面向产品生命周期的模块化设计方法研究

摘要

当前，环境问题已经被全世界各国所关注，绿色、低碳、可持续性发展成为全人类的共同主题。从环境系统的角度来讲，完整的产品生命周期包括原材料获取、产品制造、运输、使用与维护以及产品回收处理等阶段。传统的产品设计仅考虑了产品功能和制造等设计要素，缺少系统的生命周期过程分析。在产品实际的生命周期过程中，零件的处理方式会存在较强的互相冲突，在实施提高产品环境性能的各种措施时，这会增加处理的技术难度，产生较高的处理成本。通过模块中零件划分的调整，改变产品的模块化架构，可以有效的解决模块里不同零件间处理方式的冲突问题，提高产品的环境性能。因此，将模块化设计应用于以提高产品环境性能为目的的产品生命周期设计成为近年来的一个研究热点。
　　本研究在国家自然基金“面向产品多样性和绿色性的模块化设计与评价方法研究”(No.50775141)，和国家自然基金“基于仿真技术和遗传算法的环境调和性产品的设计研究”(No.51075275)的资助下，对面向生命周期的模块化设计所涉及到的相关内容展开研究，本文的主要研究内容如下：
　　1.面向生命周期的单一产品模块识别方法：根据本研究室已有相关研究成果，提出一种基于改进设计约束的面向生命周期模块优化识别方法。通过对已有产品的零件重新进行优化组合，产生新的模块化结构，提高产品的可维护性、可再利用性和可再循环性，实现产品生命周期的闭环化。首先，提出模块化产品的环境性能指标模型，并作为优化目标；其次，提出了基于功能流模型的产品功能约束和基于连通图的模块物理匹配性约束。最后，采用种群遗传算法进行优化识别问题求解。以某冰箱产品为对象进行了案例研究。
　　2.面向生命周期的产品簇模块识别方法：将研究对象由单一产品扩展为产品簇，面向产品簇的生命周期提出了基于并行种群遗传算法的产品簇模块识别方法。通过提高产品簇的可再利用性和可回收性，实现产品生命周期的闭环化。首先，分析了产品簇共性与环境性能的相互影响关系；其次提出基于矩阵分解法的共性约束构建方法和产品簇的环境性能指标模型；最后，以种群遗传算法为基础，提出了适用于产品簇模块识别的并行遗传算法。以某冰箱产品簇为对象进行了案例研究。
　　3.面向可重用性的模块设计接口研究：模块的可重用性是影响产品生命周期闭环化的重要因素之一。可重用性较好的模块由于使用量较大，所以会产生有利于再利用和回收的规模效应。为了提高模块的可重用性，提出面向模块可重用性的接口设计和接口使用方法。首先，根据接口在配置过程中的作用本文将接口分为三类，分别为：功能识别接口、实例化输入/输出接口和匹配接口；其次，给出每种接口的设计方法和接口参数生成方法；再次，针对模块多个输出之间的矛盾问题，提出一种基于多学科优化的解决方法；最后，因为接口参数生成需要包括自动化设计和自动化分析在内的多种技术，并且不同的技术需要由不同的软件来实现。所以，针对各软件的协同使用问题，提出各软件平台的集成方法。运用windows批处理命令将各种技术集成在UG/FK中，用文本文件完成各计算平台的数据交换。
　　4.应用原型系统的开发：为了方便各设计方法的使用，进行了本文设计方法的应用原型系统开发。本系统的用户操作界面在.net平台上使用C#语言开发。优化算法采用matlab实现，并编译为.net的动态链接库。首先进行了软件功能分析，然后基于三层架构模式进行软件架构设计，最后实现了具体的软件各模块功能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 相关研究概述

1.3 研究问题的提出

1.4 主要研究内容和论文组织结构

第二章 面向生命周期的单一产品模块识别方法

2.1模块环境性能指标模型的建立

2.3 面向生命周期的模块识别中设计约束的建立

2.4 基于种群遗传算法的优化

2.5 基于LCA的再设计结果评价方法

2.6 案例研究

2.7 本章小结

第三章 面向生命周期的产品簇模块识别方法

3.1 产品簇的共性与环境性能的相互影响

3.2 面向生命周期的产品簇模块识别方法

3.3 基于LCA的产品簇环境评价方法

3.4 案例研究

3.5 本章小结

第四章 面向可重用性的模块设计接口研究

4.1 设计可重用性、配置设计与模块接口

4.2 面向可重用性的生命周期模块接口设计

4.3 基于协同优化的性能输出冲突解决机制

4.4 各技术实现所需软件的系统集成

4.5 案例研究

4.6 本章小结

第五章 应用软件原型系统开发

5.1 系统需求分析与软件功能设计

5.2 系统架构设计

5.3 系统的主要功能实现

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 研究内容总结

6.2 论文创新点

6.3 研究展望

参考文献

攻读博士期间已发表或录用的论文

攻读博士期间参与的国家研究项目

致谢