《产品全生命周期设计与评价》图解
2022-04-23 09:32:17 11 举报俺导师的著作
作者其他创作
大纲/内容
绪论
设计
设计科学
研究范围
设计方法论
设计原理
设计方法
设计学
产品全生命周期设计与评价
全生命周期设计（LCD）
建模
产品模型化
产品：能够完成特定要求功能的实体
成本与价格
产品结构
零件清单
模块：维修的基本单位
模块结构
成本与价格
零件：最小工程单位
材料清单
寿命和故障函数
物理寿命&功能寿命
零件故障率分布函数：浴盆曲线
制造成本
制造能耗
再循环方法
再利用的可能性
过程模型化：过程中发生事件进行描述
产品开发
计划阶段
市场调研
本公司实力和特点
设计阶段
明确设计任务
概念设计
基础设计
详细设计
制造过程
材料购买
材料在库保存
零件制造
零件在库保存
模块组装
模块在库保存
产品组装
检查
物流
使用与维修
使用
产品维修
回收处理
产品回收和拆解
模块检查
模块维修
模块拆解
零件检查
故障和废旧零件仓库
材料、化学循环
热循环
废弃
全生命周期模型化
全生命周期模型：由过程模型构成的产品全生命周期网络
复杂性根源：
零件故障概率分布随机性
用户消费模式不确定性
成本计算模型
生命周期成本法
三个角度：
制造商：成本&利润
用户：成本
社会（完整意义上的产品生命周期成本）
计算模型
制造成本：原材料+零部件+产品制造
使用成本：物耗能耗&单位时间成本变化
维修成本：制造商+用户
模块化设计
基本概念
模块及其特性、模块化
全生命周期的模块化
研究现状
模块化驱动力
假设条件
结构假设：以零件为基本单位组成
可回收性假设：再回收的可能性
零件特性假设：零件简化和合并
驱动力
设计目标：功能优化&环境属性优化（拆卸回收优化）
方法：多目标法&综合目标法（本文采用）
驱动力：零件的绝对属性&关系属性
目标解析（即为全生命周期模块化驱动力）
功能优化相关属性
零件功能属性
零件结构属性
拆卸回收优化相关属性
零件结构属性
物理寿命相关属性
材料相容属性
回收方式属性
各驱动力优先级及相关性：种群遗传算法进行多目标的整体优化
零件关系模型
层次分析法
"功能"驱动下的零件关系
主要功能&辅助功能
功能关系矩阵
"结构关系"
空间位置关系矩阵
连接关系矩阵
"零件寿命"
平均寿命
寿命关系矩阵
"材料兼容性"
材料兼容性关系矩阵
"可回收性"
可回收性关系矩阵
综合关系
功能目标50%=功能关系35%+空间位置9%+连接方式6%
环境目标50%=空间位置9%+连接方式6%+材料关系15%+回收关系15%+寿命关系5%
排除结构上本来没有关系的零件进入同一模块的情况（引入P值）
建立综合矩阵
种群遗传算法
原因
聚类问题-聚类分析
强调组合而非排列
各种优化算法适应值比较
算法
初始模块数（分布概率）
模块化重组
生成初始种群
初代基因关系变化
适应函数设计
加权求和法（大多采用）
本设计选取利用乘法求矩阵对应行列式的办法
Z值达到最大时个体最优，即模块组合最优
优化过程
注意不能确定所得为全局最优值还是局部最优值
经济性和环境性能评价：半定量评价方法
经济性评价：产品总体制造商成本变化指标
产品总体生产成本变化评价指标
产品维修成本变化指标
产品生命周期末端处理净成本变化指标
环境性能评价
Eco-indicator99方法
案例分析
家用电冰箱
种群算法设计过程
生成初始种群
交叉操作
变异操作
敏感度分析
全生命周期评价（LCA）
评价
简介
框架
目标和范围设定
清单分析
数据收集准备
数据收集
计算
分配
影响评价
影响类型、类型参数和特征化模型的选择
分类：将LCI结果划分到所选的影响类型中
特征化：类型参数结果的计算
解释
家用电冰箱全生命周期环境影响评价
研究现状
评价的目的和边界设定（相关数据做必要假设）
数据收集与清单分析
清单分析结果
能源消耗
原材料消耗
空气排放
水体排放
土壤排放
环境影响评价
步骤：分类、特征化、量化（标准化+加权评估）
方法：Eco-indicator99
损害类型分三类：人类健康、生态系统质量、资源
结果
解释：有目的、有重点地改进设计与工艺
生产环节改善措施分析
销售运输与使用环节的讨论
废气处理技术路线选取的分析
参数化-模块化-模版化LCA
基本思想
加工工艺级实施参数化建模
零部件级实施模块化建模
产品级实施模版化建模
参数化方法
概念：参数化、参数化设计、参数化造型
应用方式
设计尺寸参数化：通过尺寸参数换算为原材料的质量
输入输出参数化：以产品自然属性向量中的各个坐标为参数
加工工艺参数化：基于加工工艺参数和加工设备参数
基于加工工艺的参数化模型的建立
建立过程：假设和简化
软件开发中的实现：界面说明
实例分析
模块化方法
重用方式
直接引用
修改重用
模块数据库开发
与现有LCI数据库
数据存档格式
开发
模版化方法
基本概念
现有LCA软件操作流程
基于模版的生命周期评价方法的概念（用户操作流程简化）
理论基础
优点
模版建立&工作方式
图形化的产品建模方式
SimaPro的数据存档和数据输入方式
评价模版应用：尤其适用于中小型企业
参数化-模块化-模版化LCA应用案例
家用电冰箱生产阶段的环境影响评价
现有LCA软件评价过程
MPT-LCA评价过程
同系列产品评价
评价结果讨论
咖啡壶生产阶段环境影响评价
现有LCA软件评价过程
MPT-LCA中的评价过程
评价结果讨论
软件开发
现有LCA软件综述
相关研究
现有商业LCA软件介绍
SimaPro
GaBi
EIME
JEMAI-LCA Pro
KCL-ECO
BEES
现有LCA软件总结
同系列产品间没有联系
数据重用级别和效率较低
产品模型不够细化，影响清单精度
用户工作量较为繁重
MPT-LCA开发关键技术
数据库设计
LCI数据存档格式研究
现有数据存档格式介绍
ISO/TS14048数据格式规定
过程（过程描述+输入输出）
建模与确认
管理信息
SPINE数据格式
CPM数据存档原则
技术系统描述
数据获取时的选择原则描述
系统输入输出流
数量值的获取方法描述
模型的应用建议和其他相关信息
管理和通用信息
SPINE数据格式
核心概念：
活动activity
研究目的object of study
清单inventory
流flow
描述性文字QMetaData
流flow
MPT-LCA数据存档格式
主要原则：保证充足的数据质量信息
构建原则
保留现有数据格式的关键条目
将部分不常用数据条目并入其他相关条目
将一个数据集合合并为一个数据条目
过程存档格式
过程描述
输入输出
数据质量要求
管理信息
MPT-LCA数据库结构设计
数据库：Access2007
主要数据表结构
过程管理
ProcessList
FlowData
TecInput
ProcessCategory
Compartment
模块管理
ModuleList
ModuleInput
ModuleInput_Product
工程管理
ProductList
Manufacture
OtherPhase
Recycle
物质管理
SubstanceList
SubstanceCategory
评价方法管理
MethodList
Characterization
Nomalization
DamageCategory
数据库内容介绍
原材料数据
能源数据
加工工艺数据
其他数据
清单分析算法
基本模型及计算流程
清单：所有相关过程中基本流的叠加
过程process
输入input：中间产品流+物质流+能量流
输出output：废物流+产品流
基本流elementary flow：过程的环境属性
过程清单的计算模型
简单过程
基本过程
开环系统
多输出分配
带有内部闭环的系统
清单分析的执行步骤
计算结构
可选方法：
过程图流解法（MPT-LCA采用此法）
矩阵解法
使用过程图流法需满足四个条件
每一个过程，其产品是单一原材料或能量
每一种废弃处理方式只产生一种废弃物
所研究的产品系统与其他产品系统通过输入输出相联系
物质或能量流没有闭环
实际计算时需要做截断处理
算法实现
计算实现
求解联合过程的清单（基础函数）
模块的清单算法
处理方式
对于开环或者闭环的基本过程，三层以外的关联过程均做截断处理
环境影响评价模型及算法
定量化方法：定量模型评价
环境问题法
目标距离法
模型
LCIA技术步骤
分类
特征化
量化
本软件采用的LCIA方法
Eco-indicator99
11种影响类型关联三种损害类型
实施步骤
计算清单，统计过程
计算输入输出流损害值
三种损害类别加权得出指标值
计算方法（矩阵算法）
特征化
标准化
权重
算法实现
特征化的实现
环境影响评价的实现
系统开发
系统总体设计
总体设计
环境
开发环境：Visual C# 2008
数据库环境：Access 2007
功能模块
数据库管理模块
产品生命周期建模模块
分析计算模块
结果输出模块
功能设计
从模版、已有工程建立新工程
自定义评价模版
模块数据库及其相关操作
产品评价模版的建立
划分产品模块
建立模块的参数化模型
模块划分中的模块
只考虑外购件的原材料和能量消耗
建立工艺的参数化模型
建立生命周期其他阶段的模型
运输
使用
废弃
建立生命周期评价模版
其他部分的开发
基础数据库管理
物质管理
过程管理
模块管理
评价方法管理
工艺数据库管理界面
过程的对比评价
找出产品系统在其生命周期中对环境影响最大、最敏感的部分
并有针对的进行设计的改进
主要应用
产品生命周期评价结果的预估
产品加工工艺路线选择
全生命周期仿真（LCS）
概念和过程框架
环境协调型产品设计评价的一种核心技术：全生命周期仿真
核心：物流清单分析
优点：
提高了评估结果的现实意义
灵活、便捷、高效
特点：
重点关注了生命周期过程环节之间的相互联系和生命过程的动态演变机制
考虑了个体产品或生命周期环节的随机因素影响
优势：
可解决难以用解析方法直接描述、求解的难题
可实现多方面的评价
可实现多层次的评价
过程框架
一般产品系统的生命周期过程模型
明确定义过程环节的物质、能量、经济流参数和参数关系
对各环节的联结关系进行建模
定义控制规则或控制函数
基于蒙特卡洛仿真的生命周期评价不确定分析方法
步骤
汇编首组全生命周期清单
基于对这组生命周期清单数据不确定性及其对清单累计结果的影响程度的定性分析，筛选出一组主要的不确定性清单参数
选取不确定参数值的概率分布类型
进行随机仿真（蒙特卡洛法），计算结果的不确定性和均值
对仿真结果作进一步分析和讨论
蒙特卡洛仿真在LCA中应用的作用
多参数分析
全过程LCIA动态控制
预测信息丰富
有效考虑生命周期模型参数的相关性
实例：家用冰箱3R措施的资源和能源节约评价
研究目标和范围
目的
针对《条例》的实施
对我国废旧家用电冰箱处理能力的发展要求做出预测
对废弃家用冰箱回收处理和再资源化侧拉实施中的环境效益进行定量评估
为相关决策部门和重点行业企业提供决策支持
系统边界定义
家用冰箱生命周期仿真模型
需求预测模块
新生品生产过程模块
新生和再生冰箱使用过程模块
废旧冰箱回收处理过程模块
仿真场景
场景A
基于对城市用户对冰箱废弃情况对抽样调查情况
建立基于现状的冰箱废弃-再处理场景
场景B
基于《条例》相关规定
建立冰箱循环生产系统的仿真场景
仿真结果及讨论
相对庞大的废旧家电量来看，行业发展明显滞后
冰箱是典型能耗产品，不适宜整机再生的生命周期策略，着重材料和资源再生的EoLT策略带来的环境绩效要更好
结论
仅从"产品"层面寻求降低环境影响的方法其有效性是有限的
而以改革现有生产方式为目的"系统"层面上的环保措施的重要性将日益体现
实例：我国燃料乙醇全生命周期能源、排放和经济性评价
研究目标和范围
目标
量化"生物质燃料乙醇/汽油混合燃料车辆系统"全生命周期内
各相关社会单元的经济成本和投资风险
生命周期全过程的能量平衡
对大自然的总排放
对分析结果进行改善评估
为相关决策部门提供全面的决策支持
范围
车辆制造、使用、维修和报废后的回收和处置以及车用燃料的生产和销售过程中的
能量耗用、环境排放和相关社会单元的经济成本
系统边界
生物质燃料乙醇/汽油混合燃料车辆的全生命周期过程
"原料种植及运输"
"乙醇生产及运输"
"汽油生产及运输"
"E10混配"
"E10燃烧/车辆使用"
"车辆制造"及"车辆回收"
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
能耗计算模块的指标函数
排放技术模块的指标函数
主要经济评价指标：净现值NPV
基于蒙特卡洛仿真的生命周期评价模型
将仿真（模拟）方法引入生命周期"3E"评估
不确定性或风险因素
原料种植过程受天气、土壤、人力资源条件影响
生物乙醇供应链节点的地理分布差异
原料作物价格波动性
汽油价格
经济性、能效、排放评价结果
能耗
木薯、玉米、小麦燃料乙醇均有正的净能量值，并最终减少E10车辆生命周期化石能源消耗
三者中木薯燃料乙醇为最佳，其次是玉米，最后是小麦
排放
木薯、玉米乙醇基E10的生命周期排放除CO2、CO和VOC外，其他排放比一般汽油生命周期内的对应排放略有增加
小麦乙醇基E10的生命周期排放除CO2和VOC外，其他排放比一般汽油生命周期内的对应排放略有增加
经济性
木薯乙醇项目有着良好的经济可行性
陈化玉米燃料乙醇项目需要外部补贴
新鲜小麦燃料乙醇的经济风险很大
生产成本
E10的成本普遍高于一般汽油
在没有政府资助和补贴的情况下，E10的推广将面临很大的经济压力
结论和建议
建议使用木薯和陈化玉米为原料生产燃料乙醇，而不要使用新鲜小麦
从节省化石能源和减少环境排放的角度，鼓励使用农家肥，少用工业化肥
建议改燃煤锅炉为电锅炉
DfX
面向X的设计Design for X
多种技术的合称
X指产品设计中的特定目标
设计方法提出六个步骤
明确问题和设计目标
找到与问题和设计目标相关的要素
问题描述
产品建模
提出设计指导原则或设计方法
方法验证
面向可制造性的设计Manufacturability
基于设计规则
经典的DfM设计规则
我国学者归纳产品设计要求
基于特征分析
产品的功能设计和零件制造角度
形状特征
精度特征
材料特征
管理特征
产品生命周期角度
装配特征
维修特征
回收特征
面向装配和拆卸的设计Assembly and Disassembly
面向装配
主要包括
零件装配序列设计
零件装夹搬运设计
零件移动方式设计
使用者
实践中一般定义为产品功能结构的设计人员
装配工艺设计人员决定能否发展为好的DfA方法
功能
DfA研究的本身出发
结合使用者的感受
使用
不影响功能实现的基础上
时间：零件设计阶段&零件装配关系设计阶段
目前：零件和零件之间的关系层次
零件设计阶段
有效性：装配工艺人员"反馈"的质量来评价
高效性：装配工艺人员"反馈"的速度来评价
装配设计阶段
问题
装配的可行性
装配性的好坏
装配工艺人员进行装配工艺优化设计
反馈的质量更为重要，反馈的速度要求可稍微放松
面向拆卸
拆卸性设计一般原则
结构设计方便拆卸的原则
采用便于拆卸的零件与部件间的紧固方式
采用模块化结构设计
拆卸的可达性、方向性和联结数量
材料选择原则
减少产品零件数
采用相容性较好的同类材料
有害材料结构合成
避免金属件和塑料件相互嵌入
尽量使产品一次加工成型
拆卸易于实施的原则
增加拆卸识别标志
采用常规的拆卸工具
减少材料种类和使用便于回收的材料
减少零部件多样性
尽量将相同功能、相同类型和不同尺寸的零件、尺寸统一
采用组合结构，减少零部件数量
影响因素和评价指标
技术层面：拆卸效率
反映拆卸效率的关键因素
需分解的零部件或组件数量
紧固件联结数量
可达性
环境方面：能耗、废弃排放、噪声；操作者安全；
案例1:家用冰箱结构优化设计
预装箱体底板组件结构优化：零件合并策略
冰箱玻璃门体结构优化：简化紧固连接
压缩机底板组件结构优化：钣金冲切卡扣与卡片替代传统螺栓螺母
案例2:台式饮水机结构优化
电源线固定结构优化
电路板结构优化：插针插孔式电线连接器替代螺钉紧固
外壳结构优化：原结构中前板和两个侧板一体化
其他
卡夹连接代替螺钉连接
龙头和管路采用同种材料
明确标注零部件回收再利用信息
面向回收的设计Recycling
基本概念和设计原则
设计原则
尽量减少材料种类
尽量采用环境友好型材料
尽量减少电镀、涂覆、喷漆等方法
采用面向拆卸的设计方法
对于含有有毒物质的零件，应易于取出
尽量使废旧产品易于运输
最大障碍
回收设计者与回收受益者分离
回收是发生在未来的过程，面向回收设计的投入发生在现在，而收益发生在未来
影响回收过程的因素众多
案例研究-面向家电塑料回收的设计
家电塑料的可回收性设计
可回收材料及其标志
可回收工艺与方法
可回收经济评价
可回收性结构设计
家电废旧塑料再生利用技术
常用处理方法
填埋
焚烧
回收和再利用
再生利用方法
物理/机械回收法：作为树脂使用
化学性再利用：再生为树脂原料
供储备再利用：再生为油、气，制作塑料原料或燃料而利用
回收能量：用作燃料进行燃烧利用能源
废旧家电塑料的识别与分拣技术
针对家电废弃塑料分拣系统模型
人工拆解为外壳类&非外壳类
外壳类：人工外观识/浮选法别黑色、深黑色
非外壳类&人工分拣出浅色物料：色选装置分拣出黑色塑料
透明色或浅色：近红外光谱技术分选出PE、PS、ABS、PP、PVC
另可近红外光谱技术分选出PE、PS、ABS，水选PVC与PP
核心：近红外光谱识别技术
近红外光谱仪器
建立典型产品塑料材料的近红外光谱数据库和相应数据处理系统
光谱分析化学计量学软件结构
样品采集和编辑
校正模型
未知样品检测
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