面向机电产品方案设计的生命周期评价关键技术研究

【摘要】：生命周期评价(Life Cycle Assessment, LCA)作为一种量化的环境管理工具是绿色设计与制造的关键支撑技术,是制造业可持续发展的理论基础。针对当前LCA方法对产品生命周期场景特性反映少,难以有效支持绿色设计的现状,对面向机电产品方案设计的生命周期评价关键技术进行了系统研究。 (1)通过分析与归纳机电产品全生命周期各阶段的主要内容、环境属性与特征,从物质与能量的角度建立了产品环境输入输出模型；提出了产品生命周期场景概念,建立了场景属性表达模型；基于产品统计分析,建立了场景属性概率矩阵。以单个产品和产品类的场景模型为基础,构建了机电产品设计方案的生命周期场景预测模型,为设计方案的LCA预测评价提供了理论依据。 (2)针对产品生命周期中存在的多空间特性,通过分析几种主要的环境影响类型及其特征化方法,明确了环境影响的空间差异性,提出了多尺度环境空间概念。基于我国现行的法律法规,对环境影响空间特性及其尺度划分进行了详细研究,提出了环境空间特征化因子计算方法,并进行了实例研究。在ISO 14044框架下,建立了基于多尺度环境空间的生命周期影响评价(Life Cycle Impact Assessment, LCIA)方法框架,并描述了影响评价计算过程。 (3)通过对机电产品全生命周期环境影响信息的分析,提出了三元组合的绿色特征概念；基于环境约束条件建立了绿色特征筛选函数,通过该函数对存在形式各异的大量绿色信息进行筛选、提取并聚合为绿色特征矩阵。通过分析现有LCA的简化思路与途径,提出了基于绿色特征的快速生命周期评价(Rapid LCA, RLCA)模型和基本流程。分析了生命周期评价不确定性产生的原因,提出了基于多元回归的LCA敏感性和不确定性分析方法和流程。 基于既有产品的场景特征模型和绿色特征的概念,以及多元回归的敏感性分析方法,RLCA可满足机电产品设计方案的环境影响评价要求。 (4)根据产品功能实现与结构单元输入输出量之间的关系,分析了绿色特征与功能结构之间的映射关系,建立了基于绿色特征的设计方案表达模型。从环境、技术、经济三方面进行综合考虑,建立了递阶型设计方案综合评价指标体系；基于模糊评价原理,建立了定性指标标准化模型,举例说明了对象元素等级划分方法；基于数值分析方法,建立了定量指标标准化模型和处理流程,提出了基准值的参考形式。结合层次分析法和模糊评价法建立了绿色设计方案的AHP-FCE综合评价模型,详细说明了评价步骤和流程。 (5)在LCA理论方法研究基础上,遵循ISO系列标准,开发了基于网络的机电产品生命周期评价系统(Mechanical Products LCA Software, MLCAS)。在分析Y80电机基本结构参数和生命周期场景信息基础上,应用MLCAS系统对其进行了评价,并对Y80电机的LCA进行了敏感性和不确定性分析,对评价结果进行了解释和讨论。