摘要

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車(chē)制造業(yè)迎來(lái)了高速發(fā)展的機遇。然而目前我國汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展主要依靠能源、資源的高投入，這種發(fā)展模式在一定程度上導致了我國資源的短缺與環(huán)境的污染。因此，為了應對市場(chǎng)競爭，促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的綠色、健康發(fā)展，必須在汽車(chē)產(chǎn)品的設計過(guò)程中綜合考慮汽車(chē)產(chǎn)品的設計效率與環(huán)境屬性。將產(chǎn)品生命周期評價(jià)與 CAD 設計軟件集成，實(shí)現在汽車(chē)產(chǎn)品設計過(guò)程中對其環(huán)境性能的實(shí)時(shí)評估，這對提高汽車(chē)產(chǎn)品的設計效率與環(huán)境性能具有一定的意義，是汽車(chē)產(chǎn)品設計的重要研究方向。

　　本文在對汽車(chē)產(chǎn)品結構與制造工藝分析的基礎上進(jìn)行了其生命周期碳排放分析，確定了汽車(chē)產(chǎn)品生命周期碳排放主要影響因素，并提出了汽車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行低碳設計與制造的實(shí)施策略；基于汽車(chē)產(chǎn)品生命周期碳排放特性，提出了產(chǎn)品生命周期碳排放量化方法，運用該方法對汽車(chē)產(chǎn)品生命周期碳排放進(jìn)行了量化研究，構建了其生命周期碳排放量化模型，并從汽車(chē)產(chǎn)品的結構、材料、工藝、拆卸回收的角度，構造了汽車(chē)產(chǎn)品低碳評價(jià)指標，提出了識別汽車(chē)零部件低碳優(yōu)化設計潛能的方法，建立了評價(jià)結果與設計建議的反饋機制；對 Creo 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)、數據庫技術(shù)及特征識別與匹配技術(shù)進(jìn)行了分析、研究，提出了汽車(chē)典型零部件低碳設計集成系統的理論實(shí)現方案；開(kāi)發(fā)了汽車(chē)典型零部件低碳設計集成系統，實(shí)現了在零件設計過(guò)程中實(shí)時(shí)評價(jià)零件的碳排放特性并反饋低碳改進(jìn)建議；最后，以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的設計過(guò)程為例，闡述了集成系統的運行流程與操作方法，驗證了該集成系統的有效性。

　　關(guān)鍵詞：汽車(chē)；生命周期；低碳設計；Creo 二次開(kāi)發(fā)

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

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步，制造業(yè)的自動(dòng)化、數字化、智能化程度越來(lái)越高，汽車(chē)、家電產(chǎn)品、電子消費品等產(chǎn)品的產(chǎn)量與保有量已躍居世界前列，部分行業(yè)在國際上具有明顯優(yōu)勢。制造業(yè)經(jīng)過(guò) 20 多年來(lái)的發(fā)展所取得了的巨大成就使我國成為世界首屈一指的制造大國，是我國綜合國力提高的重要標志，為我國實(shí)現―中國制造 2025‖奠定了堅實(shí)的基礎。然而，目前我國制造業(yè)高速發(fā)展主要依靠能源與資源的大量投入，這種粗放型的制造業(yè)發(fā)展模式消耗大量的能源、資源，引起了我國能源、資源的短缺問(wèn)題，此外，這種高投入、高消耗發(fā)展模式也帶來(lái)了相應的環(huán)境問(wèn)題。由于我國能源結構不合理，低碳能源的發(fā)展與利用程度還很低，使我國制造業(yè)的發(fā)展呈現明顯的―高碳‖特征。據統計，目前我國碳排放總量已高居世界第二，而制造業(yè)所消耗的能源占全國一次能耗的63%，其中單位產(chǎn)品的能耗高出國際水平 20%~30%，故制造業(yè)是我國溫室氣體排放的重要來(lái)源[1]。

　　汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，近年來(lái)其規模發(fā)展迅猛，產(chǎn)銷(xiāo)量逐年提升，連續六年世界新車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)第一。據統計，2000 年到 2014 年，我國汽車(chē)產(chǎn)量從 207 萬(wàn)輛躍升到 2372.52 萬(wàn)輛，漲幅超過(guò) 10 倍，隨著(zhù)汽車(chē)產(chǎn)量的迅猛增長(cháng)，我國汽車(chē)的保有量呈現指數曲線(xiàn)逐年遞增，截至到 2014 年底，汽車(chē)保有量達 1.46億輛（國家統計局，2014），我國近十五年汽車(chē)產(chǎn)量及保有量變化趨勢如圖 1.1 所示。汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量迅猛增長(cháng)的背后也必然給社會(huì )帶來(lái)資源、能源、環(huán)境問(wèn)題。

　　（1）能源、資源的短缺及能源的高碳排放問(wèn)題。作為高能耗、高物耗產(chǎn)業(yè)，汽車(chē)產(chǎn)品產(chǎn)量的大幅度上升必然會(huì )消耗大量的能源、資源。據統計，2000 年到 2014年我國汽車(chē)制造業(yè)能源消費總量從 1502.38 萬(wàn)噸標準煤上升到 3189.438 萬(wàn)噸標準煤（國家統計局，2014），能源的消耗量增長(cháng)了 2 倍，這種高能耗的生產(chǎn)模式對我國能源的供應制造了很大挑戰，嚴重阻礙了我國經(jīng)濟的可持續增長(cháng)。如何在嚴峻的能源、資源環(huán)境形勢下，保證工業(yè)的可持續發(fā)展，這是我國現階段急需考慮的問(wèn)題。其次，我國能源結構不合理，能源消費以煤碳為主，雖然近年來(lái)我國能源結構總體上朝著(zhù)優(yōu)質(zhì)化方向發(fā)展，但截至 2014 年煤炭占能源消費的依然達到了百分之六十以上，比世界平均比重高三十個(gè)百分點(diǎn)。此外，能源的利用率低于國際水平，低碳能源的發(fā)展與利用程度還很低。這些因素使我國汽車(chē)制造業(yè)呈現―高碳‖特征。

　　（2）汽車(chē)尾氣排放量急劇升高，對環(huán)境影響越來(lái)越顯著(zhù)。汽車(chē)尾氣的主要組成有碳氧化物、碳氫化合物、固體懸浮微粒、氮氧化物等，這些有害物質(zhì)對環(huán)境及人體健康產(chǎn)生了極大的危害，主要體現在一下三點(diǎn)：第一，城市氣溫逐年上升。

　　尾氣成份中的 CO2、SO2等是典型的溫室氣體，一旦排入空氣，可以造成溫室效應，促使氣溫升高；第二，危害人體健康。氮氧化物被人體攝入后會(huì )損害人體的呼吸系統從而引起各種疾病；第三，地球氣候異化，出現酸雨、黑雨等現象。

　　（3）廢舊汽車(chē)的處理問(wèn)題。據有關(guān)報道，目前我國汽車(chē)的保有量超過(guò) 1.72億臺，每年更新?lián)Q代產(chǎn)生的報廢汽車(chē)就多達 1000 多萬(wàn)輛，并且隨著(zhù)時(shí)間往后推移，這個(gè)數據預期在若干年內會(huì )有增無(wú)減。如果廢棄復雜產(chǎn)品的拆解及回收處理不及時(shí)，那么對環(huán)境也必然會(huì )產(chǎn)生很大的壓力。

　　科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使各國經(jīng)濟得到迅猛發(fā)展，給人們帶來(lái)了更加優(yōu)質(zhì)的生活，同時(shí)它也給我們賴(lài)以生存的家園帶來(lái)了嚴重的環(huán)境污染。根據聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )（IPCC）第三次評估報告：自 1860 年氣象觀(guān)測記錄以來(lái)，全球平均溫度上升了 0.6℃，最近 100 年的溫度是過(guò)去 1000 年中最暖的，最暖的年份出現在 1983 年后，而最近 20 年又是過(guò)去 100 年中最暖的。因此，為了應對日益突出的全球氣候變暖問(wèn)題，國際社會(huì )對此進(jìn)行深入的研討，并陸續頒布了相關(guān)的減排文件（見(jiàn)表 1.1）。世界各國針對各國國情也相繼制定了相關(guān)的法律法規。

　　在全社會(huì )樹(shù)立―源頭控制‖的理念。英國從 1974 年開(kāi)始為治理倫敦煙霧相繼頒布《污染控制法案》、《機動(dòng)車(chē)燃料管理辦法》、《污染控制法案》、產(chǎn)品環(huán)境足跡等；美國從 1970 年開(kāi)始為治理洛杉磯煙霧、應對多諾拉事件頒布《清潔空氣法》，并于 2012 年將汽車(chē)油耗標識加入環(huán)保信息；日本為治理應對四目日事件、東京大氣污染訴訟于 1999 制定領(lǐng)跑者計劃，并先后頒布《降低汽車(chē)尾氣排放對策方案》、《新環(huán)保車(chē)輛減稅制度》。此外，歐盟為規范電子電氣設備管理頒布了 ROHS、WEEE、EUP 指令，對相關(guān)產(chǎn)品的危害物質(zhì)含量、回收處理、能耗產(chǎn)品的生態(tài)化設計做出了相關(guān)規定。為應對氣候變化，我國也制定了一系列的環(huán)保政策法規，采取了一系列的減排措施。如 2007 年發(fā)布了《中國應對氣候變化國家方案》，該方案系統地介紹了我國在 2010 年前應對氣候變化的政策法規；2008 年國務(wù)院針對氣候變化問(wèn)題首次發(fā)表了《中國應對氣候變化的政策與行動(dòng)》白皮書(shū)，系統地闡述了氣候變化對中國可持續發(fā)展的影響以及中國應對氣候變化所采取的減排措施及制定的政策法規。因此，企業(yè)如何在國際政策標準要求的背景下，打破國際綠色貿易壁壘；如何在政府各項政策制度的發(fā)展背景下，跟上國家步伐，這是我國企業(yè)目前所面臨的嚴峻挑戰。

　　汽車(chē)典型零部件化碳設計集成系統開(kāi)發(fā)應用：

參數化設計

零件模型數據庫

材料選擇

工藝設計

碳排放評估

設計建議

目 錄

　　第一章 緒論
　　　　1.1 課題研究背景
　　　　　　1.1.1 環(huán)境問(wèn)題的凸顯
　　　　　　1.1.2 國內外環(huán)保政策及法律法規
　　　　　　1.1.3 汽車(chē)生態(tài)設計的興起
　　　　　　1.1.4 CAD 技術(shù)的快速發(fā)展
　　　　1.2 國內外相關(guān)技術(shù)研究現狀
　　　　　　1.2.1 產(chǎn)品低碳設計技術(shù)研究現狀
　　　　　　1.2.2 模型特征識別與匹配技術(shù)研究現狀
　　　　　　1.2.3 CAD 技術(shù)研究現狀
　　　　1.3 課題研究意義及來(lái)源
　　　　　　1.3.1 課題研究意義
　　　　　　1.3.2 課題來(lái)源
　　　　1.4 論文主要的研究?jì)热菁皩?shí)施方案
　　　　1.5 論文的組織框架
　　第二章 汽車(chē)典型零部件生命周期碳排放分析
　　　　2.1 碳排放分類(lèi)及碳排放因子
　　　　　　2.1.1 碳排放分類(lèi)
　　　　　　2.1.2 碳排放因子
　　　　2.2 汽車(chē)的結構及其制造工藝分析
　　　　　　2.2.1 汽車(chē)的結構
　　　　　　2.2.2 汽車(chē)典型零部件的制造工藝分析
　　　　2.3 汽車(chē)典型零部件生命周期碳足跡分析
　　　　2.4 汽車(chē)典型零部件低碳設計與制造的實(shí)施策略
　　　　　　2.4.1 低碳設計與制造
　　　　　　2.4.2 低碳設計與制造的實(shí)施策略
　　　　2.5 本章小結
　　第三章 汽車(chē)典型零部件生命周期碳排放量化及優(yōu)化研究
　　　　3.1 碳排放量化方法
　　　　3.2 原材料階段碳排放量化模型
　　　　3.3 制造階段碳排放量化模型
　　　　　　3.3.1 典型成形工藝過(guò)程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.2 焊接工藝過(guò)程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.3 熱處理過(guò)程碳排放量化分析
　　　　　　3.3.4 典型機械加工過(guò)程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.5 涂裝過(guò)程碳排放的量化分析
　　　　　　3.3.6 裝配過(guò)程碳排放的量化分析
　　　　3.4 零部件低碳設計優(yōu)化潛能及設計建議
　　　　3.5 本章小結
　　第四章 低碳設計集成系統關(guān)鍵技術(shù)研究
　　　　4.1 Creo 二次開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究
　　　　　　4.1.1 基于 Pro/Toolkit 的 Creo 二次開(kāi)發(fā)
　　　　　　4.1.2 參數化設計技術(shù)
　　　　　　4.1.3 數據庫管理技術(shù)
　　　　4.2 特征的識別與提取關(guān)鍵技術(shù)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類(lèi)
　　　　　　4.2.3 零件特征的識別、提取與匹配
　　　　4.3 集成系統理論實(shí)現方案
　　　　4.4 本章小結
　　第五章 汽車(chē)典型零部件低碳設計集成系統的開(kāi)發(fā)與應用
　　　　5.1 低碳設計集成系統的開(kāi)發(fā)
　　　　　　5.1.1 低碳設計集成系統的開(kāi)發(fā)與運行環(huán)境
　　　　　　5.1.2 低碳設計集成系統的總體框架及模塊功能簡(jiǎn)介
　　　　5.2 集成系統工作流程
　　　　5.3 應用實(shí)例
　　　　5.4 本章小結
　　第六章 總結與展望
　　　　6.1 全文總結
　　　　6.2 研究展望
　　參考文獻
　　攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動(dòng)及成果情況

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