机电产品可持续设计及其评价方法的研究

发布时间：2019-08-13 15:31

【摘要】：我国制造业高速发展的同时,也面临着社会需求与经济及生态的发展不平衡问题。可持续设计是以环境负荷最小、成本最低和社会效益最高为目标,从源头解决三者之间不平衡问题的根本方法之一。国内外学者在环境意识设计、绿色材料选择、绿色工艺设计、绿色包装设计、可拆卸性设计等方面已进行了广泛的研究并将部分成果应用于实际产品开发。但是,偏重于环境保护的设计有时会造成产品成本的增加,降低了产品在市场中的竞争力,从而制约了可持续设计的有效实施。建立可持续与产品结构设计的量化模型,采用智能方法改进结构设计,基于评价指标多层次多属性决策特点研究可持续设计和综合评价方法,对于实现产品零污染、低成本和高社会效益的目标至关重要。将环境、经济和社会需求映射到产品功能和结构设计是进行可持续设计的前提,而可持续设计评价指标多样化、模糊性、定性与定量相结合、静态与动态并存的特点,迫切需要进行综合评价方法的研究。本文以机电产品为研究对象,分析产品可持续需求在结构设计中的定量描述方法,对静态和动态评价方法进行了深入研究,为满足产品可持续需求提供了方法支撑。建立了基于功能结构的可持续设计体系框架,分析了机电产品在生命周期各阶段与可持续相关的因素,解决了可持续设计概念宽泛、难以指导实际产品设计过程的问题;为了促进可持续设计的有效实施,提出了机电产品可持续设计评价体系框架,建立了综合评价指标多层次结构模型,通过可持续设计综合评价方法的研究,使评价结果反馈于设计者进行产品设计改进。为了建立可持续与结构设计定量关系模型,提出了利用模块化优势实现可持续设计的方法。在传统功能和结构基础上,增加材料、制造性、零件寿命和生命终止选择等因素,提出了零件之间相似性和依赖性的定量描述方法,实现了6R(Reduce、Reuse、Recycle、Recover、Redesign、Remanufacture)与模块驱动因素的集成。利用具有分析产品系统元素优势的设计结构矩阵描述零件之间相互关联关系,通过设定聚类有效性函数,评价模块内部强耦合和模块之间弱耦合关系,提出了基于核函数的模糊C均值算法,根据零件相互关系距离实现模块划分,并通过遗传优化对聚类个数进行优化,提高了模块划分效率和准确性。以转子实验台为实例,验证了提出方法的有效性。基于可持续设计评价指标具有复杂性、模糊性、不确定性等特点,利用可拓理论具有模型化、定性与定量相结合的优势,建立了可持续设计静态评价量化模型。利用不需要专家知识的熵权方法确定评价指标的权重,建立待评价对象与经典域和节域的隶属度矩阵,通过每一层次的叠加集成所有因素于多层次结构模型中,得到产品可持续性指数,实现多层次综合评价。在赫克机床上进行了不同加工参数下的面铣削实验,证明了提出方法有助于加工过程可持续性评价和选择。另外,对普通机床和数控机床的可持续性进行评价,证明了在设计过程中同时考虑功能和可持续性的必要性,并验证了提出方法的有效性。针对静态评价方法难以处理与时间相关的动态评价指标的问题,将具有基于经典控制理论描述系统中反馈和动态性优势的系统动力学方法引入到可持续设计动态评价中。将全生命周期分为六个阶段,分别建立了与时间维度相关的可持续设计动态评价定量模型,给出了具体设计参数或制造参数等与时间的定量关系模型。基于VEBSIM软件建立了机床使用过程动态指标的因果关系模型,并以赫克机床和哈斯机床在相同时间内、相同加工参数条件下,计算了产品可持续性指数,证明了动态评价方法的可行性。
【图文】：

可持续设计包含的内容Fig.1-2Thecontentsofsustainabledesign

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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB472
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本文编号：2526205