基于低碳理念的可拆卸产品结构设计研究

曾文博

摘 要：本文在综述国内外相关研究现状的基础上，从改善产品低碳性能的角度出发，主要从结构优化、模块优化、材料优化三方面对可拆卸产品结构设计的理论研究与实践探索进行分析。

关键词：低碳理念；可拆卸；产品结构设计

中图分类号：TH122；TP391.72 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2016）14-0043-01

产品设计作为工业设计的一个主要方向，其目标已不再仅限于单纯的功能、形象设计，而是越来越注重设计对于产品整个生命周期过程的影响。基于低碳理念的可拆卸产品结构设计，就是在结构设计过程中，考虑产品开发各环节可能发生的问题或可能面临的困难，以此进行系统、全面的结构设计。因此，改善产品的拆卸结构能够直接促进生命周期的延长，而延长产品生命周期的方式包括增加产品的使用寿命、在回收的过程中提取部件进行再制造，或是将材料进行回收以便再生产时作为原料使用。而这些方式的实现都需要通过拆卸结构来进行维修，维护。因此本文以产品拆卸结构为主要研究对象，并以此通过低碳理念的融入促进产品生命周期的延长。

一、概念界定

（一）可拆卸產品结构设计

可拆卸结构设计是在产品设计的详细设计阶段，在满足产品功能、成本要求等基本属性基础上，保证产品结构易于装配、易于拆卸、方便维护的有效手段，同时也是使得报废产品的可用部分能够充分有效地回收和重用，实现资源和能源节约、环境保护的必然选择。

（二）低碳设计理念

低碳设计是指从设计源头提高产品生命周期中低碳性能的设计。产品低碳性能是指衡量产品在制造、使用、维修、回收等生命周期过程中降低资源与能源消耗、减少污染排放的环境性能。在产品制造、储运、流通、消费乃至回收等各个环节都能做到低能耗、低污染、低排放。

二、基于低碳理念的可拆卸产品结构设计的研究现状

产品结构设计与碳排放关系密切，当产品外观形态、功能等要素确定的情况下，产品的结构布局、材料选择、制造工艺、装配性能、拆卸性能、回收级别等这些影响碳排放的要素主要是由设计阶段决定。因此，将碳排放性能作为产品结构设计的主要约束条件之一的低碳设计被认为是一种从源头上改善碳排放的有效途径。国内外学者从设计、制造、供应链等不同角度对此展开研究。比如Devanathan等研究了概念设计阶段的产品低碳化设计方法，提出了功能影响矩阵，将环境对产品的影响因素与产品功能相关联，结合产品生命周期评估及质量功能配置的方法，探讨了设计初期阶段的低碳化设计方法。徐小明等基于产品结构层次性特点提出了结构层次回收法，以完全拆卸为起点，自底向上逐层搜索，以强制回收为前提，获取最大回收效率为准则，来寻找产品最优的回收方案。

此外，国内学术界也从不同的视角展开了对低碳理念下可拆卸产品结构设计的研究。但是，目前我国关于产品低碳设计理论和实际应用还不成熟，主要表现在以下几个方面。

1.目前从结构设计的角度进行低碳设计的研究，大多只涉及到局部层面，且研究还不够完善，很难满足产品面向低碳的设计需求。为省材而进行的零件结构优化大多是材料选定后的优化，但是由于在结构设计时材料已经选定，很难实现材料性能与结构需求的最优匹配，从而造成浪费。

2.产品低碳设计大多通过减少产品结构的重量，选用环保材料等方式实现，由于缺乏整体碳排放的量化信息，很难为实际结构设计过程提供明确的指导，且由于碳排放量的具体构成不明确，设计人员很难确定高碳排的环节，进行有针对性的改进。

3.面向低碳的产品结构设计涉及层面较多，目前还缺乏系统的方法，如何应用结构多层模型及相应的技术来实现产品结构的低碳设计，需要从各个层面深入研究。

三、基于低碳理念的可拆卸产品结构设计相关技术研究

产品结构设计是产品设计过程中最关键也是最复杂的环节之一，是决定产品实现其各功能具体形式的重要阶段。从改善产品低碳性能的角度出发，主要从结构优化、模块优化、材料优化选取等方面对可拆卸产品结构设计的研究进行分析。

（一）产品结构优化设计技术

结构优化设计是以寻求既经济又适用的结构形式，以最少的材料、最低的造价实现结构的最佳性能为目标，用系统的、目标定向的过程与方法代替传统设计。随着计算机硬件技术的高速发展，大容量存储于高性能计算使得利用数学和力学理论来满足某些约束条件的目标变得更容易，各种商业化的结构优化软件也不断推出。结构优化设计技术能在保证结构性能的同时，有效地提高材料利用率。据悉，美国波音飞机公司对大型机翼用138个设计变量进行结构优化，使重量减少了三分之一。产品结构优化具体体现在以下几个方面。

1.易加工性：各类结构的材料不同，加工工艺不同，加工过程的难易程度也就有所不同。加工的难易程度直接影响产品结构最终的成型，也会直接导致环境问题。

2.牢固性：在可拆卸结构设计中，牢固性是审核结构是否合格的基本指标，也是结构设计师在设计阶段最后考察的要素。牢固性不仅关系到产品的品质好坏，也是相对于可拆卸结构易拆卸性的限制因素。

产品结构优化从结构设计的各个阶段寻求结构的最优解，能提高材料的利用效率，从原料投入的角度减少产品关联的碳排放量，是提高结构低碳性能的有效手段。但由于结构的优化改进也会引起加工制造过程的变化，有可能造成制造过程的复杂化，从而增加制造环节的碳排放，如何协调两者间的矛盾使得整体结构关联碳排放量最小，需要从具体碳排放量的角度进行深入分析。

（二）产品模块优化设计技术

随着产品结构不断复杂化，模块化设计思想应运而生，产品模块化设计是基于各种划分原则，将分散的零部件聚合在一起，形成若干标准化的模块，再通过这些标准化模块的组合形成多样化的产品。当产品废弃后，为了能对部件进行高效率的回收，降低回收成本，将组成材料相容的零部件划分到同一个产品模块中，这样可以将模块作为一个整体进入回收工艺过程，而不需要对模块做进一步的拆卸分解工作，从而减少了总的零件拆卸分离工作和对材料的分离归类工作，拆卸成本也得到了减少。因此产品结构的模块划分对产品的功能结构和可拆卸性程度具有直接影响。

产品模块化设计技术的应用较为广泛，但大多企业实际的模块化设计是依靠设计人员的经验，各种模块化设计理论也只适用于特定的设计问题，如何设计一套更全面的模块化方法体系还需要更多探索。

（三）产品材料优化设计技术

材料是各类生产活动开展的最基本的前提，材料的优劣直接决定了产品本身质量的高低，即使技术再好，生产设备再齐全，如果选用的材料质量不好，材料的性能与产品的用途相悖，那么即使再精细的工艺也无法将产品设计制作成功。。从低碳设计理念的角度来分析，材料选择的环境协调性原则主要有：选用新型环境材料；选用原料丰富、低成本、少污染的材料；选用无毒无害材料；选用可回收利用材料；减少所用材料种类；考虑所选材料的相容性；选用重构材料。

在探索自然材料在产品上的应用，亚洲的许多先锋设计师创作的作品，为未来的产品设计中材料的采用提供了许多独创的借鉴。如利用草、麻等作为原材料制成的环保墙饰，不仅降低了产品的生产成本，同时作为一种天然的原料，还具有保湿、驱虫、保健的功效。

任何一件产品都是由一种或多种可认知的材料构成的，大多数的情况下，产品被淘汰报废之后，其构成产品的材料本身的性能并没有发生改变，对废弃产品的再设计是以另一种形式延长了产品的使用寿命。因此对产品材料进行优化，体现的是一种可持续设计的思想，同时也为人们的生活带来更多的创意与惊喜。

四、结语

“低碳”是隨着社会发展进步而诞生的一大科学发展新理念，现今已经发展成为了一种社会风尚。未来在产品动力源结构和模块的优化、新材料的选用与产品的寿命延长方面应认真贯彻低碳环保的设计理念，减少碳的排放量、减轻环境污染的状况。在提高产品质量的同时保护生态环境的平衡，使低碳生活、低碳消费成为一种潮流。

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