张华绿色设计关键技术和支撑软CW武汉科技大学PPT课件.ppt

绿色设计关键技术和支撑软件 武汉科技大学张华 1 1本项目的目的 人类社会正在步入21世纪 回首即将过去的20世纪 制造业已成为创造人类财富的支柱产业 是人类社会物质文明和精神文明的基础 但是 另一方面 制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中以及产品的使用和处理过程中 消耗掉了大量人类社会有限的资源并对环境造成严重污染 有鉴于此 如何使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是21世纪制造业面临解决的重大问题 为此21世纪的制造业实施绿色制造已势在必行 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式 其目标是使得产品从设计 制造 包装 运输 使用到报废处理的整个产品生命周期中 对环境的影响 负作用 为零或者极小 资源消耗尽可能小 并使企业经济效益和社会效益协调优化 各国 国内外 专家的研究普遍认为 绿色制造是解决制造业环境污染问题的根本方法 是实施环境污染源头控制的关键途径 是二十一世纪制造业实现可持续发展的必由之路 1 目的和意义 绿色设计是绿色制造中的关键问题 是一种充分考虑产品生命周期各个阶段资源消耗和环境影响的现代产品设计方法 绿色设计者认为 要从根本上节约资源和减少产品生命周期各个阶段对环境的影响 关键在于设计过程 应该在设计阶段就充分考虑到产品在原材料获取 制造 运输 销售 使用 维护及报废后的回收处理等各阶段的环境影响 本项目的目的就是要为产品的绿色设计提供一系列的关键技术 支撑软件工具 重点不是研究具体产品的专门绿色设计方案 而是从系统的角度 从全局和集成的角度 研究绿色设计的共性关键技术和通用软件平台 1 2本项目的意义 1 绿色设计是数字化设计与制造技术发展的需要和有益补充 此外 绿色制造还被列为现代集成制造系统网络专题技术之一 因此绿色制造是现代集成制造系统的一个重要组成部分 并充分体现了现代集成制造系统的可持续发展战略特征 绿色设计是绿色制造重要的关键技术 能够有效地支持产品全生命周期的设计过程 使得产品节能 降耗并具有良好的环境友好性 因此绿色设计是现代集成制造系统中数字化设计与制造技术发展的需要和有益补充 绿色设计与绿色制造同现代集成制造系统 数字化设计与制造技术的关系如图1所示 图1 绿色设计与绿色制造是现代集成制造系统的重要组成部分 2 绿色设计是绿色产品开发和解决产品制造业环境污染问题的必然选择 具有重大社会效益 当前环境问题的严重性已是众所周知 但环境问题的主要根源在于产品制造业 制造业在将制造资源转变为产品的制造过程中以及产品的使用和处理过程中 消耗掉了大量人类社会有限的资源并对环境造成严重污染 有鉴于此 如何使制造业减少资源消耗和尽可能少地产生环境污染是21世纪制造业面临解决的重大问题 为此21世纪的制造业实施绿色设计与制造已势在必行 本项目将为产品绿色设计提供成套技术 支撑软件 因而具有重大的社会效益 3 为我国企业在21世纪取得显著经济效益提供机遇 可持续发展是二十一世纪的发展主题 人们的环境保护意识越来越强 已开始影响着消费行为 未来的市场是绿色产品的市场 实施绿色设计 开发绿色产品 可开拓新的市场 也是提高企业产品市场竞争力的重要途径 因此进行绿色产品的设计与制造对企业是一种机遇 4 本项目将为我国企业进入WTO和消除国际绿色贸易壁垒提供有力支撑 近年来 世界各国公众环境意识不断提高 对环境问题的关注也达到了史无前例的高度 绿色消费 浪潮促使企业在选择产品开发方向时越来越多地考虑人们消费观念中的环境原则 许多国家要求进口产品要进行绿色性认定 要有 绿色标志 特别是有些发达国家以保护本国环境为由 制定了极为苛刻的产品环境指标来限制国际产品特别是发展中国家产品进入本国市场 即设置 绿色贸易壁垒 本项目通过提供产品绿色设计技术和支撑平台 将为我国企业提高产品绿色性提供支撑手段 2 国内外研究现状 目前国内外有关绿色设计方面的研究主要集中在产品生命周期评估技术 产品拆卸与回收技术 绿色设计平台及其工具等研究领域 产品生命周期评估技术 进入九十年代后 随着各国政府和社会各界的日益重视 环境立法的逐渐完善和相关研究的深入 人们开始研究产品在其整个生命周期中的环境问题 并研究如何在产品设计时来避免和减少环境污染 比较突出的研究机构有 丹麦工业大学 荷兰Delft大学 Leiden大学 英国曼城大学 德国的IPK研究院 柏林工业大学 美国和欧洲的SETAC委员会等 ISO标准组织 美国Berkley加州大学 CarnegieMellon大学 Standford大学 MIT NJIT等等 其中 产品生命周期评价 LCA LifeCycleAssessment 技术是其中最为活跃 目前应用更广泛的一项技术 目前 LCA方法的基本框架已经形成国际标准ISO14040 但环境影响评估方法还未达成共识 在评估方法和数据库方面还有待进一步完善 一些研究指出LCA评估方法存在缺陷 并认为应该开发更为方便有效的评估方法 以支持产品系统绿色设计的发展 如Graedel指出目前LCA方法的固有缺陷 耗费大量人力 物力 难以掌握 并提出了StreamlinedLCA方法 减少了对数据的需求 提高了方法的易于操作性 目前有关LCA评估方法和数据库的研究也比较热 如荷兰Leiden大学CML实验室有关CML方法的研究 Delft大学的DFS研究中心有关Idematcat材料数据库的研究 Pre公司的Eco indicator方法的研究 丹麦工业大学IPT研究所的Alting小组有关EDIP方法的研究 英国的Boustead咨询公司有关数据库模型的研究 美国的CARnegieMellon大学的绿色设计研究中心有关EIO LCA的研究等 产品拆卸回收技术 拆卸回收分析问题与面向装配的拆卸分析有着本质的不同 原有的面向装配的拆卸分析建模方法难以建立准确 适用的产品拆卸回收分析模型 人们在不断探讨更为合理的方法 Zhang和Kuo建立的拆卸模型通过无向图模型描述产品结构 并把拆卸回收分析问题转化为图论的搜索问题 其中 通过割点的求解得到子装配体 Lambert通过一种有向网络图来描述产品的拆卸结构 并通过线形规划方法求解最优的拆卸顺序 其中的节点是任意可能的子拆卸体 拆卸的方向是从图模型的左方向右方拆卸 因而图中不必标出方向 其中不足之处是建模难度大 与CAD工具集成性差 Srinivasan和Gadh等利用所谓的 WavePropagation 方法求解目标零部件拆卸问题 可以应用于二维和三维装配体中 值得注意的是 模型的两个优化目标是最少数目的零部件参与移动量最小 实际的拆卸回收过程非常复杂 尤其是产品报废后零部件的外观和技术特性存在较大的不确定性 因此 Zussman Zhou Caudill等人利用神经网络等方法对拆卸回收及其再制造过程进行动态建模 Seo等人则利用遗传算法得到优化的产品拆卸顺序 Johnson和Wang利用MRO 材料回收指标 研究产品拆卸规划问题 其优化目标包括 材料兼容性 处置件聚簇 并行拆卸操作 收入最高 近年来 一些研究者也在不断探讨将其他设计方法融入绿色设计过程中 如并行工程及CAM技术和绿色设计的结合 模块化设计方法的应用 公理化方法的应用等 绿色设计支撑软件的开发 目前已开发出一些关于绿色设计的软件工具 这些软件包括数据库软件 如卡内基梅隆大学的Koning 生命周期分析软件 如荷兰Pre公司的SimaPro 斯坦福大学的LASeR 以及ECOBilan公司的TEAM及其数据库DEAMS等等 总之 绿色设计相关技术 软件的研究与开发正在国际上迅速开展 特别是近年来 国际标准化组织ISO发布了有关环境管理体系的ISO14000系列标准 如14001 14040等 各国也纷纷制定了与绿色产品相关标准 法规 不断推动着绿色设计与制造的研究更加活跃和迅速发展 在我国 近年来在绿色设计与制造及相关问题方面也进行了大量的研究 国家自然科学基金和国家863 CIMS主题均支持了一定数量的绿色制造方面的研究课题 已取得了不少研究成果 国家863 CIMS主题还在中国现代集成制造系统网络 CIMSNet 开辟了绿色制造专题 对国内外绿色制造研究情况进行了综合介绍 国内不少高校和研究院所如重庆大学 清华大学 机械科学研究院 上海交通大学 合肥工业大学 华中理工大学等对绿色制造的理论体系 绿色设计技术等等都进行了大量的研究 已取得不少研究成果 但应该看到 由于研究积累少 研究资金匮乏 绿色设计在国内尚属一个崭新的研究领域 其研究还属起步阶段 很多项目主要集中在单元技术的研究 以及以概念与结构框架为主的研究 还限于目标层面 缺乏系统深入的研究 更没有深入到制造业的产品设计实践中去 另外 关于绿色设计的支撑软件方面 国内几乎没怎么开展 与国外的差距更大 综上所述 从国内外研究现状也可说明 开展绿色设计的关键技术及支撑软件研究非常必要 3 目标及内容 3 1研究目标 本项目将首次在我国系统地研究绿色设计的关键技术及支撑软件 具有工作量很大 但预期目标和成果十分显著的特点 研究目标主要包括 提供我国实施绿色设计所急需的共性关键技术 绿色设计的共性关键技术包括 绿色产品规划技术 绿色产品方案设计技术 绿色材料选择技术 绿色产品结构设计技术 面向绿色工艺的设计技术 绿色包装设计 绿色回收处理方案设计等产品生命周期各个阶段或环节的相关技术 如图2所示 图2绿色设计的共性关键技术 提供我国企业实施绿色设计技术所需的计算机软件和软件开发平台 主要包括 1 绿色设计的数据库和知识库研制绿色设计的数据库和知识库 为绿色设计 绿色材料选择 绿色工艺规划和回收处理方案设计提供数据支撑和知识支撑 2 产品环境影响评估系统 包括产品生命周期评估系统产品生命周期评估系统要对产品生命周期中的资源消耗和环境影响的情况进行评估 评估的主要内容包括 制造过程物料的消耗状况 制造过程能源的消耗状况 制造过程对环境的污染状况 产品使用过程对环境的污染状况 产品寿命终结后对环境的污染状况等 3 绿色设计的实施工具和产品研究绿色设计的支撑软件 包括计算机辅助绿色设计 绿色产品评价系统等 完成若干复杂的机械产品 如机床等 的绿色产品设计实例 3 2研究内容 本项目将从系统的角度 从全局和集成的角度 研究绿色设计的共性关键技术 支撑技术和支撑软件 其研究内容主要包括 一 绿色设计共性关键技术的研究 绿色设计技术是绿色制造的重要子领域 绿色设计 又称面向环境的设计 DesignforEnvironment 是指在产品及其生命周期全过程的设计中 充分考虑对资源和环境的影响 充分考虑产品的功能 质量 开发周期和成本的同时 优化各有关设计因素 使得产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小 资源消耗最少 其主要研究内容包括 1 绿色产品规划技术 产品规划是产品设计的前提 也是产品开发进程的第一阶段 产品规划中的决策错误必然导致产品开发全过程的徒劳和最终的失败 产品规划的任务是在掌握技术发展和市场走向的基础上系统地寻找和选择有前途的产品作为开发对象 进而明确开发目标和要求 并制订企业产品开发的远期和近期计划 绿色产品规划是指寻找和选择产品开发对象 使得在满足市场需求的前提下 产品生命周期全过程要符合生态环境保护要求 2 绿色产品方案设计技术 绿色产品方案设计是指选择和设计产品方案 使得在保证产品功能和质量以及其它必要条件的前提下 产品及其制造过程的资源利用率尽可能高 环境污染尽可能小 包括产品原理 方法 总体布局 产品类型等方面的选择和设计 3 绿色材料选择技术 材料选择是产品设计过程中最早和最重要的阶段之一 其绿色特性对产品的绿色性能具有极为重要的影响 适于绿色产品的材料不仅应满足产品的基本性能要求 还应有利于保护生态环境 绿色设计的材料选择要求在产品设计中尽可能选用对生态环境影响小的材料 即选用绿色材料 GreenMaterial GM 绿色材料是一种相对概念 尚处于不断发展与完善过程中 目前 绿色材料是指具有良好使用性能 并在制备 加工 使用乃至报废后回收处理的生命周期全过程中能耗少 资源利用率高 对环境少无污染 且易回收处理的材料 绿色产品结构设计的主要目标是采用尽可能合理和优化的结构 以减少资源的消耗和浪费 从而减少对环境的影响 绿色产品结构设计技术包括结构优化设计技术 标准化 模块化设计技术 可拆卸性设计技术等 5 面向绿色工艺的设计技术 1 4 绿色产品结构设计技术 产品设计对制造工艺有着直接的影响 本研究将深入研究产品设计方案与制造工艺之间的相关关系 并提出一系列的从设计角度减少制造过程环境影响的方法 6 绿色包装设计技术 绿色包装技术的主要研究内容是面向环境的产品包装方案设计 就是从环境保护的角度 优化产品包装方案 使得资源消耗和废弃物产生最小 目前这方面的研究很广泛 但大致可以分为包装材料 包装结构和包装废弃物回收处理三个方面 产品生命周期终结后 若不回收处理 将造成资源浪费并导致环境污染 绿色处理即面向环境的产品回收处理问题是个系统工程问题 从产品设计开始就要充分考虑这个问题 并作系统分类处理 产品寿命终结后 可以有多种不同的处理方案 如 再使用 再利用 废弃等 各种方案的处理成本和回收价值都不一样 需要对各种方案进行分析与评估 确定出最佳的回收处理方案 从而以最少的成本代价 获得最高的回收价值 即进行绿色产品回收处理方案设计 评价产品回收处理方案设计主要考察三方面 效益最大化 重新利用的零部件尽可能多 废弃部分尽可能少 本项目将针对量大面广的典型机电产品 如PCB产品 汽车 手机等 研究其零部件及材料的回收 回用技术 开发基于环境友好性 经济性优化技术的决策管理工具 解决目前关键的废弃物回收利用问题 1 7 绿色产品回收处理方案设计技术 二 绿色设计支撑软件开发 1 绿色设计的数据库和知识库 研究绿色设计的数据库和知识库 为绿色设计 绿色材料选择 绿色工艺规划和回收处理方案设计提供数据支撑和知识支撑 绿色设计的目标就是如何将环境需求与其它需求有机的结合在一起 比较理想的方法是将CAD和环境信息集成起来 以便使设计人员在设计过程中象在传统设计中获得有关技术信息与成本信息一样能够获得所有有关的环境数据 这是绿色设计的前提条件 只有这样设计人员才能根据环境需求设计开发产品 获取设计决策所造成的环境影响的具体情况 并可将设计结果与给定的需求比较对设计