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                    汽車典型零部件化碳設計集成系統設計

                    添加時間:2018/12/11 來源:合肥工業大學 作者:蔣詩新
                    隨著經濟的快速的發展,人們的生活水平得到了極大的改善,但同時也帶來了環境問題,近年來,我國的全球變暖、霧霾等環境問題變得也來越嚴重,為了緩解環境問題,實現經濟社會的綠色發展,可持續發展。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著我國經濟的飛速發展,汽車制造業迎來了高速發展的機遇。然而目前我國汽車制造業的發展主要依靠能源、資源的高投入,這種發展模式在一定程度上導致了我國資源的短缺與環境的污染。因此,為了應對市場競爭,促進汽車產業的綠色、健康發展,必須在汽車產品的設計過程中綜合考慮汽車產品的設計效率與環境屬性。將產品生命周期評價與 CAD 設計軟件集成,實現在汽車產品設計過程中對其環境性能的實時評估,這對提高汽車產品的設計效率與環境性能具有一定的意義,是汽車產品設計的重要研究方向。

                      本文在對汽車產品結構與制造工藝分析的基礎上進行了其生命周期碳排放分析,確定了汽車產品生命周期碳排放主要影響因素,并提出了汽車產品進行低碳設計與制造的實施策略;基于汽車產品生命周期碳排放特性,提出了產品生命周期碳排放量化方法,運用該方法對汽車產品生命周期碳排放進行了量化研究,構建了其生命周期碳排放量化模型,并從汽車產品的結構、材料、工藝、拆卸回收的角度,構造了汽車產品低碳評價指標,提出了識別汽車零部件低碳優化設計潛能的方法,建立了評價結果與設計建議的反饋機制;對 Creo 二次開發技術、數據庫技術及特征識別與匹配技術進行了分析、研究,提出了汽車典型零部件低碳設計集成系統的理論實現方案;開發了汽車典型零部件低碳設計集成系統,實現了在零件設計過程中實時評價零件的碳排放特性并反饋低碳改進建議;最后,以汽車發動機的設計過程為例,闡述了集成系統的運行流程與操作方法,驗證了該集成系統的有效性。

                      關鍵詞:汽車;生命周期;低碳設計;Creo 二次開發

                    ABSTRACT

                      With the rapidly development of our Chinese economy, the automobile manufacturing industry acquire an opportunity to high-speed developed. However, the automobile consume a lot of resources and energy, and discharges large amounts of pollutants during its life cycle (from raw material acquisition, manufacturing to the recycling). This leaping development of automobile has led to resource shortages and environmental problems, which hinder the sustainable development of our Chinese economy. In addition, the design of automobile has to consider how to improve the design efficiency and cut down the cost for response to market competition. Therefore, it is necessary for the sustainable development of automobile industry to taking the environmental performance and the design efficiency into consideration during its design phase. This paper presented a low-carbon design method which integrated life cycle assessment with CAD design software, achieved the real-time environmental performance assessment during the product designing and feedback the evaluation results and design suggestions to guiding the optimized design. It is beneficial to promoting the green development of the automotive industry. The detail contents of this paper are as follows:

                      Firstly, the paper analyzed the life cycle carbon emission characteristics of automobile components based on life cycle theory, identified its source of carbon emissions. Secondly, the quantitative method of carbon emission is proposed and the life cycle carbon emission quantitative model of automobile components is established.

                      Thirdly, the method to identified carbon emission optimization potential of components is put forward, and established a feedback mechanism of evolution result and low-carbon design suggestion. Then, the key technologies (Creo re-development technology, CAPP technology, etc.) for LCA/CAD integrated are studied. Finally, based on the above theoretical studies, the low-carbon design integrated system is developed to support low-carbon design of automotive parts, and take the engine as an example to verify the effectiveness of the integrated system.

                      Keywords: automotive; life cycle; low-carbon design; Creo redevelopment

                      隨著我國經濟的高速發展,科學技術不斷的進步,制造業的自動化、數字化、智能化程度越來越高,汽車、家電產品、電子消費品等產品的產量與保有量已躍居世界前列,部分行業在國際上具有明顯優勢。制造業經過 20 多年來的發展所取得了的巨大成就使我國成為世界首屈一指的制造大國,是我國綜合國力提高的重要標志,為我國實現―中國制造 2025‖奠定了堅實的基礎。然而,目前我國制造業高速發展主要依靠能源與資源的大量投入,這種粗放型的制造業發展模式消耗大量的能源、資源,引起了我國能源、資源的短缺問題,此外,這種高投入、高消耗發展模式也帶來了相應的環境問題。由于我國能源結構不合理,低碳能源的發展與利用程度還很低,使我國制造業的發展呈現明顯的―高碳‖特征。據統計,目前我國碳排放總量已高居世界第二,而制造業所消耗的能源占全國一次能耗的63%,其中單位產品的能耗高出國際水平 20%~30%,故制造業是我國溫室氣體排放的重要來源[1]。

                      汽車產業作為國民經濟的支柱性產業,近年來其規模發展迅猛,產銷量逐年提升,連續六年世界新車產銷第一。據統計,2000 年到 2014 年,我國汽車產量從 207 萬輛躍升到 2372.52 萬輛,漲幅超過 10 倍,隨著汽車產量的迅猛增長,我國汽車的保有量呈現指數曲線逐年遞增,截至到 2014 年底,汽車保有量達 1.46億輛(國家統計局,2014),我國近十五年汽車產量及保有量變化趨勢如圖 1.1 所示。汽車產銷量迅猛增長的背后也必然給社會帶來資源、能源、環境問題。

                     。1)能源、資源的短缺及能源的高碳排放問題。作為高能耗、高物耗產業,汽車產品產量的大幅度上升必然會消耗大量的能源、資源。據統計,2000 年到 2014年我國汽車制造業能源消費總量從 1502.38 萬噸標準煤上升到 3189.438 萬噸標準煤(國家統計局,2014),能源的消耗量增長了 2 倍,這種高能耗的生產模式對我國能源的供應制造了很大挑戰,嚴重阻礙了我國經濟的可持續增長。如何在嚴峻的能源、資源環境形勢下,保證工業的可持續發展,這是我國現階段急需考慮的問題。其次,我國能源結構不合理,能源消費以煤碳為主,雖然近年來我國能源結構總體上朝著優質化方向發展,但截至 2014 年煤炭占能源消費的依然達到了百分之六十以上,比世界平均比重高三十個百分點。此外,能源的利用率低于國際水平,低碳能源的發展與利用程度還很低。這些因素使我國汽車制造業呈現―高碳‖特征。

                     。2)汽車尾氣排放量急劇升高,對環境影響越來越顯著。汽車尾氣的主要組成有碳氧化物、碳氫化合物、固體懸浮微粒、氮氧化物等,這些有害物質對環境及人體健康產生了極大的危害,主要體現在一下三點:第一,城市氣溫逐年上升。

                      尾氣成份中的 CO2、SO2等是典型的溫室氣體,一旦排入空氣,可以造成溫室效應,促使氣溫升高;第二,危害人體健康。氮氧化物被人體攝入后會損害人體的呼吸系統從而引起各種疾;第三,地球氣候異化,出現酸雨、黑雨等現象。

                     。3)廢舊汽車的處理問題。據有關報道,目前我國汽車的保有量超過 1.72億臺,每年更新換代產生的報廢汽車就多達 1000 多萬輛,并且隨著時間往后推移,這個數據預期在若干年內會有增無減。如果廢棄復雜產品的拆解及回收處理不及時,那么對環境也必然會產生很大的壓力。

                      科學技術的飛速發展,使各國經濟得到迅猛發展,給人們帶來了更加優質的生活,同時它也給我們賴以生存的家園帶來了嚴重的環境污染。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第三次評估報告:自 1860 年氣象觀測記錄以來,全球平均溫度上升了 0.6℃,最近 100 年的溫度是過去 1000 年中最暖的,最暖的年份出現在 1983 年后,而最近 20 年又是過去 100 年中最暖的。因此,為了應對日益突出的全球氣候變暖問題,國際社會對此進行深入的研討,并陸續頒布了相關的減排文件(見表 1.1)。世界各國針對各國國情也相繼制定了相關的法律法規。

                      在全社會樹立―源頭控制‖的理念。英國從 1974 年開始為治理倫敦煙霧相繼頒布《污染控制法案》、《機動車燃料管理辦法》、《污染控制法案》、產品環境足跡等;美國從 1970 年開始為治理洛杉磯煙霧、應對多諾拉事件頒布《清潔空氣法》,并于 2012 年將汽車油耗標識加入環保信息;日本為治理應對四目日事件、東京大氣污染訴訟于 1999 制定領跑者計劃,并先后頒布《降低汽車尾氣排放對策方案》、《新環保車輛減稅制度》。此外,歐盟為規范電子電氣設備管理頒布了 ROHS、WEEE、EUP 指令,對相關產品的危害物質含量、回收處理、能耗產品的生態化設計做出了相關規定。為應對氣候變化,我國也制定了一系列的環保政策法規,采取了一系列的減排措施。如 2007 年發布了《中國應對氣候變化國家方案》,該方案系統地介紹了我國在 2010 年前應對氣候變化的政策法規;2008 年國務院針對氣候變化問題首次發表了《中國應對氣候變化的政策與行動》白皮書,系統地闡述了氣候變化對中國可持續發展的影響以及中國應對氣候變化所采取的減排措施及制定的政策法規。因此,企業如何在國際政策標準要求的背景下,打破國際綠色貿易壁壘;如何在政府各項政策制度的發展背景下,跟上國家步伐,這是我國企業目前所面臨的嚴峻挑戰。

                      汽車典型零部件化碳設計集成系統開發應用:

                    參數化設計
                    參數化設計

                    零件模型數據庫
                    零件模型數據庫

                    材料選擇
                    材料選擇

                    工藝設計
                    工藝設計

                    碳排放評估
                    碳排放評估

                    設計建議
                    設計建議

                    目 錄

                      第一章 緒論
                        1.1 課題研究背景
                          1.1.1 環境問題的凸顯
                          1.1.2 國內外環保政策及法律法規
                          1.1.3 汽車生態設計的興起
                          1.1.4 CAD 技術的快速發展
                        1.2 國內外相關技術研究現狀
                          1.2.1 產品低碳設計技術研究現狀
                          1.2.2 模型特征識別與匹配技術研究現狀
                          1.2.3 CAD 技術研究現狀
                        1.3 課題研究意義及來源
                          1.3.1 課題研究意義
                          1.3.2 課題來源
                        1.4 論文主要的研究內容及實施方案
                        1.5 論文的組織框架
                      第二章 汽車典型零部件生命周期碳排放分析
                        2.1 碳排放分類及碳排放因子
                          2.1.1 碳排放分類
                          2.1.2 碳排放因子
                        2.2 汽車的結構及其制造工藝分析
                          2.2.1 汽車的結構
                          2.2.2 汽車典型零部件的制造工藝分析
                        2.3 汽車典型零部件生命周期碳足跡分析
                        2.4 汽車典型零部件低碳設計與制造的實施策略
                          2.4.1 低碳設計與制造
                          2.4.2 低碳設計與制造的實施策略
                        2.5 本章小結
                      第三章 汽車典型零部件生命周期碳排放量化及優化研究
                        3.1 碳排放量化方法
                        3.2 原材料階段碳排放量化模型
                        3.3 制造階段碳排放量化模型
                          3.3.1 典型成形工藝過程碳排放的量化分析
                          3.3.2 焊接工藝過程碳排放的量化分析
                          3.3.3 熱處理過程碳排放量化分析
                          3.3.4 典型機械加工過程碳排放的量化分析
                          3.3.5 涂裝過程碳排放的量化分析
                          3.3.6 裝配過程碳排放的量化分析
                        3.4 零部件低碳設計優化潛能及設計建議
                        3.5 本章小結
                      第四章 低碳設計集成系統關鍵技術研究
                        4.1 Creo 二次開發關鍵技術研究
                          4.1.1 基于 Pro/Toolkit 的 Creo 二次開發
                          4.1.2 參數化設計技術
                          4.1.3 數據庫管理技術
                        4.2 特征的識別與提取關鍵技術研究
                          4.2.1 零件模型信息
                          4.2.2 零件特征的表示及特征分類
                          4.2.3 零件特征的識別、提取與匹配
                        4.3 集成系統理論實現方案
                        4.4 本章小結
                      第五章 汽車典型零部件低碳設計集成系統的開發與應用
                        5.1 低碳設計集成系統的開發
                          5.1.1 低碳設計集成系統的開發與運行環境
                          5.1.2 低碳設計集成系統的總體框架及模塊功能簡介
                        5.2 集成系統工作流程
                        5.3 應用實例
                        5.4 本章小結
                      第六章 總結與展望
                        6.1 全文總結
                        6.2 研究展望
                      參考文獻
                      攻讀碩士學位期間的學術活動及成果情況

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