基于低碳理念的可拆卸產品結構設計研究

曾文博

摘 要：本文在綜述國內外相關研究現狀的基礎上，從改善產品低碳性能的角度出發，主要從結構優化、模塊優化、材料優化三方面對可拆卸產品結構設計的理論研究與實踐探索進行分析。

關鍵詞：低碳理念；可拆卸；產品結構設計

中圖分類號：TH122；TP391.72 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2016）14-0043-01

產品設計作為工業設計的一個主要方向，其目標已不再僅限于單純的功能、形象設計，而是越來越注重設計對于產品整個生命周期過程的影響。基于低碳理念的可拆卸產品結構設計，就是在結構設計過程中，考慮產品開發各環節可能發生的問題或可能面臨的困難，以此進行系統、全面的結構設計。因此，改善產品的拆卸結構能夠直接促進生命周期的延長，而延長產品生命周期的方式包括增加產品的使用壽命、在回收的過程中提取部件進行再制造，或是將材料進行回收以便再生產時作為原料使用。而這些方式的實現都需要通過拆卸結構來進行維修，維護。因此本文以產品拆卸結構為主要研究對象，并以此通過低碳理念的融入促進產品生命周期的延長。

一、概念界定

（一）可拆卸產品結構設計

可拆卸結構設計是在產品設計的詳細設計階段，在滿足產品功能、成本要求等基本屬性基礎上，保證產品結構易于裝配、易于拆卸、方便維護的有效手段，同時也是使得報廢產品的可用部分能夠充分有效地回收和重用，實現資源和能源節約、環境保護的必然選擇。

（二）低碳設計理念

低碳設計是指從設計源頭提高產品生命周期中低碳性能的設計。產品低碳性能是指衡量產品在制造、使用、維修、回收等生命周期過程中降低資源與能源消耗、減少污染排放的環境性能。在產品制造、儲運、流通、消費乃至回收等各個環節都能做到低能耗、低污染、低排放。

二、基于低碳理念的可拆卸產品結構設計的研究現狀

產品結構設計與碳排放關系密切，當產品外觀形態、功能等要素確定的情況下，產品的結構布局、材料選擇、制造工藝、裝配性能、拆卸性能、回收級別等這些影響碳排放的要素主要是由設計階段決定。因此，將碳排放性能作為產品結構設計的主要約束條件之一的低碳設計被認為是一種從源頭上改善碳排放的有效途徑。國內外學者從設計、制造、供應鏈等不同角度對此展開研究。比如Devanathan等研究了概念設計階段的產品低碳化設計方法，提出了功能影響矩陣，將環境對產品的影響因素與產品功能相關聯，結合產品生命周期評估及質量功能配置的方法，探討了設計初期階段的低碳化設計方法。徐小明等基于產品結構層次性特點提出了結構層次回收法，以完全拆卸為起點，自底向上逐層搜索，以強制回收為前提，獲取最大回收效率為準則，來尋找產品最優的回收方案。

此外，國內學術界也從不同的視角展開了對低碳理念下可拆卸產品結構設計的研究。但是，目前我國關于產品低碳設計理論和實際應用還不成熟，主要表現在以下幾個方面。

1.目前從結構設計的角度進行低碳設計的研究，大多只涉及到局部層面，且研究還不夠完善，很難滿足產品面向低碳的設計需求。為省材而進行的零件結構優化大多是材料選定后的優化，但是由于在結構設計時材料已經選定，很難實現材料性能與結構需求的最優匹配，從而造成浪費。

2.產品低碳設計大多通過減少產品結構的重量，選用環保材料等方式實現，由于缺乏整體碳排放的量化信息，很難為實際結構設計過程提供明確的指導，且由于碳排放量的具體構成不明確，設計人員很難確定高碳排的環節，進行有針對性的改進。

3.面向低碳的產品結構設計涉及層面較多，目前還缺乏系統的方法，如何應用結構多層模型及相應的技術來實現產品結構的低碳設計，需要從各個層面深入研究。

三、基于低碳理念的可拆卸產品結構設計相關技術研究

產品結構設計是產品設計過程中最關鍵也是最復雜的環節之一，是決定產品實現其各功能具體形式的重要階段。從改善產品低碳性能的角度出發，主要從結構優化、模塊優化、材料優化選取等方面對可拆卸產品結構設計的研究進行分析。

（一）產品結構優化設計技術

結構優化設計是以尋求既經濟又適用的結構形式，以最少的材料、最低的造價實現結構的最佳性能為目標，用系統的、目標定向的過程與方法代替傳統設計。隨著計算機硬件技術的高速發展，大容量存儲于高性能計算使得利用數學和力學理論來滿足某些約束條件的目標變得更容易，各種商業化的結構優化軟件也不斷推出。結構優化設計技術能在保證結構性能的同時，有效地提高材料利用率。據悉，美國波音飛機公司對大型機翼用138個設計變量進行結構優化，使重量減少了三分之一。產品結構優化具體體現在以下幾個方面。

1.易加工性：各類結構的材料不同，加工工藝不同，加工過程的難易程度也就有所不同。加工的難易程度直接影響產品結構最終的成型，也會直接導致環境問題。

2.牢固性：在可拆卸結構設計中，牢固性是審核結構是否合格的基本指標，也是結構設計師在設計階段最后考察的要素。牢固性不僅關系到產品的品質好壞，也是相對于可拆卸結構易拆卸性的限制因素。

產品結構優化從結構設計的各個階段尋求結構的最優解，能提高材料的利用效率，從原料投入的角度減少產品關聯的碳排放量，是提高結構低碳性能的有效手段。但由于結構的優化改進也會引起加工制造過程的變化，有可能造成制造過程的復雜化，從而增加制造環節的碳排放，如何協調兩者間的矛盾使得整體結構關聯碳排放量最小，需要從具體碳排放量的角度進行深入分析。

（二）產品模塊優化設計技術

隨著產品結構不斷復雜化，模塊化設計思想應運而生，產品模塊化設計是基于各種劃分原則，將分散的零部件聚合在一起，形成若干標準化的模塊，再通過這些標準化模塊的組合形成多樣化的產品。當產品廢棄后，為了能對部件進行高效率的回收，降低回收成本，將組成材料相容的零部件劃分到同一個產品模塊中，這樣可以將模塊作為一個整體進入回收工藝過程，而不需要對模塊做進一步的拆卸分解工作，從而減少了總的零件拆卸分離工作和對材料的分離歸類工作，拆卸成本也得到了減少。因此產品結構的模塊劃分對產品的功能結構和可拆卸性程度具有直接影響。

產品模塊化設計技術的應用較為廣泛，但大多企業實際的模塊化設計是依靠設計人員的經驗，各種模塊化設計理論也只適用于特定的設計問題，如何設計一套更全面的模塊化方法體系還需要更多探索。

（三）產品材料優化設計技術

材料是各類生產活動開展的最基本的前提，材料的優劣直接決定了產品本身質量的高低，即使技術再好，生產設備再齊全，如果選用的材料質量不好，材料的性能與產品的用途相悖，那么即使再精細的工藝也無法將產品設計制作成功。。從低碳設計理念的角度來分析，材料選擇的環境協調性原則主要有：選用新型環境材料；選用原料豐富、低成本、少污染的材料；選用無毒無害材料；選用可回收利用材料；減少所用材料種類；考慮所選材料的相容性；選用重構材料。

在探索自然材料在產品上的應用，亞洲的許多先鋒設計師創作的作品，為未來的產品設計中材料的采用提供了許多獨創的借鑒。如利用草、麻等作為原材料制成的環保墻飾，不僅降低了產品的生產成本，同時作為一種天然的原料，還具有保濕、驅蟲、保健的功效。

任何一件產品都是由一種或多種可認知的材料構成的，大多數的情況下，產品被淘汰報廢之后，其構成產品的材料本身的性能并沒有發生改變，對廢棄產品的再設計是以另一種形式延長了產品的使用壽命。因此對產品材料進行優化，體現的是一種可持續設計的思想，同時也為人們的生活帶來更多的創意與驚喜。

四、結語

“低碳”是隨著社會發展進步而誕生的一大科學發展新理念，現今已經發展成為了一種社會風尚。未來在產品動力源結構和模塊的優化、新材料的選用與產品的壽命延長方面應認真貫徹低碳環保的設計理念，減少碳的排放量、減輕環境污染的狀況。在提高產品質量的同時保護生態環境的平衡，使低碳生活、低碳消費成為一種潮流。

參考文獻：

[1]陳志偉，徐鴻翔.面向拆卸設計的可拆卸性評價指標研究[J].制造業自動化，2003（07）.

[2]倪俊芳，莫建中，蔡建國.產品可拆卸性設計的理論及應用[J].上海交通大學學報，1997（12）.

[3]徐鋒，顧新建，紀楊建，祁國寧.基于低碳約束的產品概念設計方法研究[J].機械工程學報，2013（07）.

[4]徐鋒.產品功能性包裝的低碳概念設計關鍵技術與應用[D].杭州：浙江大學，2014.

[5]陸廣譜，潘榮.基于生態環保的產品循環再設計探討[J].包裝工程，2008（09）.

[6]黃雪飛.工業產品的生態化設計：內涵、方法與評價[J].設計藝術研究，2015（06）.