基于生命周期評價的產品優化設計研究

吳學振

摘 要 生命周期評價可以為設計人員提供產品環境影響的分析依據，但在實際應用中不僅需要大量的時間，還需要詳細的產品材料清單來確定最優的產品設計，為產品的綠色設計增加了難度。為解決上述問題，本文提出了一種基于生命周期評價的產品優化設計方法。以電機為例，設置五種不同的設計方案，實現了設計變量的最優化，使電機對環境的影響最小。

關鍵詞 產品優化設計;生命周期評價;環境影響;電機設計

產品優化設計主要是通過確定設計變量，使環境影響在相關約束條件下最小化的數學優化問題。雖然生命周期評價可為工程設計人員提供產品的環境影響分析依據，但對產品的優化設計必須克服兩大問題[1]：一、生命周期評價需要詳細的物料清單，二、生命周期評價研究需大量時間和精力;因此采用不同的設計變量生命周期評價進行全面的研究難度較大。為解決基于生命周期評價的產品優化設計問題，本文提出了一種新的數學優化的分析方法對產品生命周期評價進行優化設計分析。

1產品環境影響潛值計算

1.1 產品生命周期評價

生命周期評價是一種分析評估工具，用于量化產品或系統的環境影響。潛在的環境影響來自于產品生命周期的所有階段，即生產制造、使用維護和廢棄回收階段。LCA可以通過以下步驟實現：目標與范圍的確定、清單分析、環境影響評估和結果解釋。

1.2 環境影響潛值計算

產品總生命周期影響潛值計算如下：

其中總和符號表示從時間i到l的產品使用壽命;、和分別表示生產制造、使用維護和廢棄回收階段的環境影響評估值。

（1）產品生產制造階段的環境影響潛值計算公式如下：

其中，、和分別表示原材料（r）、制造工藝（p）和運輸（s）的單位環境影響;Nr、Np和Ns分別表示原材料、制造工藝和運輸過程的單位數量。因此，為了估計制造階段的影響，應該有一個完整的產品物料清單，其中包含生產制造過程和運輸過程的信息。

基于初步生命周期評價中的多個參考點，利用最小二乘法可獲得最佳擬合曲線，以確定產品質量與環境影響之間的關系，生產制造階段可以用公式3近似代替：

其中f是近似模型，ε是白噪聲。與0級不同，級別2旨在優化設計變量，但是可能會造成環境影響估計精度的降低。一旦設計變量得到優化，就可以在0級進行全面的生命周期評價，以更準確地估計設計的環境影響（即優化設計變量）。級別2與級別1類似，但只有一個參考點可用。該水平進一步假設環境影響與產品的質量成正比。

（2）產品使用維護階段的環境影響潛值計算公式：

式中，，分別表示式（2）中產品運行時能源消耗和廢棄物排放量對環境的影響;和分別是能源消耗與廢棄物排放的單位環境影響;Eq是排放量q的排放率，單位為g/hr;Ot是產品運行時間，單位為小時。產品的效率（如能源和燃料效率）是影響使用維護階段環境影響的主要因素。

（3）廢棄回收階段的環境影響潛值計算公式如下：

其中是產品廢棄處理階段的單位環境影響，可通過熔融、填埋、再制造等方式回收利用。

2基于生命周期評價的產品優化設計

生命周期評價最優產品設計的一般形式如下：

其中f是環境目標函數;hm（x）和gn（x）是等式和不等式約束函數;x是設計變量（連續和離散）。x是一組連續和離散（整數）變量，問題是一個混合整數線性規劃或混合整數非線性規劃問題。

目標函數可用式（1）表示：

總的環境影響函數可以利用產品的設計變量表示。

3案例研究

本文以電機的優化設計為例對提出的方法進行驗證，電機廣泛用于各種用途。例如家用電器、電動工具等。

對于電機的物理性能的影響因素主要有8個設計變量。將8個設計變量與4個性能輸出量構建相應的數學分析模型。其中4個性能輸出量主要指電機的功率（P）、扭矩（T）、質量（M）和效率（η）。

在對電機的設計變量進行優化設計以減小電機對環境的影響時，也應滿足上述的約束條件。對于市場現有的電機產品，其功率和扭矩的需求通常為300W和0.3Nm，并且基于市場調查，其質量通常小于2kg，效率通常在15%到80%之間。

電機的優化設計公式如下：

其中x是八個設計變量;假設基本壽命為5年（例如，從2015年到2020年）。

總環境影響潛值是生產制造、使用維護和廢棄回收階段環境影響潛值的總和。對于生產制造階段的環境影響，假設質量和環境影響有多個參考點，其近似模型是：

使用維護階段的環境影響：假設電機使用為單一的使用場景，基本功率，假設電機將在5年內每天使用4小時，每年使用120天。電機的效率是決定此階段環境影響的主要因素。例如，如果有效率為0.8的電機，則輸出功率為80 W，輸入功率為100W。因此，如果需要100 W，則需要提供125 W，這樣會產生更多的環境影響。

根據使用情況，式（4）中的能量消耗可以表示為：

從環境影響數據庫中獲得，其值為0.724（kgCO2）/Kwh。假設電機運行時排放物的影響為零，即，因此，使用維護階段的環境潛值計算公式如下：

由于電機的主要材料（鋼、鐵、銅和鋁）可以回收利用，占其總環境影響潛值比例較小，因此廢棄回收階段的環境影響潛值假定為零[2]。本節中的優化問題是一個非線性規劃問題。

利用Microsoft Excel中的GRG（廣義約化梯度）非線性求解器求解優化問題。結果如表1中的設計方案1所示。在滿足約束條件的前提下，對8個設計變量進行優化，使環境影響最小化。表1還提供了設計方案1電機的性能和總的環境影響。

綜上所述，由表1表可以看出電機的最佳設計結果，通過改變設計變量來達到最小化總的環境影響的目的。

4結束語

本文提出了設計變量可變的產品生命周期評價優化設計方法。通過提出的不同生命周期評價水平，環境影響評價可以將設計變量與環境影響聯系起來。該方法能夠優化工程設計和生命周期評價過程中的設計決策。并在確定設計變量和設計約束的條件下，實現產品環境影響最小化。

參考文獻

[1] 張毅，李文強，李彥，等.基于碳足跡信息模型的產品低碳創新設計[J].工程設計學報，2017（2）：141-148.

[3] 周祖鵬，劉夫云，莫秋云.兩種簡化生命周期評價方法及其應用[J].組合機床與自動化加工技術，2014，（10）：158-161.