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基于cad软件框架评估产品的生命周期
基于CAD的软件框架的构建能源估算通过产品生命周期
抽象
何黄博士
华盛顿州立大学
2012年5月
导师:
GauravAmeta
过多的能量消耗已成为当今的设计和制造工业的全球问题。
估计能耗可稍后被用来与CAD/CAM系统集成框架是需求。
本研究发展一个能源评估框架,它可以连接各种计算工具计算在产品生命周期能源消耗,即。
从原材料的提取、设计、制造、使用、回收或处置阶段。
这项研究第一次回顾文献和相关领域背景的。
开发框架的方法说明是在软件开发生命周期(SDLC)的步骤。
框架的目标是域独立和灵活,这样它就可以扩展为不同的生产领域和可定制的用户。
框架的细节及其在每个阶段提出了计算工具。
之间的交互框架及其计算工具进行了讨论。
最后,工业产品的测试用例进行测试的有效性和评估框架的性能。
在其生命周期能源消费总量将计算。
这样估计可以用来重新设计部分和程序集的能源效率。
这个框架的帮助下,知识工程师发挥知识集成到计算机系统可以解释特定领域的知识和分享他们的专业知识来提高框架。
框架还协助用户几乎没有知识能量计算估计能源消耗在设计阶段。
能量估计在每一个阶段,在整个产品生命周期可以和能源效率的产品可以提高利用这个框架。
第一章:
简介
1.1可持续制造
据报道,“美国人只占世界人口的5%,但他们消耗40%的地球上的不可再生资源和产生近30%的总浪费…”[1]。
随着能源消耗在显著率增加,行业开始寻求方法来有效地利用能源,并遵守政府法规与环境和人类健康而提高其产品和服务的市场。
可持续制造已成为一个制造业的战略趋势。
可持续制造由商务部定义”的创建工业产品使用过程无污染,节约能源和自然资源,经济上对员工健康安全,社区,和消费者。
”[2]。
根据Reich等人的[3],可持续制造战略实现以下三个重要部分:
(1)选择和应用适当的建模指标衡量制造业可持续发展,
(2)完成全面、透明,且可重复的生命周期评估(LCA),和(3)调整/优化系统的环境影响和成本降到最低。
上述文献中强调了可持续发展的理念,它给的灵感,开发一个软件框架,以优化能源消耗;这种架构将帮助制造行业实现可持续的战略,使环境影响和成本最小化。
本文将给深入的在下面的章节讨论这种能量估算框架。
能量估计框架可以被视为一个抽象的壳为能量的计算。
它可以被安装有用于各种目的的各种能量的计算工具。
框架定义了能量计算和交互用户和软件之间的规则,以便它是可重复使用的和可扩展的。
前探测到框架的细节,几个概念需要首先加以介绍。
下面的章节将介绍的产品生命周期(PLC)的概念,产品生命周期管理(PLM),以及生命周期评估(LCA)第一,其次是能源效率和电流建模工具和框架,在可持续生产这表明文献综述意义开发这样的软件框架。
然后,软件开发生命周期(SDLC)将讨论以显示如何把想法变成软件的实施。
实现知识管理软件的要求,采用可扩展标记语言(XML)作为用户和软件之间知识传播者。
因此,本章将揭示了XML和知识管理的光芒。
1.2产品生命周期(PLC)和产品生命周期管理(PLM)
在一般情况下,该产品生命周期(PLC)的制造产品包括四个阶段。
这四个阶段是材料提取阶段,设计和制造阶段,使用阶段和处置或回收阶段[4]。
这四个阶段可通过供应链来连接。
图1示出的产品的一般的生命周期。
产品生命周期的概念,考虑所有相关的影响对环境,经济和社会在整个产品的生命周期链[4]。
它使行业服务提供商、经理和客户长期的决策考虑的全面的观点在整个产品供应链。
更可持续的产品和过程的发展方向可以这样行业可以收获的好处发展和应用清洁过程和产品选择。
图1:
产品生命周期的四个阶段
与PLC的概念,产品生命周期管理(PLM)的想法。
PLM是一个过程来管理公司。
它开发了管理一个产品的整个生命周期的概念,通过设计、制造、服务和处理[5]。
PLM集人、数据和流程提供全面的产品信息[6]。
记录产品生命周期管理的好处包括[7]:
•缩短产品上市时间;
•提高产品质量;
•降低成本;
•原始数据的可重用性;
•用于产品优化的框架;
•减少对环境的影响/废物;
1.3生命周期评估(LCA)
根据汗等人[8]的生命周期评估(LCA)是成功执行环境可持续性的上下文中,方法或产品的开发中最重要的技术之一。
生命周期评估的方法框架是由ISO14040系列,其中包括目标,范围定义,清单分析,影响评估和解释定义[9]。
Rebebitzer等。
[10]审查的框架,目标和范围定义,库存分析和生命周期评估的应用。
LCA的目的和范围定义为系统边界和功能单位,定义了正在研究中,并批量交付的确切内容。
生命周期清单分析,给出了资源的消耗和废物/排放这是由于产品的生命周期[10]量的估计。
生命周期影响评估结果表明资源提取和废物/排放量基础上的库存分析[10]的潜在贡献。
生命周期解释总结了生命周期清单分析和/或生命周期影响评估的结果,并给出结论和建议的LCA研究[9]。
由于LCA的在产品开发过程中的重要性,LCA已经在各个方面,如产品设计和制造应用。
Bevilacqua的等。
[11]开发了一种可持续的产品生命周期模型制造企业相结合的环境和经济方面的考虑。
有很多现有的LCA软件,如司马临[12],加比[13],并EcoScan[14],使生命周期评估的细节高水平。
许多研究项目集成LCA与CAD,供用户在设计阶段申请的决定。
Nawata和青山[15]LCA的数据链接到CAD/CAM的数据开发的生命周期设计系统的机床。
Leibrecht[16]讨论了基本原则,整合生命周期评估纳入基于CAD的产品型号。
尽管大型应用LCA的,它有它的缺点。
产品设计师不能执行LCA没有单独LCA专家,设计师,生产商,供应商和管理。
此外,LCA仅提供方法以评估对环境的影响,并且不提供任何工具或度量减少的影响[16]。
1.4能源效率和能源的启示
前面的章节介绍PLC,PLM和LCA的基本概念。
为了实现在1.1节中提到的能量估计软件,需要研究当前的研究为提高能源利用效率。
以下两节将回顾文献关于能源效率和当前建模工具和框架在可持续生产。
能源有望维持一个产品的生命周期的每一个方面。
由全国制造商协会(NAM,www.nam.org)进行的一项研究推测约19十亿美元,新的节能技术[17]的发展可能的节约。
能源之星[18]的标准已开发,以试图减少能源消耗。
然而,能源之星不包括在产品生命周期的制造阶段的能量消耗。
广泛的研究已经进行了在制造过程中有效地利用能源。
Munoz和Sheng[19]发现的分析方法来确定加工对环境的影响;盛等。
[20]研究环境为基础的系统规划进行加工。
然而,该研究只在材料移除的过程中集中在能源消耗。
Chen等人。
[21]建立了一个新的所有生命周期耗能模型在整个产品生命周期中的估算的能量消耗。
但作者只集中在理论部,并没有进行在制造阶段的能量估计。
Gutowski的研究小组研究了不同的制造工艺的各种能量的影响,并提出加工[22-25]的环境分析,它们的广义的多样的制造工艺的能量消耗。
他们的研究主要集中在无课程设计阶段以及有关能源估计制造阶段不是特定的产品。
Jeswiet[26]广义的CO2因素的计算,从产品相关的二氧化碳排放的电力需求。
不过,笔者并不认为制造工艺的可变性。
目前,大量的建模工具是可用的和可持续的生产使用。
例如,刘etal。
[27]创建了一个通用模型分析消费情况,产品在制造系统物质资源。
徐等。
[28]在实践中提出了一个基于生命周期评价模型。
基于该模型、生命周期评估数据可以从生命周期清单分析,生成模型,然后可以提要数据回生产计划阶段改善加工计划。
Dimache等人[29]开发了一种生命周期成本评估决策的工具在设计过程的早期阶段。
冯等人[30]建模成本和干燥加工过程信息。
Reddy等人.(31)建模领域知识DfM的铸件。
赵和沙[32]研究了DFM系统的建模和表示制造业知识帮助制造业知识工程师阐述他们的知识并将其存储到电脑,并帮助设计人员在设计阶段分析工艺性。
然而,上述研究人员专注于特定领域的制造或只关注特定阶段的产品生命周期。
因此,本文提出了构建一个通用和域独立框架在整个产品生命周期。
软件框架的细节对能源评估将在第二章描述。
许多研究者提出了不同的框架可持续生产。
杨和林[33]开发了早期制造成本估算的综合框架特征。
这个系统倾向于提供一种工具,以协助设计者来估算,以便在设计阶段的成本向下游的不必要的成本。
Shin和Waters[34]开发了一种加工咨询系统,它可以结合规则推断最佳加工参数的一个框架。
Lee等人[35]提出,支持并发模具制造工艺规划的计算架构。
本研究将有助于模具开发过程规划的自动化,从而提高成型产品的效率和质量。
Wei和Egbelu[36]提出了从几何设计数据估算制造成本的框架。
Kwon等人[37]开发了一种基于语法的框架集设计和制造。
它有助于工程师来浏览过程的替代品和预见不同设计选择的影响。
Tharakan等[38]提出了一种制造性评价壳,它提供对技术和经济制造性评价可重构环境。
Zhao等人[39]开发了基于成本收益分析的一个规范性框架,DFM处理的设计目标和制造成本/效率之间的权衡。
杨振宁与李政道[40]提出了一种改进的功能框架,一代工艺方案。
上述成果表明在可持续制造业显著的研究进展。
然而,这些框架可以直接用于能量估计。
为了估算能量消耗,一个计算软件框架需要被构造;第二章将介绍发展这样的能量估计框架的方法。
1.5目前的建模工具和可持续制造框架
目前,大量的建模工具是可用的和可持续的生产使用。
。
例如,Liu等人。
[27]创建一个通用的模型,分析了制造系统的产品物质资源的消耗情况。
Xu等人。
[28]提出了一种基于特征的生命周期评估模式在实践中。
基于该模型,生命周期评估数据可以从生命周期清单分析来产生,然后该模型可以将数据回喂到制造规划阶段,以提高加工计划。
Dimache等。
[29]开发生命周期的成本估算工具,决策设计过程的早期阶段。
Feng等。
[30]为蓝本的成本和处理信息的干式加工。
Reddy等。
[31]为蓝本的领域知识的铸件DFM。
赵和Shah[32]研究了建模和制造知识表达的DFM系统,以帮助制造知识工程师formulize他们的知识,并将其存储到电脑,并帮助在设计阶段,设计师分析可制造性。
然而,研究人员要么以上集中在制造特定的域或提请注意只对产品生命周期的特定阶段。
因此,本文提出在整个产品生命周期,构建一个通用的,独立的域框架。
节能评估软件框架的细节将在第二章加以说明。
许多研究者提出了不同的框架可持续生产。
杨和林[33]开发了基于特征的早期制造成本估算的综合框架。
这个系统倾向于提供一种工具,以协助设计者来估算,以便在设计阶段的成本向下游的不必要的成本。
Shin和Waters[34]开发了一种加工咨询系统,它可以结合规则推断最佳加工参数的一个框架。
Lee等人[35]提出,支持并发模具制造工艺规划的计算架构。
本研究将有助于模具开发过程规划的自动化,从而提高成型产品的效率和质量。
Wei和Egbelu[36]提出了从几何设计数据估算制造成本的框架。
Kwon等人[37]开发了一种基于语法的框架集设计和制造。
它有助于工程师来浏览过程的替代品和预见不同设计选择的影响。
Tharakan等[38]提出了一种制造性评价壳,它提供对技术和经济制造性评价可重构环境。
Zhao等人[39]开发了基于成本收益分析的一个规范性框架,DFM处理的设计目标和制造成本/效率之间的权衡。
杨振宁与李政道[40]提出了一种改进的功能框架,一代工艺方案。
上述成果表明在可持续制造业显著的研究进展。
然而,这些框架可以直接用于能量估计。
为了估算能量消耗,一个计算软件框架需要被构造;第二章将介绍发展这样的能量估计框架的方法。
下面是上面的回顾文献的简要总结:
表1:
文献复习
相关文献
进行研究
示例和参考
可持续制造
1.6软件开发生命周期(SDLC)
由于该研究的目标是建立一个软件框架来估算能耗,软件框架将使用SDLC步骤来开发,这部分会给SDLC的简要概述;将在第2章关于如何实现使用SDLC软件的详细讨论。
SDLC是一个完整的计划,概述如何将软件将被创建,制定,实施并最终从它的功能[41]退休。
图2示出一般的SDLC步骤。
在项目规划阶段,应用目标将被定义,和可行性进行分析。
需求定义阶段表征的需要,要求和对项目的边界条件。
在设计和开发阶段,软件模型,提出了类图和用例,然后代码执行。
集成和测试阶段确保软件的不同模块之间的顺畅交流和验证通过各种测试用例的软件。
安装和验收阶段负责分发和部署的软件。
1.7知识管理和XML
为了使能量估计,软件架构需要处理大量的投入,从现有的知识。
因此,该框架要求知识管理(KM)。
XML(可扩展标记语言)被用作沟通解释和传授知识。
本节将在KM和XML一个简单的介绍。
知识管理是正确的人在正确的时间获得正确的信息,并帮助人们的方式,将可测量的提高性能[42]创建于信息知识,共享和行动。
知识管理活动可以识别和捕获整个知识领域[42]存在的信息。
KM过程可以帮助人们查找,组织和跨越时间和空间的障碍,共享知识资源。
XML(可扩展标记语言)是由万维网联盟(W3C)[43]开发的一种规范。
XML允许用户定义自己的描述性标签。
在XML中,是可能的运输和存储的数据[44]。
XML规范的XML文档定义为一个良好的文本,它满足了规定的语法规则[45]。
在所谓的XML模式[45]本说明书中提供的预定义的规则。
XMLSchema是的验证方法的XML文件中的一个。
它就像一个语法XML文件。
它使用了丰富的数据输入系统,并允许在一个XML文档的逻辑结构[46]具体的限制。
采用XML存储和转换软件的知识,因为它是能够处理信息需要由软件读入。
可以创建自定义标签和结构,以便修改数据文件会变得方便和灵活。
例如,一个XML结构的部分数据可以被定义为:
<部分>
<材料类...>
<材料名称>...材料名称>
...
材料类...>
部分>
该标签可以很容易地修改和扩展,通过该知识可被成功地存储和转化。
1.8问题陈述
根据上面的讨论,对于本研究的问题陈述可以被描述为如下。
本研究旨在开发一个软件的基础能源评估框架,它可以连接各种能量计算工具计算在产品生命周期能源消耗,即。
从原材料的提取、设计、制造、使用、回收或处置阶段。
这个软件框架开发遵循软件开发生命周期(SDLC)的步骤。
框架的目标是域独立,这样它就可以扩展为不同的生产领域。
它也将为用户定制。
能源消费总量在产品的生命周期可以计算。
这样估计可以用来重新设计部分和组件制造能源效率。
1.9纲要的论文
本文包含七个章节。
每章说明了对完成节能评估框架的一个特定的主题。
第1章文学评论和背景在可持续生产,PLC,PLM,LCA,能源效率,建模工具和可持续生产,SDLC和XML框架。
在第2章,开发框架的方法说明如下软件开发生命周期(SDLC)的步骤。
它从项目规划,分析需求,意义,以及能量估计框架的结果。
系统边界,结构和功能目标,然后在需求分析建议。
第2章还介绍了如何设计,开发,集成和测试框架。
正能量估计框架和细节的计算工具,分别介绍了第3章和第4章。
第3章介绍了框架的整体设计,然后再精心示出的用户接口,知识管理模块和能量估计模块。
第4章说明所有连接到框架,以在每个阶段和整个产品生命周期的计算能量的计算工具。
在第5章,框架和计算工具之间的相互作用进行了讨论。
在第6章,工业产品的测试用例进行测试的有效性和评价框架的性能。
最后,本文借鉴目前的研究结论,并提出了今后工作的建议。
第2章:
能源发展的估计框架下面的SDLC方法步骤
本章提出的方法对发展能源评估框架遵循SDLC的步骤,即。
从项目计划、需求分析、设计、开发、集成和测试。
在项目规划阶段,需要和意义等开发框架提出,和预期结果列出。
需求分析阶段提供了系统边界和分析结构和功能框架需要达到的目标。
在设计和开发阶段,它描述了如何构建框架,以及如何描述这个能源评估功能。
最后提出了集成和测试。
2.1项目规划
能源是不可缺少的原材料到最终产品的转型。
在当今的设计和制造工业,能源消耗增加以快速的速率[47]。
能量从有限的资源,如天然气和煤炭获得,并且它的价格一直在不断增加[48]。
此外,过多的能量消耗带来了大量的环境问题,如空气污染和有害物质的填埋,这可能危害人体健康的[47]。
因此,至关重要的是要减少在产品生命周期中的能量消耗。
还已经报道,由原始设备制造商生产的产品的60-80%是由外部供应商[49]在不同的域中工作的制造。
因此,从各个领域知识是孤立的,不能重复使用[50]。
如果产品的能耗可为内其整个生命周期中的域的独立框架来估计,能量可以被有效地利用,通过生命周期。
如图3所示,用户可以优化其设计以实现合理的能量消耗适当的演出。
知识工程师可以分享他们的专业知识,以提高能源评估框架。
图3:
能源估算框架示意图
根据Gielen等人的研究几乎33%的世界能源消耗和其二氧化碳的36%(CO2)的排放量是由于制造业。
2004年,全球一次能源供应是469艾焦,其中超过147艾焦被占行业消费[51]。
过多的能量消耗可能会导致[51]:
(1)增加的净温室气体排放量,
(2)提高酸沉降和空气污染,和(3)增加填埋。
温室气体排放导致全球气候变暖,并造成全球气候问题。
氮氧化物,硫氧化物和汞化合物被排放到空气可显著降低空气质量和威胁人类健康。
垃圾填埋也造成地面污染。
过多的能量消耗造成处理排放和污染的增加的成本。
因此,它增加了产品的总寿命周期成本。
根据能源消耗趋势[52],能源消耗不断增加在未来几十年。
日益增长的全球需求的产品、服务和公共基础设施建设是提高整体能源消耗。
研究数据显示,工业使用的能源在1971年到2004年之间增长了61%(53)。
因此,过度的能源消耗是一个紧迫的问题在今天的设计和制造业。
制造商有责任制造产品节能和排放较低的温室气体排放。
为了生产节能产品,计划对能源消耗必须考虑在设计阶段。
因此,能源消费在整个产品生命周期估计将在巨大的需求,从而减少有害的环境影响。
2.1.2能源估计框架的意义
在产品生命周期的构成一个能量估计框架将对用户和知识工程师显著影响。
但从用户的角度,估计在设计阶段进行能源消耗将为作出决定不同的方案。
但从知识工程师的角度,建议框架提供的能力,输入领域的知识。
当能量消耗为一个产品的整个生命周期减小时,温室气体排放量的影响,空气中的污染也将减少,从而降低了产品的总寿命周期成本。
尽笔者所知,一些工具已经开发期间,整个产品生命周期来估算的能量消耗。
因此设计师和工程师的知识可以从建议的框架显著受益。
此外,制造业可以评估其当前制造计划和适应的最佳方法,通过以较低的成本消耗更少的能量来处理产品。
2.1.3预期成果
这项工作的主要预期贡献可以描述如下:
(a)在产品生命周期的一种设计框架能量估计将被建造。
(b)框架将定制的能量估计用户。
(c)框架将可扩展的开发人员和知识工程师。
(d)的框架将域独立的,所以它不会依赖于特定领域知识。
(e)框架将包含各种工具,在四个阶段的产品生命周期和不同的制造工艺来估算的能量消耗。
(f)给定的情况下的产品,能量消耗的各相,并在其生命周期将生成。
2.2需求分析
这项研究的目的是建立一个独立的域设计框架来估算的能量消耗。
该框架应该能够计算能耗在不同阶段的产品生命周期。
这些阶段包括原材料提取阶段,设计和制造阶段,使用阶段,而且回收或处置阶段。
也应获得如在生命周期的碳重量的环境影响。
估计能耗可显著利于行业评估其产品的能源效率并改善其加工方法。
因此,总的能量消耗和有害环境的影响将会降低。
2.2.1.该框架的系统边界
该框架的边界被定义如下:
(a)框架定义了一组类和模型对能源评估、结构将允许各种工具来估计能源消耗在产品生命周期的不同阶段。
(b)框架估计直接能源。
直接能源意味着能源消耗直接生产的部分。
因为机器也做的部分,相关的能源消耗在机器的零件将不会被考虑。
(c)特定生产过程的能源消耗后只能计算领域知识的输入。
估计结果与完成相关领域知识。
(d)实际能源消耗之后才可以计算出详细的计划,如生产过程位置和生产设备是固定的。
是不可能获得所有在设计阶段制造信息。
因此,能量估计的不确定性范围存在和细化的结果与计划的详细过程。
(e)如不同的设置和制造业务将影响估算结果不同个体的影响。
这项研究将提供基于典型情况下,领域知识一般估计。
除非提供个人情况的详细信息,该框架无法做出具体的能量估计。
(f)目前,该框架将不会与实验数据整合并不会考虑的设计和制造过程中的公差;整合和宽容是留给未来的工作。
因此,该框架提供的估计可能不同于在实际的制造实验。
(g)能源消耗在产品生命周期也与制造商和分销商的供应链包括位置、运输方法,等等。
供应链将不考虑在这个拟议的框架。
(h)能源消耗的拆卸将不考虑拟议的框架。
在产品生命周期的结束,只有在处理阶段能耗计算。
(ⅰ)在该研究中,对材料,制造资源,和制造方法的数据是远未完成。
然而,由于框架的域无关的特征,这样的信息可以通过各种知识工程师展开。
2.2.2结构节能目标估计框架
具体目标包括结构和功能。
结构的目标是构造一个可定制和可扩展的能量估计的框架。
功能目的是计算能源消耗在产品生命周期的四个阶段。
结构目标拟议框架将被指定为如下:
(a)域名独立性
节能评估的框架应该是独立于特定的域。
虽然不同的制造领域在能源计算多样的知识,框架应在一个通用的方式表征不同领域的信息。
从具体领域知识的领域独立的框架分离将是该框架是通用的一个重要方面。
(b)框架应可扩展的开发人员和知识工程师
为了使框架是通用的,它必须被设计,不同领域知识可以很容易地修改、更新和扩展。
每个知识工程师都有他的专长,应该能够扩大在不同领域的知识。
开发人员应该能够实现各种计算工具和附加的工具框架,该框架可以扩展。
修改现有知识和能力的新领域知识和新计算工具是至关重要的成功使框架实现不同的目标。
(c)框架应该为用户定制
这个框架应该提供一个环境,用户可以根据他们的需求,配置和定制的输出是个性化的。
(d)的灵活性
框架应该能够让能源估计等多个阶段初步设计阶段和详细设计阶段。
如果一个设计师想要修改或者重新设计他的一些设计方法,系统应该提供实时反馈的能量估计的任何更改。
2.2.3功能目标的能量估计的框架
正如上面所讨论的,具体的结构的目的是使能量的计算成为可能,然后目标在不同的阶段应该的功能框架。
原材料是第一个从地球中提取一种可以很容易地存储和转换。
原料提取阶段可以被输入到一个新的产品生命周期。
因此,它应该是一个起点,估计在产品生命周期能源消耗。
设计和制造阶段是主要集中在这个研究。
这个阶段决定了材料,形状,和最终产品的加工方法和有很大的能耗在整个生命周期的影响。
的能量估计在生产阶段是设计阶段的互补。
它将处理更多地关注真正的制造过程。
案例研究部分,程序集和一些简单的工业产品将进行。
有不同的情况,不同的产品在使用阶段。
如果一个产品是能源消费在它的生命周期,然后总能量消耗必须考虑。
本研究将一个产品的一个例子,能源消费和估计其能源消费在使用阶段。
当产品来结束他们的生命,他们需要处理或回收利用。
能源消耗在这个阶段也应该被考虑。
2.3设计和开发
2.3.1框架建设
框架,目的是在上面的部分,应该为开发人员和知识工程师可扩展的和可定制的用户。
它还应该领域独立。
为了满足这些需求,提出能源评估应该包含一个知识框架数据模块、能源评估模块和两个接口,分别对知识工程师和用户。
开发人员还需要实现各种能源计算工具在不同的生产领域和把这些工具的能量估计的框架。
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