汽车典型零部件化碳设计集成系统设计

摘要

　　随着我国经济的飞速发展，汽车制造业迎来了高速发展的机遇。然而目前我国汽车制造业的发展主要依靠能源、资源的高投入，这种发展模式在一定程度上导致了我国资源的短缺与环境的污染。因此，为了应对市场竞争，促进汽车产业的绿色、健康发展，必须在汽车产品的设计过程中综合考虑汽车产品的设计效率与环境属性。将产品生命周期评价与 CAD 设计软件集成，实现在汽车产品设计过程中对其环境性能的实时评估，这对提高汽车产品的设计效率与环境性能具有一定的意义，是汽车产品设计的重要研究方向。

　　本文在对汽车产品结构与制造工艺分析的基础上进行了其生命周期碳排放分析，确定了汽车产品生命周期碳排放主要影响因素，并提出了汽车产品进行低碳设计与制造的实施策略；基于汽车产品生命周期碳排放特性，提出了产品生命周期碳排放量化方法，运用该方法对汽车产品生命周期碳排放进行了量化研究，构建了其生命周期碳排放量化模型，并从汽车产品的结构、材料、工艺、拆卸回收的角度，构造了汽车产品低碳评价指标，提出了识别汽车零部件低碳优化设计潜能的方法，建立了评价结果与设计建议的反馈机制；对 Creo 二次开发技术、数据库技术及特征识别与匹配技术进行了分析、研究，提出了汽车典型零部件低碳设计集成系统的理论实现方案；开发了汽车典型零部件低碳设计集成系统，实现了在零件设计过程中实时评价零件的碳排放特性并反馈低碳改进建议；最后，以汽车发动机的设计过程为例，阐述了集成系统的运行流程与操作方法，验证了该集成系统的有效性。

　　关键词：汽车；生命周期；低碳设计；Creo 二次开发

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

　　随着我国经济的高速发展，科学技术不断的进步，制造业的自动化、数字化、智能化程度越来越高，汽车、家电产品、电子消费品等产品的产量与保有量已跃居世界前列，部分行业在国际上具有明显优势。制造业经过 20 多年来的发展所取得了的巨大成就使我国成为世界首屈一指的制造大国，是我国综合国力提高的重要标志，为我国实现―中国制造 2025‖奠定了坚实的基础。然而，目前我国制造业高速发展主要依靠能源与资源的大量投入，这种粗放型的制造业发展模式消耗大量的能源、资源，引起了我国能源、资源的短缺问题，此外，这种高投入、高消耗发展模式也带来了相应的环境问题。由于我国能源结构不合理，低碳能源的发展与利用程度还很低，使我国制造业的发展呈现明显的―高碳‖特征。据统计，目前我国碳排放总量已高居世界第二，而制造业所消耗的能源占全国一次能耗的63%，其中单位产品的能耗高出国际水平 20%~30%，故制造业是我国温室气体排放的重要来源[1]。

　　汽车产业作为国民经济的支柱性产业，近年来其规模发展迅猛，产销量逐年提升，连续六年世界新车产销第一。据统计，2000 年到 2014 年，我国汽车产量从 207 万辆跃升到 2372.52 万辆，涨幅超过 10 倍，随着汽车产量的迅猛增长，我国汽车的保有量呈现指数曲线逐年递增，截至到 2014 年底，汽车保有量达 1.46亿辆（国家统计局，2014），我国近十五年汽车产量及保有量变化趋势如图 1.1 所示。汽车产销量迅猛增长的背后也必然给社会带来资源、能源、环境问题。

　　（1）能源、资源的短缺及能源的高碳排放问题。作为高能耗、高物耗产业，汽车产品产量的大幅度上升必然会消耗大量的能源、资源。据统计，2000 年到 2014年我国汽车制造业能源消费总量从 1502.38 万吨标准煤上升到 3189.438 万吨标准煤（国家统计局，2014），能源的消耗量增长了 2 倍，这种高能耗的生产模式对我国能源的供应制造了很大挑战，严重阻碍了我国经济的可持续增长。如何在严峻的能源、资源环境形势下，保证工业的可持续发展，这是我国现阶段急需考虑的问题。其次，我国能源结构不合理，能源消费以煤碳为主，虽然近年来我国能源结构总体上朝着优质化方向发展，但截至 2014 年煤炭占能源消费的依然达到了百分之六十以上，比世界平均比重高三十个百分点。此外，能源的利用率低于国际水平，低碳能源的发展与利用程度还很低。这些因素使我国汽车制造业呈现―高碳‖特征。

　　（2）汽车尾气排放量急剧升高，对环境影响越来越显着。汽车尾气的主要组成有碳氧化物、碳氢化合物、固体悬浮微粒、氮氧化物等，这些有害物质对环境及人体健康产生了极大的危害，主要体现在一下三点：第一，城市气温逐年上升。

　　尾气成份中的 CO2、SO2等是典型的温室气体，一旦排入空气，可以造成温室效应，促使气温升高；第二，危害人体健康。氮氧化物被人体摄入后会损害人体的呼吸系统从而引起各种疾病；第三，地球气候异化，出现酸雨、黑雨等现象。

　　（3）废旧汽车的处理问题。据有关报道，目前我国汽车的保有量超过 1.72亿台，每年更新换代产生的报废汽车就多达 1000 多万辆，并且随着时间往后推移，这个数据预期在若干年内会有增无减。如果废弃复杂产品的拆解及回收处理不及时，那么对环境也必然会产生很大的压力。

　　科学技术的飞速发展，使各国经济得到迅猛发展，给人们带来了更加优质的生活，同时它也给我们赖以生存的家园带来了严重的环境污染。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第三次评估报告：自 1860 年气象观测记录以来，全球平均温度上升了 0.6℃，最近 100 年的温度是过去 1000 年中最暖的，最暖的年份出现在 1983 年后，而最近 20 年又是过去 100 年中最暖的。因此，为了应对日益突出的全球气候变暖问题，国际社会对此进行深入的研讨，并陆续颁布了相关的减排文件（见表 1.1）。世界各国针对各国国情也相继制定了相关的法律法规。

　　在全社会树立―源头控制‖的理念。英国从 1974 年开始为治理伦敦烟雾相继颁布《污染控制法案》、《机动车燃料管理办法》、《污染控制法案》、产品环境足迹等；美国从 1970 年开始为治理洛杉矶烟雾、应对多诺拉事件颁布《清洁空气法》，并于 2012 年将汽车油耗标识加入环保信息；日本为治理应对四目日事件、东京大气污染诉讼于 1999 制定领跑者计划，并先后颁布《降低汽车尾气排放对策方案》、《新环保车辆减税制度》。此外，欧盟为规范电子电气设备管理颁布了 ROHS、WEEE、EUP 指令，对相关产品的危害物质含量、回收处理、能耗产品的生态化设计做出了相关规定。为应对气候变化，我国也制定了一系列的环保政策法规，采取了一系列的减排措施。如 2007 年发布了《中国应对气候变化国家方案》，该方案系统地介绍了我国在 2010 年前应对气候变化的政策法规；2008 年国务院针对气候变化问题首次发表了《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书，系统地阐述了气候变化对中国可持续发展的影响以及中国应对气候变化所采取的减排措施及制定的政策法规。因此，企业如何在国际政策标准要求的背景下，打破国际绿色贸易壁垒；如何在政府各项政策制度的发展背景下，跟上国家步伐，这是我国企业目前所面临的严峻挑战。

　　汽车典型零部件化碳设计集成系统开发应用：

参数化设计

零件模型数据库

材料选择

工艺设计

碳排放评估

设计建议

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景
　　　　　　1.1.1 环境问题的凸显
　　　　　　1.1.2 国内外环保政策及法律法规
　　　　　　1.1.3 汽车生态设计的兴起
　　　　　　1.1.4 CAD 技术的快速发展
　　　　1.2 国内外相关技术研究现状
　　　　　　1.2.1 产品低碳设计技术研究现状
　　　　　　1.2.2 模型特征识别与匹配技术研究现状
　　　　　　1.2.3 CAD 技术研究现状
　　　　1.3 课题研究意义及来源
　　　　　　1.3.1 课题研究意义
　　　　　　1.3.2 课题来源
　　　　1.4 论文主要的研究内容及实施方案
　　　　1.5 论文的组织框架
　　第二章 汽车典型零部件生命周期碳排放分析
　　　　2.1 碳排放分类及碳排放因子
　　　　　　2.1.1 碳排放分类
　　　　　　2.1.2 碳排放因子
　　　　2.2 汽车的结构及其制造工艺分析
　　　　　　2.2.1 汽车的结构
　　　　　　2.2.2 汽车典型零部件的制造工艺分析
　　　　2.3 汽车典型零部件生命周期碳足迹分析
　　　　2.4 汽车典型零部件低碳设计与制造的实施策略
　　　　　　2.4.1 低碳设计与制造
　　　　　　2.4.2 低碳设计与制造的实施策略
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 汽车典型零部件生命周期碳排放量化及优化研究
　　　　3.1 碳排放量化方法
　　　　3.2 原材料阶段碳排放量化模型
　　　　3.3 制造阶段碳排放量化模型
　　　　　　3.3.1 典型成形工艺过程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.2 焊接工艺过程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.3 热处理过程碳排放量化分析
　　　　　　3.3.4 典型机械加工过程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.5 涂装过程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.6 装配过程碳排放的量化分析
　　　　3.4 零部件低碳设计优化潜能及设计建议
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 低碳设计集成系统关键技术研究
　　　　4.1 Creo 二次开发关键技术研究
　　　　　　4.1.1 基于 Pro/Toolkit 的 Creo 二次开发
　　　　　　4.1.2 参数化设计技术
　　　　　　4.1.3 数据库管理技术
　　　　4.2 特征的识别与提取关键技术研究
　　　　　　4.2.1 零件模型信息
　　　　　　4.2.2 零件特征的表示及特征分类
　　　　　　4.2.3 零件特征的识别、提取与匹配
　　　　4.3 集成系统理论实现方案
　　　　4.4 本章小结
　　第五章 汽车典型零部件低碳设计集成系统的开发与应用
　　　　5.1 低碳设计集成系统的开发
　　　　　　5.1.1 低碳设计集成系统的开发与运行环境
　　　　　　5.1.2 低碳设计集成系统的总体框架及模块功能简介
　　　　5.2 集成系统工作流程
　　　　5.3 应用实例
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 研究展望
　　参考文献
　　攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

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