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『簡體書』产品全生命周期设计与评价

書城自編碼: 1944695
分類:簡體書→大陸圖書→管理市場/營銷
作者: 于随然
國際書號(ISBN): 9787030325808
出版社: 科学出版社
出版日期: 2012-06-01
版次: 1 印次: 1
頁數/字數: 292/386750
書度/開本: 16开 釘裝: 平装

售價:HK$ 177.0

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作者于随然、陶璟结合他在产品全生命周期设计、评价和仿真的研究成果和长期从事高校教育的教学经验撰写了这本《产品全生命周期设计与评价》。全书共7章。第1章简要阐述了设计和全生命周期设计的概念、研究现状等。第2章较详细地论述了产品的模型化过程指加工、组装、使用、拆解等操作的模型化以及产品全生命周期模型化过程之间的关系。第3章论述了产品全生命周期模块化设计的一般方法,并通过案例对该设计方法予以说明,主要包括:产品全生命周期模块设计中驱动力的概念、权重分配和零件关系模型的建立;基于种群遗传算法的全生命周期模块化设计;案例研究及敏感度分析。第4章论述了全生命周期评价方法,并对家用电冰箱进行了全生命周期评价、参数化一模块化一模板化LCA方法及其应用。第5章阐述了面向家电产品的LCA软件开发的关键技术、系统开发实践。第6章详细论述了产品全生命周期仿真的概念、方法、过程建模和不确定性分析等,并通过两个案例阐述了该方法如何应用。第7章重点论述三种DfX方法:面向可制造性的设计、面向装配和拆卸的设计以及面向回收的设计。
內容簡介:
《产品全生命周期设计与评价》系统介绍了产品全生命周期设计(LCD)、全生命周期评价(LCA)和全生命周期仿真(LCS)的原理、方法、最新研究进展和应用实例。主要内容包括:产品全生命周期设计和评价产生的背景、基本概念和原理,产品全生命周期建模方法,面向全生命周期的模块化技术,LCA方法、LCA软件开发,产品全生命周期仿真,以及产品全生命周期设计与DfX等。《产品全生命周期设计与评价》的特点包括:①系统性,全面论述了LCD、LCA和LCS的原理、方法及应用,从基础知识到研究领域的最新成果,由浅入深、循序渐进;②创新性,结合了作者的最新研究成果,重点论述了绿色模块化设计方法和全生命周期仿真方法,是同类书籍中首次论述的主题;③实践性,有丰富的研究案例和应用实例;④学术拓展性,不是局限于LCA,而是以全生命周期思想为核心,介绍了多种相关绿色设计方法。
《产品全生命周期设计与评价》可作为产品全生命周期设计相关课程教材,也可供相关专业大学教师、研究人员、工程技术人员、研究生等阅读和参考。
目錄
前言
第1章 绪论
参考文献
第2章 产品的全生命周期建模
2.1 产品的模型化
2.2 过程的模型化
2.2.1 产品开发
2.2.2 制造过程
2.2.3 物流
2.2.4 使用与维修
2.2.5 回收处理
2.3 全生命周期模型化
2.4 生命周期成本的计算模型
参考文献
第3章 产品全生命周期模块化设计
3.1 产品全生命周期模块化设计的基本概念
3.1.1 模块的定义及特性
3.1.2 产品全生命周期模块化设计的基本概念
3.1.3 产品全生命周期模块化设计的研究现状
3.2 模块化驱动力及产品中的零件关系模型
3.2.1 设计方法关联假设条件
3.2.2 全生命周期模块化设计驱动力
3.2.3 不同模块化设计驱动力下的零件关系模型
3.2.4 零件综合关系模型
3.2.5 零件之间的综合关系模型
3.2.6 综合矩阵的建立与特点
3.3 利用种群遗传算法对产品进行模块化设计
3.3.1 选取种群遗传算法作为模块优化算法的原因
3.3.2 初始模块数
3.3.3 利用种群遗传算法进行模块化重组
3.3.4 优化过程
3.3.5 优化方案的经济性和环境性能的评价
3.4 案例分析
3.4.1 家用电冰箱
3.4.2 建立各驱动力的零件关系矩阵与综合关系矩阵
3.4.3 种群算法设计过程
3.4.4 优化结果与原结构的比较
3.4.5 敏感度分析
参考文献
第4章 产品全生命周期评价
4.1 全生命周期评价简介
4.1.1 目标和范围设定
4.1.2 清单分析
4.1.3 影响评价
4.1.4 解释
4.2 家用电冰箱全生命周期环境影响评价
4.2.1 家电产品LCA研究现状
4.2.2 评价的目的和边界设定
4.2.3 数据收集与清单分析
4.2.4 清单分析结果
4.2.5 环境影响评价
4.2.6 解释
4.3 参数化-模块化-模板化LCA
4.3.1 参数化LCA方法
4.3.2 模块化LCA方法
4.3.3 模板化LCA方法
4.4 参数化-模块化-模板化LCA的应用案例
4.4.1 案例一:家用电冰箱生产阶段的环境影响评价
4.4.2 案例二:咖啡壶生产阶段环境影响评价
参考文献
第5章 LCA软件开发
5.1 现有LCA软件综述
5.1.1 LCA软件开发的相关研究
5.1.2 现有商业LCA软件介绍
5.1.3 现有LCA软件的总结
5.2 MPT-LCA开发关键技术
5.2.1 MPT-LCA数据库设计
5.2.2 MPT-LCA的清单分析算法
5.2.3 MPT-LCA环境影响评价模型及算法
5.3 MPT-LCA系统开发
5.3.1 MPT-LCA系统总体设计
5.3.2 MPT-LCA产品评价模板的建立
5.3.3 软件其他部分的开发
5.3.4 软件的主要应用
参考文献
第6章 全生命周期仿真
6.1 产品全生命周期仿真的概念和过程框架
6.2 一般产品系统的生命周期过程模型
6.3 基于蒙特卡洛仿真的生命周期评价不确定分析方法
6.4 实例1——家用冰箱“3R”措施的资源和能源节约评价
6.4.1 研究目标和范围
6.4.2 家用冰箱生命周期仿真模型
6.4.3 仿真场景
6.4.4 仿真结果及讨论
6.4.5 结论
6.5 实例2——我国燃料乙醇全生命周期能源、排放和经济性评价
6.5.1 研究目标和范围
6.5.2 生物质燃料乙醇汽油混合燃料车辆的全生命周期过程
6.5.3 生物质燃料乙醇汽油混合燃料车辆系统的环境和经济性评价指标
6.5.4 基于蒙特卡洛仿真的生物质燃料乙醇汽油混合燃料车辆系统生命周期评价模型
6.5.5 生物质燃料乙醇汽油混合燃料车辆系统经济性、能效、排放评价结果
6.5.6 结论和建议
参考文献
第7章 全生命周期设计与DfX
7.1 面向X的设计
7.2 面向可制造性的设计
7.2.1 基于设计规则的方法
7.2.2 基于特征分析的面向可制造性设计的方法
7.3 面向装配和拆卸的设计
7.3.1 面向装配的设计
7.3.2 面向拆卸的设计
7.4 面向回收的设计
7.4.1 基本概念和设计原则
7.4.2 案例研究——面向家电塑料回收的设计
参考文献
附录A 模块化优化运算程序
附录B 清单数据补全
內容試閱
第1章 绪 论
设计是为了实现一定的要求将与产品相关的信息(构想、属性、状态、举动、功能、性能)逐渐详细化的决策和实现过程。其中,要求(requirements)是规定所设计的产品必须具有的属性、状态、功能等信息;规格(specifications)是描述产品所必需的属性、状态、功能等信息;属性(attributes)是指产品所具有几何的、物理的、化学的性质,用定量值表示;状态(status)是产品在某处、某时刻其属性所持有值的组合;举动(behavior)是产品的状态随时间变化的表现;功能(function)是人以特定意图主观地观察产品时认为产品所发挥的作用(效力)[1]。
设计科学是通过对设计过程的建模来理解设计的学问。设计科学作为一门学问其具有的抽象性和一般性必不可少。所谓一般性是指对任何具体领域的设计都可以适用的性质;而抽象性是具体设计描述的抽象化(数学描述的导入等)。
设计研究的范围包括设计方法论、设计原理、设计方法和设计学[1]。设计方法论是指一般的应用领域(不针对具体机械)中的某一具体目标的体系化设计方法,如各种各样的优化方法,DesignforX[2](DfX,指产品生命周期的制造、维修、装配和拆卸、再利用等)设计法、质量控制设计领域的田口方法[3]、质量功能展开法[4]以及德国流的设计方法论等都属于这一研究范畴[5]。设计原理是设计决策时的指导方针。Suh的公理设计法[6]和中?的设计原理选集是设计原理的代表作;其他被广泛应用的设计原理有“简单的最优”(零部件越少越好、越轻越好等)等。具体对象的设计研究属于设计方法的研究。历史上,设计教科书就多以车床设计法、内燃机设计法等为主要内容,这些适用于具体对象的非常实用的设计方法不仅限于机械工程领域,对其他工程领域具体对象的设计法的研究也非常有借鉴意义。具体对象的设计方法记录了该对象的详细设计过程,通过数学和信息技术的抽象化手段可以做成提高设计效率的设计工具。但是这种尝试毕竟依赖于个别对象,在应用于其他对象时有先天的局限性,因此如何开发通用性更好的设计系统显得尤为重要。由此可见,设计学是从抽象性和一般性的视点来研究设计对象的。
上述设计理论和方法主要是基于从自然界获取有用资源来改善我们的生活质量这样一种“资源无穷论”的观点。但人们在现代工业社会的发展中已逐渐认识到,环境的可持续发展等重要概念应该受到重视,现代工业产品的生产活动及其规模的逐渐扩大是造成环境问题的重要因素。为根本地解决这些问题,一方面,需要重新评估和修正现在的生产体系,即从过去的“生产―使用―废弃”的传统工程转变为包括“使用―维修―再利用”逆向工程在内的新的生产体系,即循环型
生产体系;另一方面,激烈的市场竞争要求制造商用尽可能少的资源消耗,低成本、高质量和迅速地推出能满足用户服务(service)需求的产品。因此,合理地设计产品的全生命周期,并在产品的全生命周期中合理地管理它,能有效地实现资源的合理利用和满足用户对服务质量的要求。“以用户为主题的生产”是制造业的另一个转型目标。基于以上转换我们提出了全生命周期工学的理念:以从产品计划到废弃的全生命周期为对象,同时考虑经济性、技术性、市场性与环境性,以求达到全局优化目的。
研究表明,要从产品的环境调和性开发中获得利益,必须实现产品从计划、设计、制造、使用、维修到废弃的闭环化,形成闭环产品系统。其中,设计已经演变为产品全生命周期设计,即为了实现一定要求,对与产品全生命周期相关的信息逐渐详细化的决策过程。产品全生命周期设计尽管还没有被广泛应用于产品研发中,但作为一个连接社会需求、经济规模和资源环境问题的平台已经被普遍接受[7]。这是因为产品的可维修性、可拆卸性和回收性直接影响产品在使用时的性能,全生命周期的成本以及我们的生存环境都是“可持续型”循环经济社会的具体体现。因此,在国家中长期科学和技术发展规划纲要中关于制造业主题的部分就明确提出了“开发面向产品全生命周期的创新设计方法和技术”[8]。
国外关于全生命周期设计的研究与应用始于20世纪80年代初的面向装配与拆卸的设计。但是自90年代初起,全生命周期设计才初步地形成系统的概念和结论。其标志是,美国于1992年9月发表研究报告Greenproductsbydesign:choicesforacleanerenvironment[9]、1993年发表研究报告Life?CycleDesignguidancemanual[10];日本学术会议于2000年4月发表研究报告?产品全生命周期设计的基础学术问题?[11];欧盟于2001年发表集成产品政策(IntegratedProd?uctPolicy,IPP)绿皮书[12]。自1985年起,美国自然科学基金会(NSF)在“DesignTheory&MethodologyProgram”名义下开始了对工程设计研究的资助,其目的是弄清楚产品开发过程,以便开发出设计方法和工具,从而提高设计质量和效率、降低开发成本,赶超日本和欧洲。表1.1是对NSF20年中所有资助项目按领域、每5年一个周期进行统计的结果[13]。
表1.1 NSF在工程设计研究的不同领域的资助变化情况(1985~2004年) (单位:%)
研究领域(researcharea)1985~1990年1990~1995年1996~2000年2001~2004年
设计过程(designprocesscognition)优化(optimization)人工智能(AIKBS)21.29.422.41.425.78.13.013.46.009.30
决策(decisionutility,DBD)计算机辅助设计(CADCAGD)1.25.95.416.223.96.032.611.6
续表
研究领域(researcharea)1985~1990年1990~1995年1996~2000年2001~2004年
运动学机器人学(kinematicsrobotics)3.55.410.47.0
观念化(ideation)5.91.41.52.3
面向环境的设计(DfEEbDM)05.47.511.6
虚拟现实(VRvisualization)01.44.52.3
设计理论与方法(GD&T)2.41.41.57.0
功能、行为建模(function,behaviormodel?ing)制造工艺设计(Mfgprocessdesign)3.54.72.75.44.54.52.32.3
面向制造性设计(DfMIPPD)3.52.71.50
其他(others)16.517.611.911.6
从表1.1可以看出,面向环境的设计(DfE)从“零”资助到资助率排名第二,这说明资源环境问题与设计的关系越来越被重视。
与全生命周期设计关系密切的另一个关键问题是全生命周期评价,它被用来评估设计方案的环境性能。全生命周期评价就是对某一产品系统全生命周期的输入、输出和潜在环境影响进行评价的过程。纵观我国,该设计不论在评价指标还是在评价方法的研究和实践方面都具有较大的先进性。为了综合评价产品、一个企业甚至一个国家的“可持续性”,提出了“地球生产性”(地球生产性=全社会的满足度÷对地球环境的总负荷)[14]、Factor?10[15]、环境效率[16]等表达方式。但是在现在的技术条件下,用一般的而且可计测的形式来公式化地描述上述评价指标还较困难。随着谋求解决环境问题的研究活动的进行,研究者提出了各种具体的评价指标,其中最具标准化和实用化的是全生命周期评价。日本已经将产品全生命周期评价技术列为实现循环经济的基础技术之一[17]。Rose针对制造商需要对自己所生产产品的回收负责的要求,研究了在设计阶段如何以生命周期的观点评估回收的环境影响和经济性的问题[18]等。在环境影响和成本评价方面引入了仿真的概念来处理全生命周期的动态不确定性问题。近年来,随着资源环境问题的日益突出,产品全生命周期中的资源、能源消耗量以及对环境的影响正逐渐被重视并纳入了研究的范围。Murayama建立了用来评估包括再使用、再循环在内的全生命周期环境影响和利润的关系的仿真模型[19]。田中将?等认为用户会受市场产品的不同特点的影响来决定自己的购买和废弃行为,制造商也会响应消费者的需求决定向市场提供的产品的性能(价格、质量、环境性等)[20]利用全生命周期仿真的方法对不同的生命周期形态下环境影响所造成的差异进行,了评估。Kimura着眼于如何保持产品使用阶段的性能,提出了劣化条件下的产品性能仿真评价方法。但该方法仍是概念性的,需在考虑了生命周期中出现的各种不确定因素后将其进一步细化和实用化[21]。
欧盟在通过设计与回收改进产品的资源环境属性从而实现可持续发展方面作了很大努力。产品生产消耗资源,并在其全生命周期的各个阶段都会对环境产生影响。发表集成产品政策绿皮书[12]的目的是使这种资源消耗和环境影响最小化,并寻求在最有效的时刻采取措施。为了贯彻这种理念,欧盟推出了一系列指令(directives),并要求各国在指令的指导下制订法律以保障生态设计思想的执行。防治电子电器废弃物排放的指令(WEEE指令)意在增强所有涉及电子电器设备生命周期的操作人员的环保意识,如生产者、销售商、消费者,特别是直接涉及电子电器设备报废处理人员。有害物质限用指令(RoHS指令)规定欧盟各成员国应保证投放欧盟市场的新电器和电子设备产品不含有铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯(PBB)或多溴二苯醚(PBDE)六种物质及其类似物质(指其化合物等)。能耗产品(用能产品)生态设计指令(EuP指令)将全生命周期理念引入产品设计环节中,旨在从源头入手,在产品的设计、制造、使用、维护、回收、后期处理这一周期内,对能耗产品提出环保要求,全方位监控产品对环境的影响,减少对环境的破坏。类似的指令还包括ELV指令和REACH指令等。
全生命周期设计的理念已经渗透到小型产品如手机、大型产品如空中客车A380等的各类产品(系统)中。空中客车公司为提高竞争力将开发更高效、更环保飞机的理念贯彻于最新产品A380的研发中(图1.1),并在设计阶段就考虑了全生命周期中的问题,从而实现载客更多、噪声更低、排放更少。运行时,平均每座功率所产生的二氧化碳不足75g。飞机退役时,通过其研发的PAMELA(processforadvancedmanagementofend?of?lifeaircraft)380系统使其材料回收率达到85%[22]。
图1.1 空中客车A380的可循环设计(recyclablebydesign)
在我国制造业快速发展的同时,因资源过度消耗、环境严重污染而使可持续发展模式无法实现的现状已经引起我国及国际社会的强烈关注。因此,我国提出了建设环境友好型、资源节约型的可持续循环社会的发展目标。为实现这一目标,未来制造业不能再仅通过产品的设计生产来追求附加价值的利益最大化,还须要重视通过产品的环境调和性方面的开发带来的利益。产品的环境调和性主要体现
在:①经济和环境方面同时具有可行性;②在制造、使用、维修和废弃等过程中造成的环境负担更小;③较少的能耗和资源使用量(reduce),更易于再利用(reuse)和再循环(recycle)。
基于上述原因,绿色设计的研究在国内受到了研究者和政府管理部门越来越高的重视,国家自然科学基金委员会也逐渐加大了在该领域的资助力度并取得了丰硕的研究成果,如关于绿色设计和再制造理论与方法研究、家电产品回收理论与技术的研究、绿色制造系统的研究、产品全生命周期评估等。以产品全生命周期为目标的协同设计方法和基于蒙特卡洛法的全生命周期仿真越来越受到研究者的重视。面向产品回收再利用、再制造的技术也是研究的热点。
就全生命周期各个阶段的具体技术而言,我国的研究主要集中在机电产品回收及其资源化方面。徐滨士等集中研究了再制造的相关技术,包括纳米表面工程、纳米热喷涂、剩余寿命预测的理论与技术等[23~25]。刘光复和刘志峰等对废旧家电产品的绿色模块化设计技术、线路板的分解技术等进行了系统的研究[26~29]。刘红旗等对机电产品绿色包装问题进行了综合分析和研究,提出了建立绿色包装流通体系和改善包装技术的新方法[30]。刘飞等就绿色制造的相关问题,如理论体系框架[31]等进行了深入的研究。汪劲松和段广洪等就废旧印刷线路板再资源化技术达到了实际应用阶段。李方义和李剑锋等就机电产品绿色设计的关键技术进行了研究[32]。除学术界之外,工业界也在绿色设计的实践上进行了尝试,如济南复强动力有限公司在汽车发动机的再制造方面;上海华东拆车有限公司在汽车整车的回收处理方面等。海尔集团在绿色产品设计上已经有了成功的例子,如某品牌电冰箱经改进设计后壁厚减半、同时节能50%。
下列研究在产品整体和以循环为中心的处理技术的绿色度评价和全生命周期评估方面作出了较大贡献。刘光复和刘志峰针对家电产品回收工艺流程决策评价的多阶段、多目标等特点,采用层次分类方法建立了以经济指标和环境指标为主要内容的回收工艺流程评价指标体系。刘飞、曹华军等就绿色制造过程环境影响评估方法[33]等进行了深入的研究。汪劲松和段广洪等就产品全生命周期分析等进行了系统的研究[34]。向东等引入绿色度的概念作为评价产品绿色特性的综合指标,提出了基于产品系统的产品绿色度生命周期评价方法,利用模糊聚类法成功地实现了评价基准的选取,利用公理性设计实现了产品绿色度的影响评价,是一种操作性较强的生命周期评价方法[35]。刘红旗等探讨了产品绿色度的评价模型及评价方法,提出了评价的基准、准则、综合评价和决策方法,构造了绿色产品的评价体系[36]。王成焘和于随然等对全生命周期评估方法做了详细的研究,提出了3E(environment,energy,economy)评估模型,并以燃料乙醇为例,对其经济性、能量消耗和环境影响进行了较详细的分析[37]。此外,还有研究者提出了模糊层次分析、神经网络、基于AHP的评价等多种绿色度评价方法。
由以上综述可见,国内的研究目前大多集中于产品生命周期某一阶段(尤其是
?6?产品全生命周期设计与评价
废弃阶段)内具体技术的研究。但是,国内外关于全生命周期整体综合评估方面的研究正逐渐增多,这种现状为本书研究的展开奠定了良好的基础。如前所述,我们有必要从整体上将产品生命周期系统化,在对设计方案进行环境、经济性等方面综合评价的过程中实现全生命周期方案的优化设计,从而设计出具有“整体可持续性”的产品全生命周期方案。
虽然过去我们一直抱着从自然界获取有用资源来改善我们的生活质量,再把不需要的东西排放到大自然这样一种“资源无穷论”的观点,但是随着现代工业社会的发展,我们已逐渐认识到应重视环境的可持续发展等重要概念;“从量的满足到质的满足”的转换是实现可持续发展的重要思想,是设计发展的一个方向。因此,今后的设计在明确了技术条件的前提下,还要满足如舒适性、安全性、环境友好性等隐性的非技术条件。在此思想指导下,设计不能只停留于考虑单个产品的情况,而且要考虑产品之间关系、产品与人和环境之间的和谐关系,以此为出发点、以生活质量的提高为目标,实现广义的“设计”。全寿命周期设计就是在产品设计的初级阶段将与产品整个生命周期有关的信息(变量)逐步详细化的决策过程,其核心是全生命周期评估和全生命周期仿真。
参考文献
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