李育鋒,何 彥,黃 桃,王樂祥,趙建宇

(1.重慶大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與工商管理學(xué)院,重慶 400030；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點實驗室,重慶 400030)

0 引言

隨著人們對工業(yè)環(huán)境污染問題關(guān)注程度的不斷加強(qiáng)，很多國家相繼發(fā)布了各種嚴(yán)苛的與環(huán)境相關(guān)的法律法規(guī)[1-2]。對于工業(yè)而言，迫切需要研究在提高原材料使用效率的同時改善環(huán)境影響的解決方案[3]。作為一種能夠減少產(chǎn)品重量和提高產(chǎn)品原材料使用率的解決方案，輕量化設(shè)計理論和方法已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)床等領(lǐng)域。一些專家學(xué)者采用輕量化材料實現(xiàn)了產(chǎn)品的輕量化設(shè)計[4-7]。學(xué)者們將先進(jìn)制造技術(shù)考慮到產(chǎn)品的輕量化設(shè)計中[8-10]，指出原材料階段和制造過程需要看作整體進(jìn)行分析。

目前，很多專家通過研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法實現(xiàn)了產(chǎn)品的輕量化設(shè)計[11-16]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為輕量化設(shè)計的重要實現(xiàn)手段，其設(shè)計過程靈活多變，也不會給企業(yè)帶來額外的成本負(fù)擔(dān)(如新材料成本等)。郭立群[11]對商用車車架的輕量化設(shè)計進(jìn)行研究，采用拓?fù)鋬?yōu)化方法實現(xiàn)了車架減重158 kg。隨著輕量化設(shè)計技術(shù)研究的不斷深入，輕量化設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)不僅局限于汽車領(lǐng)域，XU等[14]基于載荷映射算法的拓?fù)鋬?yōu)化方法，對高強(qiáng)度鋼成型的模具輕量化設(shè)計進(jìn)行了研究，通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化和數(shù)值仿真模具沖壓過程將模具重量減少了28.1%。

傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計方法研究主要是以保證產(chǎn)品功能及相應(yīng)的機(jī)械性能需求為優(yōu)化目標(biāo)，沒有考慮產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響[17]。Ermolaev等[18]提出一種輕量化優(yōu)化方法，在對汽車的邊梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的同時將環(huán)境影響作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)之一;針對減少產(chǎn)品重量問題，Holloway[19]提出一種考慮環(huán)境性能的材料選擇方法。這些研究主要集中在原材材料階段的環(huán)境影響。

產(chǎn)品對環(huán)境造成影響不僅與設(shè)計階段原材料的選擇有關(guān)，還與產(chǎn)品制造過程的資源消耗等相關(guān)。傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法主要關(guān)注產(chǎn)品的原材料階段，沒有考慮產(chǎn)品制造過程產(chǎn)生的環(huán)境影響，這一問題會增加產(chǎn)品制造階段的環(huán)境影響，甚至?xí)窒谠O(shè)計階段減少的環(huán)境影響。例如，在設(shè)計階段通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化雖然減少了產(chǎn)品重量，但是會增加產(chǎn)品在制造過程中去除的材料體積，從而加重產(chǎn)品在制造階段對環(huán)境的影響。即傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法可以減少產(chǎn)品在設(shè)計階段的環(huán)境影響，但是會增加產(chǎn)品在制造過程的環(huán)境影響，甚至抵消設(shè)計階段減少的環(huán)境影響[20]。因此，在設(shè)計階段沒有考慮制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計，會增加產(chǎn)品制造階段的環(huán)境影響，甚至抵消掉設(shè)計階段減少的環(huán)境影響。為此，本文提出一種考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法，在保證產(chǎn)品性能的前提下，考慮產(chǎn)品設(shè)計階段和制造階段環(huán)境的影響。

1 考慮環(huán)境影響輕量化設(shè)計方法框架

考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法框架如圖1所示。該框架考慮產(chǎn)品原材料階段和制造階段的環(huán)境影響，在確保產(chǎn)品機(jī)械性能(剛度、強(qiáng)度等)的前提下，減輕產(chǎn)品重量，改善產(chǎn)品的環(huán)境影響。其中形狀優(yōu)化是輕量化設(shè)計方法的核心內(nèi)容，首先獲取結(jié)構(gòu)優(yōu)化的形狀變量，進(jìn)一步構(gòu)建輕量化設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計，獲得重量少、環(huán)境影響小的解決方案。

在對產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計之前，首先收集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析和產(chǎn)品的環(huán)境影響評估。產(chǎn)品數(shù)據(jù)主要有4個類型：①材料信息，包括產(chǎn)品材料的屬性和種類(如密度、泊松比、傳導(dǎo)率等)、材料的數(shù)量、產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)分析(如載荷分布，約束等)；②零件信息，包括產(chǎn)品的零部件組成、不同零部件的結(jié)構(gòu)尺寸及生產(chǎn)工藝；③制造過程工藝信息，包括產(chǎn)品的制造過程及相應(yīng)的加工工藝等；④制造過程能耗信息?；讷@取的產(chǎn)品信息，通過有限元分析方法進(jìn)行產(chǎn)品靜力學(xué)分析，獲取產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布情況；通過構(gòu)建產(chǎn)品在原材料階段和制造階段的環(huán)境影響模型，對產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行評估。進(jìn)一步，構(gòu)建優(yōu)化模型進(jìn)行產(chǎn)品的形狀優(yōu)化。在形狀優(yōu)化過程中，設(shè)計變量由產(chǎn)品各個零件的形狀參數(shù)組成，優(yōu)化目標(biāo)包括產(chǎn)品重量和環(huán)境影響，約束條件包括產(chǎn)品的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度。通過優(yōu)化模型，獲得既能減少產(chǎn)品重量又能降低環(huán)境影響的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。最后通過比較原始產(chǎn)品模型、傳統(tǒng)輕量化設(shè)計獲得產(chǎn)品模型和考慮環(huán)境影響的輕量化設(shè)計獲得產(chǎn)品模型來分析所提的方法的可行性。

產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響不僅與設(shè)計階段的原材料選擇有關(guān)，還與產(chǎn)品制造過程的資源消耗等相關(guān)。產(chǎn)品制造過程的環(huán)境影響從資源和原材料的投入與能源的消耗開始，經(jīng)過產(chǎn)品各零件的毛坯制造、零件機(jī)加工和產(chǎn)品裝配等過程，完成產(chǎn)品的制造。制造過程也伴隨著固體、液體、氣體等排放物的產(chǎn)生。通常，產(chǎn)品的環(huán)境影響從物料流、廢物流和能量流3個方向進(jìn)行分析。產(chǎn)品制造過程物料和廢物的流動方向如圖2所示，而制造過程的能量流動伴隨著物料和廢物的流動。本文重點考慮產(chǎn)品在制造過程中的材料去除和電能消耗。

2 考慮環(huán)境影響的形狀優(yōu)化模型

考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的形狀優(yōu)化的目的是在滿足產(chǎn)品功能需求的前提下，減少產(chǎn)品的重量。因此，優(yōu)化模型的目標(biāo)在于減少產(chǎn)品重量和環(huán)境影響。產(chǎn)品機(jī)械性能變形(如產(chǎn)品的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度)為優(yōu)化模型的約束條件，以保證形狀優(yōu)化后獲得的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)能夠滿足產(chǎn)品的機(jī)械性能需求。本文采用EI-99的計算方法，通過評估產(chǎn)品的原材料階段和制造過程原材料的消耗、大氣、水體和土壤的排放、能源消耗等方面，研究產(chǎn)品對環(huán)境的影響[21]。

考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型表示如下：

minf(x)=f(x1,x2,…,xi,…)，

i=1,2,…,n;

(1)

minEI=f(M,E)。

s.t.

gj(x)≤g0j(x),j=1,2,…,m。

式中：f(x)表示產(chǎn)品質(zhì)量；EI表示產(chǎn)品的環(huán)境影響；gj(x)表示第j個機(jī)械性能;g0j(x)表示第j個機(jī)械性能的設(shè)計需求；xi表示第i個優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量；M為與環(huán)境影響相關(guān)的參數(shù)；E為與環(huán)境影響評估過程相關(guān)的能耗參數(shù)。

(1)設(shè)計變量

設(shè)計參數(shù)用來確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件的設(shè)計范圍。本文采用優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計來進(jìn)行產(chǎn)品的輕量化設(shè)計,因此在優(yōu)化模型中，設(shè)計變量選擇產(chǎn)品的形狀參數(shù)，可表示為

(2)

(2)形狀優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

優(yōu)化模型的目標(biāo)在于減少產(chǎn)品的重量和環(huán)境影響。其中產(chǎn)品的重量為產(chǎn)品各零部件的重量之和，零部件的形狀結(jié)構(gòu)與重量和零部件的形狀參數(shù)相關(guān)。因此，產(chǎn)品的重量

(3)

式中：fm(x1,x2,…,xn)表示第m個零部件的重量；xn表示第m個零部件的設(shè)計變量。

為了在設(shè)計階段就考慮到制造階段對環(huán)境的影響，優(yōu)化模型的目標(biāo)需要考慮產(chǎn)品在設(shè)計階段和制造階段的環(huán)境影響。其中設(shè)計階段的環(huán)境影響主要體現(xiàn)在原材料的獲取對環(huán)境影響的影響，制造過程的環(huán)境影響主要體現(xiàn)在制造過程的資源使用產(chǎn)生的環(huán)境影響。產(chǎn)品環(huán)境影響包括原材料階段和制造階段的環(huán)境影響，因此，從這兩個階段對產(chǎn)品的環(huán)境影響進(jìn)行評估：

EI=EIMat+EImaf。

(4)

式中EIMat，EImaf分別表示原材料階段和制造階段的環(huán)境影響。

1)原材料階段

原材料階段的環(huán)境影響先分析原材料重量，進(jìn)而評估產(chǎn)品原材料階段的環(huán)境影響。原材料階段的環(huán)境影響簡化為與質(zhì)量相關(guān)：

EIMat=βmMat。

(5)

式中：mMat表示原材料階段的相關(guān)重量；β表示表示原材料階段單位重量造成的環(huán)境影響，其單位為Eco-indicators point(pt)。

2)制造階段

產(chǎn)品通常由多個零部件組成，不同零部件的材料不同且制造過程也不同。零部件的毛坯通常經(jīng)過鑄造或鍛造成型獲得，并留有相應(yīng)的加工余量。先通過車、銑、磨等加工工藝進(jìn)行零部件的粗加工和精加工，然后通過零部件裝配完成產(chǎn)品生產(chǎn)。若改變產(chǎn)品的形狀變量，則各零部件的重量、加工階段的加工余量和去除材料的體積也會發(fā)生相應(yīng)改變，因此各零部件在制造階段的能耗和加工時間也會受到影響。制造過程的環(huán)境影響可以表示為

(6)

(7)

(8)

(9)

θSmn=∑(θ1S1+θ2S2+…+θnSn)。

(10)

(3)約束條件

產(chǎn)品的機(jī)械性能受剛度、強(qiáng)度和幾何形狀的影響。產(chǎn)品的剛度表示其抵抗載荷發(fā)生彈性變形的能力，強(qiáng)度表示其抵抗應(yīng)力失效的能力。產(chǎn)品的強(qiáng)度通過應(yīng)力分析獲得，產(chǎn)品的剛度通過應(yīng)變分析獲得。幾何形狀約束通過將設(shè)計變量限定在一定范圍內(nèi)來約束幾何形狀，由可行的物理空間決定。因此，為了保證輕量化設(shè)計后產(chǎn)品的機(jī)械性能，其剛度和強(qiáng)度需限定在合理的范圍內(nèi)，即：

(11)

式中：dmax，σmax分別表示優(yōu)化后的產(chǎn)品最大應(yīng)變和最大應(yīng)力；d0和σ0分別表示滿足產(chǎn)品設(shè)計需求的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力；α是用于平衡產(chǎn)品質(zhì)量減少和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的系數(shù)。隨著產(chǎn)品重量的減少，其機(jī)械性能隨之下降，為使產(chǎn)品的機(jī)械性能滿足要求，令α=1.2。

(4)優(yōu)化算法

本文建立了一種以產(chǎn)品重量和產(chǎn)品的環(huán)境影響為多優(yōu)化目標(biāo)，以產(chǎn)品機(jī)械性能為約束的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化模型。遺傳算法是一種通過模擬自然進(jìn)化過程而隨機(jī)搜索最優(yōu)解的方法；多目標(biāo)遺傳算法(Multiple Objective Genetic Algorithm, MOGA)是一種處理多目標(biāo)優(yōu)化問題的半隨機(jī)方法，該方法通過模擬自然進(jìn)化過程隨機(jī)搜索多目標(biāo)優(yōu)化模型的最優(yōu)解，具有全局搜索、快速收斂等特點，是解決多目標(biāo)優(yōu)化問題的有效方法。本文采用MOGA求解所建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型(如圖3)，通過種群的生成，并利用適應(yīng)度函數(shù)計算適應(yīng)度，獲取優(yōu)化的解集。

3 案例分析

本文以塑料管材擠出模具為例，驗證考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法的可行性。擠出模具的三維圖如圖4所示，該擠出模具由寧波市方力集團(tuán)設(shè)計生產(chǎn)，擠出機(jī)與擠出模具在入口部分連接，用于熔融的塑料流體流入擠出模具內(nèi)。該擠出模具由模口、?？谶^度體、色標(biāo)環(huán)、口模座等14個零部件構(gòu)成?，F(xiàn)有的擠出磨具重達(dá)16.5 t，用于生產(chǎn)直徑為1 000 mm等不同規(guī)格的連續(xù)管道。

為了將提出的考慮產(chǎn)品制造過程的輕量化設(shè)計方法應(yīng)用到擠出模具的輕量化設(shè)計上，首先需要選擇形狀優(yōu)化模型中的設(shè)計變量。由于擠出模具流道形狀參數(shù)對熔融塑料有一定影響，為了保證塑料管材擠出模具的流動特性，在不改變流道形狀參數(shù)的同時通過優(yōu)化擠出模具零件的內(nèi)外徑對擠出模具的形狀進(jìn)行優(yōu)化。因此所定義的設(shè)計變量為擠出模具零件的內(nèi)外徑，包括擠出模具內(nèi)壁半徑r1，r2，…，r12，和擠出模具外壁半徑R1，…，R12，如圖5所示。可以通過增加模具內(nèi)壁半徑、減少模具外壁半徑來減少擠出模具重量。

然后，根據(jù)塑料管材擠出模具模型對優(yōu)化模型的約束條件進(jìn)行分析。通過有限元軟件HyperMesh對擠出模具的靜力學(xué)特性進(jìn)行分析，分析擠出模具的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等約束條件，如圖6所示。為了保證塑料熔融體的流動性，擠出模具需要保持在一定的高溫下工作，擠出模具會承受一定的熱載荷。基于熔融體在流道的應(yīng)力和溫度分布，分析擠出模具外壁和內(nèi)壁的溫度分布、應(yīng)力和應(yīng)變，以獲得的分析結(jié)果作為優(yōu)化模型的約束條件。

對模型的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行評估，包括擠出模具的重量和環(huán)境影響。擠出模具由?？?、?？谶^度體、色標(biāo)環(huán)、口模座等14個零部件構(gòu)成。優(yōu)化模型的重量目標(biāo)為擠出模具各零部件的重量之和。擠出模具的環(huán)境影響受零部件的重量、材料類型以及制造過程相關(guān)信息等影響。擠出模具的零部件制造過程的能耗信息如表1所示。例如?？诹慵ㄟ^鑄造獲得毛坯，通過車削、鉆削和拋光等工藝完成?？诹慵募庸ぁD出模具在原材料階段和制造階段的環(huán)境影響采用EI-99方法評估，EI-99方法分析的環(huán)境影響類型主要包括致癌物、有機(jī)物、無機(jī)物、輻射、生態(tài)毒性土壤酸化和富營養(yǎng)化、礦物質(zhì)等。通過特征化、歸一化及加權(quán)等步驟評估擠出模具的環(huán)境影響。

表1 擠出模具零部件的能耗信息(min/kW)

名稱鍛造鑄造普通車床數(shù)控車床鏜床搖臂鉆床拋光機(jī)?？?580/68-470/9.5490/2壓環(huán)-300/68150/11140/9.5口模座-275/68-167/9.5135/2模芯-420/68-150/9.5390/2機(jī)頭體(2)-1080/68-350/9.5320/2內(nèi)連接體-480/35-475/9.5295/2機(jī)頭過渡體-730/68-750/9.5315/2機(jī)頭體(1)-530/35-480/9.5205/2模板360/22140/35-605/9.550/2過渡模芯450/22--270/9.5295/2色標(biāo)環(huán)法蘭30/22400/68270/11370/9.5105/2色標(biāo)環(huán)480/22420/68-420/9.595/2冷卻環(huán)-1 330/35-17/9.5-螺旋體650/221 150/25-650/9.5730/2

表2 3種擠出模具的重量和環(huán)境影響對比結(jié)果

擠出模具的形狀為回轉(zhuǎn)體，根據(jù)其具體的形狀特點和式(3)對第2章優(yōu)化質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行擴(kuò)展得到

(12)

根據(jù)收集的擠出模具零件信息和制造過程能耗信息，通過Simapro 7.0建立擠出模具的生命周期環(huán)境評估模型，得到優(yōu)化模型中需要的環(huán)境影響因子。由軟件建模可知，原材料階段的環(huán)境影響可以表示為

β=α1β1+α2β2+…+αnβn。

(13)

式中：βn表示環(huán)境影響的不同類型，如上述提到的致癌物、有機(jī)物、臭氧層等；αn表示不同環(huán)境影響類型對總環(huán)境影響的權(quán)重因子。根據(jù)軟件計算結(jié)果可得制造階段與質(zhì)量相關(guān)的影響因子。

結(jié)合第2章制造過程的環(huán)境影響模型，可得出擠出模具制造階段的環(huán)境影響如下所示：

(14)

(15)

綜上所述，所建立制造階段的環(huán)境影響數(shù)學(xué)模型為

(16)

在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基礎(chǔ)模具的形狀優(yōu)化模型。通過設(shè)置MOGA的參數(shù)，包括群體大小為200，最大的迭代次數(shù)為50，交叉、變異率為0.01，精英率為0.1，對原始擠出模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得優(yōu)化的擠出模具設(shè)計方案。為了分析提出的考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法的可行性，對采用傳統(tǒng)輕量化設(shè)計獲得的擠出模具模型、本文提出的輕量化設(shè)計獲得的擠出模具模型和原始擠出模型3種不同模型的重量和環(huán)境影響進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。其中傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計方法是采用Nie等[22]提出的針對擠出模具的輕量化設(shè)計方法。如表2所示，輕量化前后的擠出模具內(nèi)部塑料流動性能不變，滿足擠出模具的性能需求。分析結(jié)果表明，相比于原始擠出模具，采用傳統(tǒng)輕量化設(shè)計獲得的擠出模具的重量從16.55 t減少到13.56 t，減少了18%。但從產(chǎn)品的環(huán)境影響角度，采用傳統(tǒng)輕量化設(shè)計的擠出模具的環(huán)境影響卻從10.71 kpt增加到了11.30 kpt。這意味著沒有考慮環(huán)境影響的傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法雖然能夠減少產(chǎn)品的重量，卻增加了擠出模具的環(huán)境影響，即傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法會抵消在設(shè)計階段減少的環(huán)境影響。采用本文考慮制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法，獲得的擠出模具的重量為14.36 t，環(huán)境影響為9.12 kpt,與原始模具相比，重量減少了2.19 t，實現(xiàn)了輕量化，同時從環(huán)境影響角度，擠出模具的環(huán)境影響也得到了改善，減少了14%的環(huán)境影響，從而證明所提方法可以在減少塑料管材擠出模具重量的同時降低模具的環(huán)境影響。進(jìn)一步從原材料階段和制造階段的環(huán)境影響角度分析3種擠出模具模型的環(huán)境影響，結(jié)果如圖7所示。與原始擠出模具模型相比，采用傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法獲得的擠出模具減少了擠出模具的重量，在原材料階段減少了1.16 kpt的環(huán)境影響，但是在制造階段增加了1.75 kpt的環(huán)境影響，增加了環(huán)境影響，反而抵消了在原材料階段減少的環(huán)境影響。而本文提出的輕量化設(shè)計方法不僅在原材料階段減少了0.91 kpt的環(huán)境影響，還在制造階段減少了0.68 kpt的環(huán)境影響。結(jié)果表明，所提方法可以有效避免輕量化后增加產(chǎn)品在制造階段的環(huán)境影響。

表3展示了采用傳統(tǒng)方法和本文所提方法對擠出模型輕量化設(shè)計后的環(huán)境影響結(jié)果對比。如表3所示，各類別的環(huán)境影響都得到了改善，其中改善最大的是生態(tài)毒性。在采用傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法的擠出模具中，生態(tài)毒性的影響值為9.88×104DALY;采用本文提出的輕量化設(shè)計的擠出模具中，生態(tài)毒性的影響值為4.81×104DALY，減少了51.3%。同時相比傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法，致癌物、無機(jī)物、輻射等環(huán)境影響類別也得到了很大改善，分別減少了40.1%,39.4%,43.7%。

零件坯料的去除部分和最終零件的材料會對環(huán)境產(chǎn)生不同的影響。零件坯料的去除部分取決于零件的設(shè)計參數(shù)，會對制造過程的環(huán)境產(chǎn)生影響，而且不同材料在其原材料獲取階段的環(huán)境影響不同，因此最終零件的材料選擇也會對環(huán)境產(chǎn)生影響。此外，不同加工制造方法也會對環(huán)境造成不同的影響。以擠出模具的模芯零件為例，分析模芯零件不同制造過程的環(huán)境影響如圖8所示。模芯零件通過鑄造、車、鉆等工藝完成加工，各制造過程的環(huán)境影響分別為24.0 pt，242.4 pt和1.4 pt。

表3 環(huán)境影響各類別的敏感程度

注：“-”表示采用本文提出的輕量化設(shè)計方法的擠出模具相與傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法減少的環(huán)境影響的百分比。

4 結(jié)束語

本文提出一種考慮產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法，解決了傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法的環(huán)境影響導(dǎo)致產(chǎn)品制造階段的環(huán)境影響增加，甚至?xí)窒谠O(shè)計階段減少的環(huán)境影響。結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中，采用有限元分析方法獲取模型的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的約束條件，并采用EI-99方法評估產(chǎn)品在原材料階段和制造階段的環(huán)境影響。

本文從產(chǎn)品的重量和環(huán)境影響兩個角度，分別對兩個擠出模具的輕量化設(shè)計方案與原始擠出模具設(shè)計方案進(jìn)行了比較，分別是：采用傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計方法獲得模具設(shè)計方案和本文提出的輕量化設(shè)計方法獲得的模具設(shè)計方案。相對于原始擠出模具設(shè)計方案，采用傳統(tǒng)的輕量化設(shè)計方法獲得的模具設(shè)計方案雖然能夠減少擠出模具18%的重量，卻增加了29%的環(huán)境影響;相對于原始擠出模具設(shè)計方案，采用本文提出的輕量化設(shè)計方法獲得的模具設(shè)計方案，能夠減少擠出模具13%的重量，同時減少16%的環(huán)境影響。因此，與原始擠出模具設(shè)計方案相比，傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法和本文提出的面向產(chǎn)品制造過程環(huán)境影響的輕量化設(shè)計方法都可以減少原始擠出模具的重量，但是傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法卻會導(dǎo)致擠出模的環(huán)境影響變大，本文方法則可以減少擠出模具的環(huán)境影響。

案例分析表明，傳統(tǒng)輕量化設(shè)計方法的擠出模具雖然在原材料階段減少了1.16 kpt的環(huán)境影響，但是在制造階段增加了1.75 kpt的環(huán)境影響，反而抵消了在原材料階段減少的環(huán)境影響，增大了擠出模具的環(huán)境影響，而采用本文所提方法可以有效避免這種情況。

產(chǎn)品的環(huán)境影響過程是一個及其復(fù)雜的過程，包括設(shè)計、制造、使用、回收、再制造等涉及其生命周期各個階段的環(huán)境影響過程，同時各個階段的影響因素繁多。本文主要考慮了產(chǎn)品制造階段及原材料階段的環(huán)境影響，然而產(chǎn)品生命周期其他階段的環(huán)境影響同樣不可忽略。因此，對全生命周期各個階段開展環(huán)境影響分析，開展集成生命周期各階段環(huán)境影響的輕量化協(xié)同優(yōu)化設(shè)計方法的研究是未來的研究重點。