面向方案设计阶段的产品生命周期设计方法研究

摘要

资源耗竭与生态环境破坏问题要求我们否定“高生产、高消费、高污染”的传统发展模式和“先污染、后治理”的处理方式,转而走“可持续”的发展道路,进行环境问题的“源头控制”。产品生命周期设计是解决环境问题的最有效方法之一,是在产品设计阶段就考虑产品全生命周期各个阶段各种因素的一种设计方法,其目标是在满足产品必要的功能、性能和经济性要求的基础上,实现生命周期资源利用效率的最大化,环境影响的最小化。
　　方案设计是产品设计过程中的最为重要的阶段之一,在很大程度上决定着产品最终性能,因此在该阶段开展生命周期设计对提高产品生命周期性能具体关键作用。本研究在国家自然科学基金《基于仿真技术和遗传算法的环境调和性产品的设计研究》(50775141)资助下,重点针对方案设计阶段进行了以下产品生命周期设计方法研究:
　　1.面向方案设计阶段的产品生命周期设计框架
　　基于公理化设计原理对产品生命周期设计进行了描述。通过对传统产品设计“域”的扩展,提出了产品生命周期设计的“需求域”、“功能域”和“方案域”,给出了各个“域”所包含的设计元素,分析和重构了“域”间映射关系,为产品生命周期设计方法研究提供了理论基础。
　　通过理论分析提出了产品生命周期设计是将“产品”和“产品生命周期过程”有机地组合在一起进行设计,并从“产品”和“过程”两个方面分析了方案设计阶段产品生命周期设计的核心内容,即产品绿色方案设计和产品生命周期过程闭环化方案设计。在此基础上,提出了基于“目标定义”-“产品初步方案设计”-“产品生命周期过程方案设计”-“产品方案绿色改进设计”-“产品生命周期方案评价”的设计过程模型,分析了设计实现方法和关键技术,提出了支持生命周期设计的产品信息模型。
　　2.面向方案设计阶段的产品生命周期设计方法
　　基于“可持续性”内涵,提出了产品生命周期设计目标体系和目标描述方法。给出了基于需求分析的产品生命周期环境目标定义方法,通过对生命周期环境需求信息的收集、整理、筛选和规范化描述,将其转化为明确、可量化产品生命周期环境设计目标和约束,从而能更有效地指导设计开展。提出了基于产品层次的过程设计策略分析和结构单元层次的过程设计选项适用性分析的两层次产品生命周期过程方案设计方法,实现了环境目标到生命周期过程方案的转化。提出了基于设计准则和QFD的产品方案绿色改进设计方法,指出了产品绿色设计准则具体应用方法,通过生命周期环境目标与产品绿色设计措施选项、产品绿色设计措施选项与结构单元相关性量化分析,实现环境性能目标到产品方案绿色设计改进要求的转化。
　　3.基于仿真的产品生命周期设计评价方法
　　针对产品生命周期设计复杂性特点和方案设计阶段创新性特点,提出了基于生命周期仿真的产品生命周期设计评价框架,包括仿真输入建模、仿真执行和基于仿真结果的设计评价。在评价框架基础上,首先对产品周期设计方案的特性提炼,提出了基于“产品模型”、“生命周期过程模型”和“用户模型”的仿真输入模型,将设计方案信息有效转化为仿真输入参数;然后,提出了离散制造型产品的一般化生命周期仿真模型。基于离散事件系统仿真原理分析并定义了产品生命周期仿真系统的“实体”、“事件”和“活动”要素,分析了要素间的内在逻辑关系,在此基础上提出了产品生命周期仿真控制逻辑、仿真输出指标、构成生命周期过程的主要“活动”模型(包括产品制造、分配、使用、维修/维护/升级和回收处理)、生命周期成本计算模型和清单分析模型。
　　4.应用软件开发和案例研究
　　在以上研究成果的基础上,进行了产品生命周期设计原型系统的开发,开展了家用冰箱产品生命周期设计案例研究。

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目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2产品生命周期设计研究概述

1.3研究问题的提出

1.4主要研究内容

1.5论文组织结构

第二章 面向方案设计阶段的产品生命周期设计框架

2.1基于公理化设计理论的产品生命周期方案设计描述

2.2面向方案设计阶段的产品生命周期设计核心内容

2.3面向方案设计阶段的产品生命周期设计过程

2.4支持生命周期设计的产品信息模型

2.5面向方案设计阶段的产品生命周期设计框架

2.6本章小结

第三章 面向方案设计阶段的产品生命周期设计方法

3.1产品生命周期需求分析和设计目标定义

3.2产品初步方案设计

3.3产品生命周期过程方案设计

3.4产品方案绿色改进设计

3.5本章小结

第四章 基于仿真的产品生命周期设计评价

4.1基于仿真的产品生命周期设计评价框架

4.2产品生命周期仿真输入建模

4.3基于离散事件系统仿真原理的产品生命周期仿真建模

4.4本章小结

第五章 应用系统开发

5.1系统需求分析

5.2系统总体功能结构设计

5.3主要功能实现

5.4系统数据库设计

5.5本章小结

第六章 案例研究

6.1家用冰箱产品生命周期设计目标定义

6.2家用冰箱产品生命周期方案设计

6.3基于生命周期仿真的家用冰箱产品生命周期方案设计评价

第七章 总结和展望

7.1研究总结

7.2课题研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士学位期间参与的主要研究项目