面向机电产品方案设计的生命周期评价关键技术研究

论文摘要

生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）作为一种量化的环境管理工具是绿色设计与制造的关键支撑技术,是制造业可持续发展的理论基础。针对当前LCA方法对产品生命周期场景特性反映少,难以有效支持绿色设计的现状,对面向机电产品方案设计的生命周期评价关键技术进行了系统研究。（1）通过分析与归纳机电产品全生命周期各阶段的主要内容、环境属性与特征,从物质与能量的角度建立了产品环境输入输出模型；提出了产品生命周期场景概念,建立了场景属性表达模型；基于产品统计分析,建立了场景属性概率矩阵。以单个产品和产品类的场景模型为基础,构建了机电产品设计方案的生命周期场景预测模型,为设计方案的LCA预测评价提供了理论依据。（2）针对产品生命周期中存在的多空间特性,通过分析几种主要的环境影响类型及其特征化方法,明确了环境影响的空间差异性,提出了多尺度环境空间概念。基于我国现行的法律法规,对环境影响空间特性及其尺度划分进行了详细研究,提出了环境空间特征化因子计算方法,并进行了实例研究。在ISO 14044框架下,建立了基于多尺度环境空间的生命周期影响评价（Life Cycle Impact Assessment, LCIA）方法框架,并描述了影响评价计算过程。（3）通过对机电产品全生命周期环境影响信息的分析,提出了三元组合的绿色特征概念；基于环境约束条件建立了绿色特征筛选函数,通过该函数对存在形式各异的大量绿色信息进行筛选、提取并聚合为绿色特征矩阵。通过分析现有LCA的简化思路与途径,提出了基于绿色特征的快速生命周期评价（Rapid LCA, RLCA）模型和基本流程。分析了生命周期评价不确定性产生的原因,提出了基于多元回归的LCA敏感性和不确定性分析方法和流程。基于既有产品的场景特征模型和绿色特征的概念,以及多元回归的敏感性分析方法,RLCA可满足机电产品设计方案的环境影响评价要求。（4）根据产品功能实现与结构单元输入输出量之间的关系,分析了绿色特征与功能结构之间的映射关系,建立了基于绿色特征的设计方案表达模型。从环境、技术、经济三方面进行综合考虑,建立了递阶型设计方案综合评价指标体系；基于模糊评价原理,建立了定性指标标准化模型,举例说明了对象元素等级划分方法；基于数值分析方法,建立了定量指标标准化模型和处理流程,提出了基准值的参考形式。结合层次分析法和模糊评价法建立了绿色设计方案的AHP-FCE综合评价模型,详细说明了评价步骤和流程。（5）在LCA理论方法研究基础上,遵循ISO系列标准,开发了基于网络的机电产品生命周期评价系统（Mechanical Products LCA Software, MLCAS）。在分析Y80电机基本结构参数和生命周期场景信息基础上,应用MLCAS系统对其进行了评价,并对Y80电机的LCA进行了敏感性和不确定性分析,对评价结果进行了解释和讨论。

论文目录

• 目录
• Contents
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景概述
• 1.1.1 自然资源大量消耗
• 1.1.2 生态环境持续恶化
• 1.1.3 可持续发展战略的提出与兴起
• 1.1.4 绿色设计相关技术的早期研究
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 绿色设计方法
• 1.2.2 生命周期评价技术
• 1.3 课题提出与论文框架
• 1.3.1 课题提出
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 论文框架
• 第2章 机电产品生命周期多场景建模
• 2.1 机电产品生命周期环境属性分析
• 2.1.1 机电产品生命周期阶段分析
• 2.1.2 机电产品生命周期环境属性
• 2.2 机电产品生命周期场景特征建模
• 2.2.1 机电产品生命周期场景分析
• 2.2.2 产品方案生命周期场景建模
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于多尺度环境空间的影响评价方法
• 3.1 环境影响类型及其特征化方法
• 3.1.1 资源消耗
• 3.1.2 生态环境影响
• 3.1.3 人体健康危害
• 3.2 环境空间分析与尺度划分
• 3.2.1 资源空间
• 3.2.2 辐射类影响区域
• 3.2.3 噪音区域
• 3.2.4 空气质量功能区
• 3.2.5 地表水功能区
• 3.2.6 土地功能区
• 3.2.7 生态环境区域
• 3.2.8 酸雨和二氧化硫控制区
• 3.3 环境空间特征化因子计算方法
• 3.3.1 环境空间特征因子
• 3.3.2 环境空间特征因子举例
• 3.4 基于多尺度环境空间的LCIA方法
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于绿色特征的快速生命周期评价方法
• 4.1 绿色特征
• 4.1.1 产品生命周期绿色信息
• 4.1.2 绿色特征的概念
• 4.1.3 绿色特征的提取和建立
• 4.2 生命周期评价简化途径
• 4.2.1 完整的生命周期评价
• 4.2.2 简化的LCA方法
• 4.3 基于绿色特征的RLCA方法
• 4.3.1 传统的LCA流程
• 4.3.2 基于绿色特征的RLCA流程
• 4.3.3 基于绿色特征的RLCA模型
• 4.4 LCA不确定性和敏感性分析
• 4.4.1 LCA不确定性分析
• 4.4.2 多元回归分析方法
• 4.4.3 基于多元回归的LCA敏感性和不确定性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于绿色特征的设计方案综合评价
• 5.1 基于绿色特征的设计方案建模
• 5.1.1 基于功能结构的设计建模
• 5.1.2 基于绿色特征的设计建模
• 5.2 绿色设计方案评价指标体系
• 5.2.1 绿色设计方案评价指标体系
• 5.2.2 评价指标的标准化方法
• 5.3 AHP-FCE综合评价模型
• 5.4 本章小结
• 第6章 机电产品生命周期评价系统开发及工程应用
• 6.1 MLCAS系统框架结构与设计实现
• 6.1.1 系统框架结构和流程
• 6.1.2 系统设计与实现
• 6.2 Y80电机实例研究
• 6.2.1 Y80电机基本结构及参数
• 6.2.2 Y80电机生命周期场景特性
• 6.2.3 Y80电机生命周期评价
• 6.2.4 不确定性和敏感性分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及科研情况
• 致谢
• English Papers
• A life cycle impact assessment method based on multi-environmental dimension
• A method of multi-environmental spatial scales division in LCA based on Chinese region-specific
• A characterization model and a normalization system of the LCIA for Chinese electromechanical products