未确知理论的不确定因素模型

5.5 优化模型及计算方法

5.5.1 计算思路

5.5.2 LUDE时间函数的讨论

5.6 实例研究

5.6.1 冰箱的能量拐点优化影响因素分析

5.6.2 冰箱能量消耗不确定影响因子的确定

5.6.3 冰箱生命周期拐点能量优化公式

本章小节

第六章面向多因素的设计元组合能量优化

6.1 设计元的组合能量属性分析

6.1.1 产品设计与结构能量

6.1.2 产品结构的能量优化设计

6.2 设计元组合因素关联度分析

6.2.1 材料相容性

6.2.2 装配与拆卸

6.2.3 使用过程能量转递

6.2.4 零件寿命

6.2.5 回收处理

6.2.6 模型约束条件

6.3 设计元结构组合的能量聚类模型

6.3.1 聚类方法的概述

6.3.2 动态模糊聚类算法

6.3.3 设计元结构组合的能量聚类优化模型

6.4 设计实例

6.4.1 聚类结构生成

6.4.2 结果分析

本章小结

第七章总结与展望

参考文献

附录

附录Ⅰ: 冰箱末端设计元载体集

附录Ⅱ: 冰箱生命周期拐点能量优化程序

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的论文

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