第一章绪论
1.1课题研究背景
社会不断发展技术不断进步，制造业自动化程度不断加深，汽车、家电产品、电子消费品、工业产品等涌入人们的生活。产品中许多零部件从原料获取、加工制造到回收处理的一系列过程中消耗各种资源及能源，同时也会向环境中排放出大量的有害物质，资源与环境问题对经济发展产生了重大的影响。同时，制造业为了应对市场竞争，在产品设计时既要考虑设计效率，缩短设计周期又要考虑产品的环境影响性。因此，在产品设计阶段就考虑产品设计的绿色属性将是产品设计重要研究方向。我国资源丰富，但是由于人口众多，人均资源占有量少是我国的一项基本国情。近些年在许多政策的指导下，我国的制造产业一直处于迅猛发展的态势，随之而来的是资源及能源消耗量的增长，同时污染物排放也不断上升。分析截止到2012年的国家统计局数据，我国能源年消耗量(折算为标准煤的使用量)为361732万吨，其中最主要的为煤炭、石油及天然气的消耗，占到总量的90%;其次为水能、风能及核能，只占总量的9.4%[1]。能源的大量消耗，不可避免的带来了环境问题。分析环境统计年报的数据，2013年我国废水排放总量高达695.4亿吨；全国二氧化硫及氮氧化物的排放达5271.3万吨[2]。人类活动对水体、生物及大气产生了深远的影响，水污染加剧、全球变暖严重。在过去的半个世纪中，全球气温上升1.1摄氏度，速度成缓慢增长的趋势，我国的气候变化趋势也不容乐观。科学技术飞速发展，给人们带来了优质的生活，同时也对环境产生了影响。产品的设计不仅需要考虑市场需求、经济利益、工艺实现等方面的因素，还要将环境属性作为一个重要的设计指标融入到设计中去。为此，我国也实施了可持续发展战略，从政策上引导发展，将环境保护、节约资源作为社会发展的前提。同时，国际社会也出台了多项严格的法律法规：欧盟实施ELV(End-of-Life Vehicle)指令，目的在于提高报废汽车利用率，减少废弃物，减少污染；美国通过了《清洁能源安全法案》旨在降低温室气体的排放。
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1.2国内外相关技术研究现状
本文为了在零部件设计过程中考虑零部件环境属性，从而实现Pro/E软件中零部件绿色设计。因此，对国内外关于绿色设计方法及Pro/E 二次开发技术做了研究。在产品设计阶段提前考虑环境因素，将环境性能作为产品设计的一项重要指标，以实现产品绿色环保是绿色设计（Green Design)的主体思想。早在1993年，LEO. Alting提出了降低环境影响的可持续工业发展模式，指导设计制造以降低这些过程对环境的影响程度。近些年，绿色设计一直是设计领域关注的焦点，在CIRP ( The International Academy for Production Engineering)国际会议上多次提到绿色设计相关话题，各种绿色设计思想被不断提出，例如可拆卸设计（DFD)、面向环境设计（DFE)、生命周期设计（LCD)和可回收设计（DFR)等。国内许多学者也在绿色设计领域有深入研究：刘志峰、高洋等[6]基于TRIZ理论和实例推理原理提出了产品绿色创新设计方法，构建了绿色产品设计实例本体库，实现了绿色设计属性向TRIZ工程参数的转化。栾忠权根据IS014042的生命周期评估原理，采用生态指数方法指导家电产品设计，在设计中对主要的环境影响因素进行优化，实现环境性能改善。陈建、赵燕伟等[8]采用了拓扑换桥法解决绿色设计过程中的冲突消解，为消除产品绿色设计过程中不同知识领域冲突提供有效的解决方法。鲍宏、刘光复等[9]提出了模块化的思想建立绿色产品模型，釆用环境化功能配置法将用户需求、绿色特性进行映射，建立多目标优化模型以实现产品绿色性能的优化；李聪波、刘飞等_提出了面向机床产品设计、制造的绿色模式，对绿色性能进行优化，阐述了废旧机床再制造技术。
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第二章材料有害性量化评估方法的研究
2.1材料有害潜能理论
国内外很多国家要求企业在材料实际生产中严格遵守化学品安全说明书(Material Safety Data Sheet, MSDS )中有关安全使用的规则。说明书中对各种物质的化学物理特性及危害性有详细的说明，借助于MSDS中的信息可对物质的环境性能做出量化的评估。在计算材料的TPI之前需要对材料的各种特性做出分类和评估，最初MSDS中提供了物质使用过程中的正确操作方法以及一些危险急救提示，还包：物理特性（懷点、密度等)、毒性、对人体健康的影响、危险急救方法、!r：存方式、运输方式等许多信息。1994年，国际标准委员会制定了 IS011014-1标准对MSDS做了新的补充[62]。明确规定MSDS中16项内容（见表2.1)并且措辞、代号、序号不允许随意更改。许多国家对MSDS中项目按照本国语言进行描述，例如美国和英国采用英文，加拿大釆用英语和法语，中国采用汉语。通常数据库的编制要遵照本国的一些规定，不同国家一般按照自己要求选择部分项目制定自己的数据库。对MSDS中有关材料有害性的信息进行提取，Fraunhofer-IZM[63^出了用TPI(toxic potential indicator)值来评估材料对环境及人体的有害程度相比于LCA技术，TPI可以简单而快速的评估材料环境影响性能。在Fraunhofer-IZM的方法中计算TPI值需要获取三部分信息R-phrases、MAK、WGK,按照德国的标准对获取的有关危害性信息的进行量化的评分，分值越高表示危害性越高。R-phrases表示材料的危险性概述，这部分信息对材料的危险性进行了描述，例如致癌、刺激皮肤、对水体的污染等；MAK表示材料工作场所最大允许浓度（以气体或者悬浮物形式），通常指不会对人体造成伤害的最大允许浓度；WGK表示材料的水污染等级。为了量化的评估材料的有害性，需要将上述三部分信息进行量化，相应的指标值用Nk、Nmak> Nwgk表示。
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2. 2材料有害潜能的层次化评价方法
为了能运用我国MSDS中的信息对材料的有害潜能做出评估，本文运用层次化评价方法（AHP)，对材料的有害性做出量化的评估。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是美国运筹学家、匹兹堡大学T. L. Saaty教授在20世纪70年代初期提出的，AHP是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法。它的特点是把复杂问题中的各种因素通过划分为相互联系的有序层次，使之条理化，根据对一定客观现实的主观判断结构（主要是两两比较）把专家意见和分析者的客观判断结果直接而有效地结合起来，将一层次元素两两比较的重要性进行定量描述。而后，利用数学方法计算反映每一层次元素的相对重要性次序的权值，通过所有层次之间的总排序计算所有元素的相对权重并进行排序。在深入分析实际问题的基础上，将有关的各个因素按照不同属性自上而下地分解成若干层次，同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有影响，同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层，通常只有1个因素，最下层通常为方案或对象层，中间可以有一个或几个层次，通常为准则或指标层。当准则过多时(譬如多于9个)应进一步分解出子准则层。
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第三章基于生命周期的零件碳排放计算方法研究..........21
3.1碳足迹理论.......21
3.2生命周期评价.......24
3. 3基于生命周期的零部件碳排放计算.......25
3.4本章小结.......27
第四章Pro/E 二次开发关键技术研究.......28
4.lPro/E 二次开发概述.......28
4. 2基于Pro/E的参数化建模方法.......29
4. 3基于Pro/TOOLKIT零件模型信息提取的研究.......31
4.4零件模型信息提取实例.......35
4.5本章小结.......37
第五章Pro/E下零件材料有害性及碳排放评估插件的开发.......43
5.1系统工作流程.......43
5. 2环境配置.......45
5. 3数据库的建立.......45
5. 4系统界面.......47
5. 5零件实例.......49
5.6本章小结.......51
第五章Pro/E下零件材料有害性及拔排放评估插件的开发
5. 1系统工作流程
为了实现参数设计及评估功能，需要在Pro/E中建立参数化设计 块、评估分析模块和数据支持模块。参数化设计模块主要包含参数模型零件库的建立，用户可以向零件库中添加模型零件、删除模型零件，可对模型零件进行修改实现零件再生；数据支持模块主要包括建立材料的TPA数据库，零件加工工艺信息数据库，为计算材料有害性及零件碳排放提供数据支持；评估模块可以实现Pro/E中零件模型驱动计算出零件材料的有害潜能值（TPA)及零件碳排放量，可以对设计人员所选择的不同材料环境性能做出对比，为设计者提供选材参考。系统的主要流程见图5.1。设计人员在设计零件结构时，需要根据选用的零件材料力学性能确定结构尺寸。对于不同选材的零件，设计人员通过参数化设计功能，输入零件尺寸参数直接生成零件模型。在Pro/E软件中通过插件，借助于相应的数据库，设计人员在插件界面中选择材料，输入工艺数据即可对零件材料有害性及零件生命周期下的碳排放做出量化的计算，计算结果可用于选材参考。
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总结
科学技术飞速发展,给人们带来了优质的生活，也带了不可忽视的环境问题。产品的设计不仅需要考虑市场需求、经济利益、工艺实现等方面因素，还要将环境属性作为一个重要的设计指标融入到设计中去。绿色设计是产品设计的重要设计思想，产品不仅仅是在面向消费者使用过程绿色环保，其制造过程、回收过程也是重要的考虑阶段，绿色设计是面向全生命周期的。现阶段各种绿色设计评估软件使用复杂投入成本较高，限制了中小企业的绿色设计的实施。通常的绿色设计涵盖了绿色材料选择、生命周期评价、可回收设计、可拆卸设计。通常企业在设计零部件过程中，零部件结构基本确定，改进结构会影响到其他相连接零部件的结构尺寸。为了实现简化零件绿色设计过程，本文利用了绿色材料理论与生命周期评估方法，并对Pro/E软件进行二次开发。实现了设计人员对系列化零件的参数化设计，并对零件的材料的有害性及零件生命周期下碳排放做出评估。设计人员根据评估结果选择对环境危害相对较小的材料，通过碳排放的数据可以对制造工艺的做出优化以减少碳排量。主要内容包括：
(1)对材料有害潜能理论进行了简要阐述，对TPI算法在我国使用的局限性进行了说明。对MSDS中物质的有害性描述进行了概括并给出了相应的指标值，利用层次化评估方法对物质的有害潜能进行评估进而计算出材料的有害潜能评估值并建立相应的物质TPA数据库。
(2)对碳足迹理论及生命周期理论进行了简要分析，对碳足迹分析方法和生命周期分析方法做了详细的阐述，综合考虑各种碳排放计算方法的特点提出了基于生命周期的零部件碳排放计算方法。将零部件生命周期边界定义为材料获取、制造加工、回收处理，并给出了各生命周期过程的碳排放计算公式，对制造阶段各工艺碳排放计算进行详细叙述，为后续Pro/E中实现碳排放计算提供理论基础。
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参考文献（略）