基于广义特性函数集的制造系统碳流动态模型及碳效率评估方法研究

1．项目简介
　　本项目集成数据、模型、公式等数量关系对典型工艺过程与设备碳排放输入输出特性进行函数化分析，提出碳源广义特性函数的概念；基于碳源广义特性函数集，综合物料碳、能源碳及工艺碳三种碳排放，建立生产设备、制造单元、车间、工厂四层次的制造系统碳流动态模型，揭示制造系统及其生产过程的碳排放静动态特性、碳源分布与流量、碳排放全过程时空动态变化及扰动规律；基于制造系统碳流融合与交汇特性，提出零部件、装配体制造全过程以及四层次制造系统的碳效率分析与评估方法，支持碳排放数据同产品设计与制造系统的集成。本项目研究成果将为工艺过程及制造系统的碳排放动态特性分析、建模以及低碳优化与决策提供基础理论与方法。     

基于激光熔覆的绿色再制造技术研究

为了实现轴类零件的修复,搭建基于激光熔覆技术的绿色再制造系统,该系统由功率为6 kW的CO2激光器、四轴工作台、送粉机构、数控系统等硬件设备和激光绿色再制造系统驱动软件组成.以轴类为典型零件、Ni60A合金粉末为熔覆材料,对激光绿色再制造工艺技术进行研究.通过研究分析激光功率、熔覆速度、送粉量、熔覆间距等主要参数对熔覆层高度、宽度和熔覆层质量等的影响情况,获得了轴类零件激光修复的最佳工艺参数组合,实现基于激光熔覆的绿色再制造技术在生产实践中的应用.     

工程机械变速箱壳体再制造修复研究及应用

变速箱箱壳体为变速箱总成的主要部件,消耗钢材及能源最多,价值最高,开展变速箱箱壳体的再制造是变速箱再制造的基础,其主要失效形式为轴承孔位磨损、开裂、崩缺、螺纹损坏等,通过对箱壳体失效模式进行深入研究,使用先进的再制造工艺、检测方法,对其进行再制造修复及生产应用,结果表明,使用合理的再制造工艺对其再制造修复,可以恢复其质量和特性,缩短生产周期,并且能够节约资源及制造成本。     

国家自然科学基金委员会机械工程学科2012/2013年度结题项目简介

<正>基于广义特性函数集的制造系统碳流动态模型及碳效率评估方法研究项目负责人:曹华军(E-mail:hjcao@cqu.edu.cn)依托单位:重庆大学项目批准号:510754151.项目简介本项目集成数据、模型、公式等数量关系对典型工艺过程与设备碳排放输入输出特性进行函数化分析,提出碳源广义特性函数的概念;基于碳源广义特性函数集,综合物料碳、能源碳及工艺碳三种碳排放,建立生产设备、制造单元、车间、工厂四层次的制造系统碳流动态模型,揭示制造系统及其生产过程的碳排放静动态特性、碳源分布与流量、碳排放全过程时空     

三维模型驱动的零件切削过程碳排放评估

针对传统产品生命周期碳排放评估方法对产品开发周期的延拓问题,将零件切削过程作为研究对象,以典型加工工步特征为核心,构建了输入-加工-输出切削工步系统模型;在分析典型机床加工特点及其碳排放影响因素的基础上,建立了零件机加工工艺过程碳排放量化公式,提出了基于Pro/E环境的零件切削过程碳排放量化评估方法。该方法在Pro/E平台上利用Pro/Toolkit函数自动识别与提取零件模型信息,再结合工艺方案与工艺过程量化公式,在零件设计过程中就可实现其工艺碳排放的量化评估。     

基于神经网络的再制造自动变速箱检测及试验研究

再制造自动变速箱的性能检测和可靠性控制是变速箱再制造过程中的重要步骤,建立了一套基于神经网络的再制造变速箱振动检测系统.在对其振动数据进行分析处理的基础上,提取信号的典型时域特征作为BP神经网络的输入向量进行网络训练,提出了一种再制造变速箱振动检测的新方法.     

基于表面质量需求的机械零件再制造毛坯预处理工艺优化方法

针对目前再制造预处理工艺不能有效地与检测、修复等后续工艺相匹配的问题,通过调研现有再制造毛坯污染物及相应预处理工艺,构建了基于表面质量需求的再制造毛坯预处理工艺能力函数。同时考虑再制造预处理工艺中的能量消耗过程,构建了再制造预处理工艺模型,提出一种基于表面质量需求的再制造毛坯预处理工艺优化方法。以某款变速箱壳体类零件为研究对象,基于Box-behnken实验数据,构建了超声波清洗预处理工艺优化模型,并提出了不同表面质量需求下的优化工艺方案,验证了所提模型及方法的可行性与有效性。     

基于碳效率的铝合金激光焊接工艺系统低碳优化方法

为了提高激光焊接工艺的资源环境效益,提出一种基于综合碳效率的铝合金激光焊接工艺系统低碳优化方法.通过对激光焊接系统边界资源消耗的碳排放特性进行分析,建立了激光焊接系统碳排放模型;采用熵权法分别赋予生产率、拉伸强度、焊接成本3个指标权重,构建以碳排放为基础的激光焊接系统综合碳效率模型;提出以工艺系统层综合碳效率与设备层碳排放为优化目标,以激光功率、焊接速度、送丝速度为优化参数的目标级联低碳优化模型.将激光焊接碳效率模型与低碳优化方法应用于铝合金激光焊接实例,得到最优工艺参数,验证了方法的实用性.     

产品熔融沉积制造的碳排放量化方法

针对产品熔融沉积制造过程的碳排放量化问题,按碳排放的来源将其分为物料碳排放、能耗碳排放和废料回收处理碳排放。通过分析整个制造过程中原材料制备阶段、熔融沉积工艺阶段、去支撑阶段、精加工阶段和废料回收处理阶段的能耗特点以及工艺特征,确定了产品熔融沉积制造过程的碳排放边界并建立了其量化模型,结合熔融沉积产品的加工特征和加工设备功率特性提出了熔融沉积工艺阶段的能耗碳排放量化方法。通过试验对所提出方法的可行性进行了验证,试验结果表明,能耗碳排放对产品熔融沉积制造过程的碳排放影响最大,物料碳排放和回收处理碳排放受打印原材料的影响较大。冗余的填充率会产生额外的物料碳排放与能耗碳排放。     

基于工序碳源的砂型铸造低碳对标模型构建方法

为了更加科学地确定低碳标杆对象,有效地找到铸造过程中降低碳排放的方向与量化目标,提出基于工序碳源的砂型铸造低碳对标模型。通过分析砂型铸造生产过程的特点,建立了铸造过程基础碳源及其计算模型,在此基础上构建了基于工序碳源的铸造过程低碳对标模型。提出考虑工艺路线与工序碳源相似度相结合的低碳对标相似度计算模型;建立了对标工序模块碳排放模型、对标模块设备生产力模型和铸造过程低碳对标潜力模型,实现了砂型铸造低碳对标潜力的量化描述。结合某砂型铸造企业造型生产线,计算了该生产线的低碳对标相似度和对标潜力值,为实现企业铸造过程有效低碳对标提供了支持。     

基于DEVS的机械加工过程碳排放多粒度动态模型构建及仿真

机械加工过程碳排放分析是低碳制造（Low carbon manufacturing,LCM）技术发展、创新及应用的基础。针对加工过程中的离散性、动态性及加工设备的高度非线性特点,同时为充分反映多设备、多工艺特征下的各类外部、内部事件对加工过程碳排放的影响,提出一种基于离散事件系统规范（Discrete event system specification,DEVS）的机械加工过程碳排放多粒度动态模型与仿真方法。基于对加工过程层级结构及碳排放特性的分析,采用DEVS分层阶梯建模方法,并结合信息控制下的加工运行机制及调度规则,构建设备层、工作组层、工艺链层的碳排放多粒度动态模型。以某全数控磨床尾架主轴的加工过程为例,基于Eclipse平台下的CD++Builder插件设计了各层次DEVS仿真模型,并通过所开发的仿真应用程序,对模型及方法进行了验证。该方法对于构建规范化、形式化的加工过程碳排放模型,实现加工过程各层级碳排放的实时动态分析与预测、定量评估低碳加工单元具有较广阔的应用前景。     

面向废旧机械产品广义生长的再制造服务组合与优化方法

针对面向废旧机械产品广义生长的再制造服务模式下,产品-部件-零件多层级服务对象和升级、恢复、降级多粒度再制造服务要求导致服务活动及其供应商数量相比传统再制造服务倍增,致使再制造服务组合与优化过程繁琐、困难、效率低的问题,提出了一种面向废旧机械产品广义生长的再制造服务组合与优化方法。首先为快速获取多层级多粒度的服务方案,基于OWL-S对再制造服务活动进行语义描述,提出服务组合流程实现多层级服务活动的自动组合;其次为提升服务供应商组合与优化效率,利用粗糙-模糊数对多层级多粒度的多个服务方案中的服务活动进行耦合分析,合并冗余服务活动;最后为保证再制造服务的多方利益及环境效益,以碳排放、时间、成本为优化目标建立再制造服务供应商组合优化模型并利用非支配排序遗传算法求解。以一批废旧手动变速箱广义生长再制造服务为例,验证了所提再制造服务组合与优化方法的可行性与有效性。     

面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型及应用

为了实现磨削过程的节能减排,提出了一种面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型。从清洁生产“三流（物料流、能量流、环境排放流）”的角度建立了面向清洁生产的磨削能耗与碳排放模型。从工艺路线和工序工艺参数层建立了以磨削能耗、磨削碳排放和磨削时间为目标的多层多目标优化模型,采用基于层次分析法和客观赋权法(CRITIC)法组合赋权的改进遗传算法进行优化求解。以某轴承套圈为研究对象进行磨削工艺实验,结果表明：通过算法优化得到的加工方案相较于传统的加工方案,在工艺层面节约了6.48%的加工时间、降低了42.81%的能耗、减少了8.26%的碳排放;在工序层面缩短了25%的磨削时间、降低了18.84%的能耗、减少了8.69%的碳排放。结果验证了模型和方法的有效性。最后依据上述研究结果提出了相应的节能减排策略。     

基于熵权与层次分析法的机床再制造方案综合评价

结合机床再制造实践,建立了包括经济性、技术性、资源性、环境性的机床再制造方案综合评价指标体系,并对各个指标的量化方法进行了分析;提出了一种基于熵权与层次分析法的机床再制造方案综合评价方法。通过在某企业车床再制造中的应用,验证了所提方法的有效性。     

基于小样本数据驱动的滚齿工艺参数低碳优化决策方法

针对实际生产历史数据不足的情况,提出一种基于小样本数据驱动的碳排放预测和多目标优化模型。通过Box-Behnken实验设计收集加工数据后,采用反向传播神经网络建立面向碳排放和加工效率的预测模型,在保证预测精度的同时有效减少模型对数据量的需求。以总碳耗和总时长为优化目标,采用改进的多目标灰狼算法和熵权-逼近理想解排序综合评价法进行了最优工艺参数决策。加工实验验证了提出方法的有效性。     

基于GRNN网络的CO2气体保护焊工艺碳排放建模与参数优化

以CO2气体保护焊为研究对象,通过对其碳排放特性进行分析,综合考虑物料、能源及工艺三个碳排放源,建立了焊接工艺碳排放特性函数;以质量和成本为约束,利用广义回归神经网络拟合各输入参数与质量、成本和碳排放的关系,建立了碳排放综合评价优化模型,并采用遗传算法进行求解。将该模型应用于装载机燃油箱焊接工艺参数的选择,应用结果表明,该模型能在保证油箱焊接质量和成本的前提下降低工艺过程碳排放。     

碳达峰碳中和背景下低碳制造研究现状与技术路径研究

通过对国内外低碳制造发展分析，系统探讨低碳制造内涵、低碳制造理论体系，从碳排放核算与碳足迹评估、产品低碳设计与开发、低碳制造工艺与装备、数据驱动的碳排放动态监测、制造系统低碳优化运行、制造过程碳效率优化与精益管控以及低碳制造模式等几个方面分析了国内外低碳制造技术创新现状，进而针对我国碳达峰碳中和需求，提出基于工业互联网、大数据等新一代信息技术的“碳核算、碳诊断、碳减排”低碳制造技术路径，建立了工业双碳大数据平台。     

基于模糊AHP的机电产品绿色再制造综合评价方法及应用

提出一种基于模糊层次分析法(Fuzzy AHP)的机电产品绿色再制造综合评价方法,借鉴绿色制造TQCRE五大决策属性,从废旧机电产品再制造的环境、资源、能源、经济和技术等五个方面进行分析,构建评价模型。建立了机电产品绿色再制造综合评价指标体系及流程,通过定性和定量相结合的模糊层次分析评价方法对再制造度进行评价,最后通过一个实例验证了该方法的可行性和实用性。