基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法研究

摘要

随着经济高速发展，人类面临着能源紧缺和环境污染的双重压力。能量优化设计研究从产品设计源头出发，将节能降耗作为重点，综合考虑产品的能量特性与其它相关设计信息，成为提高能源利用率的最优方法。在国家自然科学基金课题（编号:50775061）的支持下，论文对能量优化设计方法和理论进行了深入研究。
　　 本文将公理设计与设计元融合在一起，将设计域之间的映射与能量效用模型用设计元封装起来，创造性的建立了能量优化设计模型。该模型统一了各设计阶段的设计信息和能量信息的描述形式，将功能设计过程和能量信息有机结合起来，有效地实现了能量优化的设计目标。
　　 以能量为设计主线，创建了基于设计元的能量优化设计方法。提出了由逆向、正向能量设计两部分组成的设计过程模型。通过逆向能量设计得到产品级别的能量效用模型以及能量优化信息;正向能量设计在两者的约束与指导下，由设计元分解过程模型描述设计进程，将产品功能逐渐细化，继而通过方案组合、能量优化、方案决策得到产品最优设计方案。
　　 该设计方法包含了一个创新性的理念，即由能量效用模型来描述功能实现过程中的能量属性，使功能与能量特性得以兼顾，实现正向能量设计和逆向能量设计间的有机联系。针对能量效用模型的主要组成元素——能量设计因子EDF(EnergyDesignFactor)，建立了EDF的效用过程模型，深入研究了EDF的提取方法、EDF的耦合分解方法、EDF的能耗影响程度量化方法。
　　 探索了融合耦合度、信息量、能耗、技术、成本与社会指标在内的能量优化设计方案多属性决策方法。研究了评价指标组成及权重定义方法;并提出了借助能量效用模型来间接评价产品能耗的思想。
　　 全篇以数控机床为例，对基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法进行了实例研究，验证了能量优化设计方法的有效性。

目录

声明

摘要

致谢

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 我国能源资源及能效现状

1．1．2 提高能效是转变发展方式的必由之路

1．2 国内外节能研究现状

1．2．1 面向能量节约的相关研究

1．2．2 机床能耗特性及节能技术研究

1．2．3 研究现状总结

1．3 论文研究目的及内容

1．3．1 论文研究目的

1．3．2 论文的研究内容

第二章 基于设计元与公理设计理论的能量优化设计方法

2．1 公理设计

2．1．1 基本理论

2．1．2 公理设计的发展

2．2 设计元

2．2．1 设计元的定义

2．2．2 设计元内涵的修正与扩展

2．2．3 设计元组成及其层次模型

2．3 设计元与公理设计的融合

2．3．1 融合机理

2．3．2 基于公理设计的设计元分解过程模型

2．3．3 融合设计简例

2．4 基于设计元与公理设计的能量优化设计过程

2．4．1 逆向能量设计过程

2．4．2 正向能量设计过程

本章小结

第三章 能量效用模型C和能量设计因子EDF

3．1 能量效用模型C

3．1．1 与能量效用模型相关的若干概念

3．1．2 能量效用模型C的作用

3．2 能量设计因子EDF的效用过程模型

3．3 能量设计因子EDF的提取方法

3．3．1 能量因素识别机制

3．3．2 EDF的获取与表达方法

3．4 数控机床能量设计因子EDF提取示例

3．4．1 能量消耗量化模型

3．4．2 能量因素识别

3．4．3 EDF获取与表达

3．5 能量设计因子EDF的耦合分解机制

3．5．1 耦合性质分析

3．5．2 耦合元素关系矩阵构造

3．5．3 耦合元素设计优先级评定

3．5．4 能量设计参数或控制措施获取

3．6 数控机床能量设计因子EDF耦合分解示例

3．6．1 简单耦合能量设计因子耦合分解

3．6．2 多元素耦合能量设计因子耦合分解

3．7 能量设计因子EDF的能耗影响程度量化

3．7．1 EDF量化的目的及作用

3．7．2 能耗影响系数M的取值特性

3．7．3 能耗影响系数M的取值方法

3．8 数控机床能耗影响系数M取值示例

本章小结

第四章 正向能量优化设计

4．1 设计元的分解及分支终止策略

4．2 方案组合求解

4．3 能量优化

4．4 面向能量优化的设计方案多属性决策

4．4．1 多属性决策概述

4．4．2 多属性决策的相关定义

4．4．3 面向能量优化设计的方案决策

本章小结

第五章 以提高bDlim目标的数控车床布局能量优化设计实例

5．1 数控车床设计元层次分解

5．2 数控车床方案组合求解

5．3 数控车床布局设计方案能量优化

5．3．1 能量优化目标

5．3．2 方案一能量优化设计

5．3．3 方案二能量优化设计

5．4 数控车床布局设计方案能量优化情况说明

5．5 数控车床布局方案的多属性评价

5．5．2 耦合度评价

5．5．3 信息量评价

5．5．4 能耗评价

5．5．5 综合评价

本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间发表的学术论文