智能制造关键技术与工业应用丛书--可持续设计与智能优化

绿色设计是绿色制造的基础，本书在绿色设计的基础上，结合国情和发展要求进行了扩充，将生态设计和低碳设计也融入其中，形成了涵盖绿色设计、生态设计和低碳设计的可持续设计，是更符合我国可持续发展要求的设计方法。 本书主要是围绕机电产品可持续设计的技术与实例展开，在介绍产品减量化可持续设计、面向拆卸的产品可持续设计、面向再制造的产品可持续设计、产品增材制造可持续设计、产品服务系统可持续设计的基础上，详解了产品服务系统可持续设计案例和产品可持续设计案例。理论与应用相结合，实用性强。

日益严重的环境污染严重威胁着人类的生存。据统计，造成环境污染的70%的废弃物来自制造业。为了遏制环境污染，各种严格的环境法律法规陆续出台，对制造业形成了强制性约束。因此，保护环境、有效利用资源是制造业可持续发展的必由之路。
在环境、经济、立法等多元驱动下，可持续设计日益受到关注。可持续设计是一种先进的设计理念，涉及社会、经济、环境可持续性三个方面。为支持可持续设计，需要从产品结构、材料、产品服务系统等角度进行设计，过程复杂，新理论、新技术仍在不断发展。为了帮助产品设计人员、研究生和高年级本科生等快速地了解可持续设计方法及关键技术，本书从方法基础、关键技术、案例等角度介绍了产品可持续设计的相关内容以及智能优化方法在可持续设计中的应用。
本书是根据编著者及其科研团队多年的研究成果和国内外相关文献资料撰写而成的。本书共9章，第1、4、5、6、7章由内蒙古工业大学张秀芬编写，第2、3、8、9章由内蒙古机电职业技术学院蔚刚编写。第1章介绍了可持续设计的内涵和实施情况；第2章介绍了模块化设计、创新设计两种常用的可持续设计方法和遗传算法、粒子群优化、人工神经网络三种典型的智能优化方法，为后续的内容奠定基础；第3～7章从产品层角度论述了减量化设计、可拆卸设计、再制造设计、增材制造设计、全生命周期评价、低碳设计等可持续设计关键技术；第8章从系统层论述了服务系统可持续设计方法；第9章整理了一些成功的可持续设计案例供参考赏析。在本书的编写过程中，引用和参考了一些专著、教材、期刊论文、硕博学位论文等文献资料，并将主要参考文献附在书尾参考文献部分，在此谨向有关作者致谢。
本书的研究内容得到了国家自然科学基金（51965049）、内蒙古自治区关键技术攻关计划（2021GG0261）和2021 年度自治区教育科学研究“十四五”规划课题（NGJGH2021084）的资助，在此表示感谢。
由于可持续设计是一门涉及多个学科、多个领域的交叉学科，内容博大精深，编著者的知识水平与实践经验有限，书中可能存在不足之处，敬请广大读者批评指正，反馈邮箱zhangxf@ imu.t edu.cn。

编著者

张秀芬，内蒙古工业大学机械工程学院，副教授。2011年3月毕业于浙江大学机械设计及理论专业，获工学博士学位。现在内蒙古工业大学从事教学科研工作，主要研究方向为计算机辅助设计、产品绿色设计等。以一作发表学术论文20余篇，其中SCI收录3篇，EI收录8篇。获实用新型专利1项，计算机软件著作权2项，主持和参与多项国家、内蒙古自治区级自然科学基金项目。教学方面，培养硕士研究生3名，自2011年以来开设并主讲1门硕士研究生专业选修课程《产品绿色设计》，旨在培养学生绿色环保意识和了解绿色设计相关方法和技术。绿色设计是一种先进的设计理念，为了支持绿色设计，需要进行产品结构、材料、布局等方面的改变，绿色设计涉及面广，过程复杂，而且新方法、新理论、新技术层出不穷。

本书主要阐述了产品可持续设计与智能优化的基本方法和关键技术，并配合相关的工程案例进行了解析。主要涵盖可持续设计的内涵和实施情况，模块化设计、创新设计两种常用的可持续设计方法和遗传算法、粒子群优化、人工神经网络三种典型的智能优化方法，并从产品层角度论述了减量化设计、可拆卸设计、再制造设计、增材制造设计、全生命周期评价、低碳设计等可持续设计关键技术，最后从系统层论述了服务系统可持续设计方法，并整理了一些成功的可持续设计案例供读者参考赏析，理论与应用相结合，实用性强。
本书既是产品设计人员、工程技术开发人员的技术参考书，又是机械工程等专业教师、高年级本科生、研究生的参考书。

第1章绪论001
1.1可持续发展的历程和影响001
1.1.1可持续发展历程001
1.1.2可持续性的影响002
1.2可持续设计的内涵004
1.2.1可持续设计的定义004
1.2.2可持续设计的金字塔架构005
1.3可持续设计的实施009
1.3.1实施案例009
1.3.2实施的障碍013
1.3.3实施的关键013
1.4本书的组织结构014

第2章可持续设计与智能优化方法基础016
2.1模块化设计方法016
2.1.1模块化设计基本思想016
2.1.2模块化设计关键技术019
2.1.3汽车座椅的可持续模块化设计023
2.2创新设计方法041
2.2.1创新设计方法的理论基础041
2.2.2创新设计主要工具044
2.2.3知识数据库052
2.2.4螺丝刀的可持续创新设计057
2.3智能优化方法基础061
2.3.1遗传算法062
2.3.2粒子群优化067
2.3.3人工神经网络068

第3章减量化可持续设计074
3.1减量化可持续设计的基本思想074
3.2减量化可持续设计实现途径076
3.2.1轻量化材料的选择077
3.2.2结构优化079
3.2.3超物质化设计081
3.3减量化可持续设计常用工具082
3.4高速机床工作台的减量化可持续设计084

第4章面向拆卸的可持续设计086
4.1概述086
4.1.1智能拆卸086
4.1.2基于可拆卸准则的可持续设计089
4.1.3嵌入式拆卸可持续设计094
4.1.4主动拆卸可持续设计096
4.1.5拆卸可持续设计关键技术097
4.2拆卸可持续设计信息模型098
4.2.1拆卸混合图模型098
4.2.2拆卸混合图模型的构建与简化101
4.2.3注塑机合模装置拆卸混合图模型107
4.3多体协同拆卸序列智能规划技术109
4.3.1多体协同拆卸序列规划问题的数学描述109
4.3.2基于分支定界法的多体协同拆卸序列规划与案例分析110
4.3.3基于遗传算法的多体协同拆卸序列规划与案例分析114
4.3.4基于模糊粗糙集的多体协同拆卸序列规划方法119
4.4局部破坏模式下的并行拆卸序列规划技术125
4.4.1问题描述125
4.4.2退役产品多重失效约束拆卸信息模型126
4.4.3基于遗传算法和多重失效的拆卸序列与任务规划方法127
4.4.4洗衣机的局部破坏性拆卸序列规划129
4.5非破坏模式下的可拆卸性评价与反馈134
4.5.1多粒度层次可拆卸性评价方法134
4.5.2波轮式洗衣机的可拆卸性评价140
4.6局部破坏模式下的可拆卸性评价与反馈144
4.6.1局部破坏拆卸可行性判断方法144
4.6.2帕萨特发动机的拆卸可行性判断151
4.7基于拆卸准则的转盘式双色注塑机合模装置可持续设计156

第5章面向再制造的可持续设计162
5.1面向再制造的可持续设计概述162
5.1.1再制造工程162
5.1.2面向再制造的可持续设计169
5.2基于准则的再制造设计方法170
5.2.1再制造设计准则171
5.2.2基于失效准则的再制造优化策略174
5.2.3梯度寿命再制造设计174
5.3基于评价工具的再制造设计方法175
5.3.1再制造性影响因素识别与量化175
5.3.2再制造设计综合评价方法和设计反馈178
5.4基于拆卸分析的再制造设计方法178
5.4.1再制造拆卸的特性与预测179
5.4.2再制造设计优化策略181
5.5再制造反演设计方法182
5.5.1典型再制造设计约束的获取182
5.5.2再制造性约束靶向映射模型184
5.5.3关键再制造设计约束的靶向识别方法191
5.5.4回收决策分析与筛选192
5.5.5再制造反演设计多色模型196
5.5.6再设计策略多色推演方法200
5.5.7再制造反演设计方法流程201
5.6再制造设计评价与反馈202
5.6.1基于图像的零部件表面失效程度量化方法202
5.6.2基于图像的电梯导靴表面失效特征表征应用211
5.6.3多维递阶再制造性评价方法213
5.6.4帕萨特B5 发动机多维递阶再制造性评价案例219
5.7应用研究224
5.7.1QR 轿车变速箱的再制造设计224
5.7.2电梯的再制造反演设计227

第6章面向增材制造的可持续设计238
6.1概述238
6.1.1增材制造原理与技术238
6.1.2面向增材制造的可持续设计内涵242
6.2增材制造可持续设计准则244
6.2.1结构设计准则244
6.2.2支撑设计准则245
6.2.3聚合物零件的增材制造可持续设计准则246
6.2.4金属零件的增材制造可持续设计准则249
6.3增材制造可持续设计方法251
6.3.1基于组件的增材制造设计251
6.3.2基于装配体的增材制造设计252
6.3.3创成式设计252
6.4增材制造可持续设计案例分析253
6.4.1汽车座椅安全带支架的设计253
6.4.2米其林的3D 打印轮胎255
6.4.3液压歧管组件的设计256
6.4.4悬臂枢轴的再设计257

第7章面向全生命周期的可持续设计259
7.1生命周期评价259
7.1.1生命周期评价简介259
7.1.2生命周期评价流程263
7.1.3生命周期评价工具268
7.2低碳设计272
7.2.1低碳设计概述272
7.2.2碳足迹概述273
7.2.3基于连接结构单元的碳足迹递阶量化法274
7.2.4基于结构单元进化的低碳设计框架281
7.3生态可持续设计案例分析283
7.3.1增材制造液压阀块的生命周期评价283
7.3.2液晶显示器的低碳设计294

第8章服务系统可持续设计298
8.1服务系统概述298
8.1.1系统定义298
8.1.2服务系统的内涵299
8.1.3服务系统分类300
8.1.4服务系统设计工具301
8.2服务系统可持续设计准则303
8.2.1服务系统可持续设计的内涵303
8.2.2服务系统环境可持续设计准则304
8.2.3服务系统经济可持续设计准则305
8.2.4服务系统社会可持续设计准则305
8.3服务系统可持续设计方法306
8.3.1策略分析307
8.3.2机会点探索309
8.3.3系统概念设计311
8.3.4系统详细设计312
8.3.5交流313
8.4服务系统案例分析314
8.4.1应用于分布式食物生产的可持续产品服务系统314
8.4.2微型电动汽车可持续产品服务系统315

第9章可持续设计案例赏析318
9.1可持续设计案例318
9.1.1涡流自清洁水管318
9.1.2蚕丝剃须刀319
9.1.3环保回收小工具320
9.1.4环保塔楼积木320
9.1.5REBORN 321
9.1.6AQUS 系统321
9.1.7健康电能健身自行车321
9.1.8海洋废物收集器321
9.1.9洗手站322
9.1.10可持续性外墙Wind Digester 322
9.1.11电动船舶充电站E-HARBOUR 323
9.2服务系统可持续设计作品323
9.2.1工业灯具的可持续服务系统323
9.2.2“租衣吧”可持续服务系统326

附录新TRIZ 矛盾矩阵328

参考文献350