冰箱设计案例—模块化参数化
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描述性关系 定量关系
Cijfun
归入矩阵
C fun
1 1 C fun ij = 1
1
描述性矩阵，下同
功能关系 强 中 弱 无
赋值 9 3 1 0
描述 两零件（主功能-同级主功能 &主功能-次级主功能） 两零件（主功能-该功能之辅助功能） 两零件（辅助功能-相关辅助功能） 两零件（无功能关系联系）
1 21 F geo ( n −1)1 F geo F n1 geo
F 12 geo 1 F ( n −1)2 geo F n 2 geo
... F 1( n −1) geo ... F 2( n −1) geo ... ... 1 F n ( n −1) geo
零件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
零件名 冷藏发泡门体 冰冻发泡门体 冷藏门封条 冷冻门封条 冷冻蒸发器 灯具（组合） 灯罩支撑 温控器（组合） 温控固定装置 上铰链板 上铰链盖 中铰链 发泡箱体
零件序号 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
功能单元确定
评价对象基本参数 冰箱爆炸图
冰箱零件分类
冰箱产品生命周期评价 ②
系统边界确定
(包 括 原材 料 提 取 与 生 产 )
时间边界：
2009年全年
地理边界：
生产环节——全国范围 运输使用、废弃处理——江苏、浙江、上海
冰 箱生产环节
运 输使用
废弃处理
冰箱生命周期建模 ①
生产环节
冰箱生命周期建模
家电产品全生命周期模块化设计 与评价技术
于随然 上海交通大学 机械与动力学院 sryu@sjtu.edu.cn
要目
产品全生命周期模块化设计
• 设计方法 • 案例：电冰箱
产品全生命周期评价
• Life Cycle Assessment （LCA） • 案例：电冰箱
产品全生命周期模块化设计
全生命周期模块化设计方法——建模部分
模块 1 2 3 4 5 6
零件 冷藏发泡门体、冷藏门封、 上铰链盖、上铰链板 冷冻发泡门体、冷冻门封、 下铰链轴、下铰链板 温控器组合、温控固定装置 冷冻蒸发器、灯具组合、灯具支撑、 电源线夹、电源线总成 压缩机、压缩机附件、蒸发皿、 干燥过滤器、冷凝管 中铰链、发泡箱体、底脚、 压机支撑板、压机盖板
全生命周期模块化设计方法——建模部分
几何关系 强 中 弱 无
赋值 9 3 1 0
描述 两零件（全包围关系， 被包围零件无自由度） 两零件（半包围关系， 被包围零件有1个自由度） 两零件（点线面接触） 两零件（无空间关系联系）
连接关系 强 中 弱 无
赋值 9 3 1 0
描述 两零件（化学试剂连接、 焊接等，需破坏性拆卸） 两零件（铆接等，工具 装配拆卸） 两零件（自锁等，手工装拆） 两零件（无连接关系）
Life Cycle Assessment （LCA）
研究评估方法介绍
生命周期评价统计结果
研究目的
1. 分析、评价中国电冰箱在整个生命周期过程中所涉及的资 源、能源利用及环境污染排放状况 2. 寻求改善冰箱生产工艺和改善冰箱处理的机会和措施，从 而改善冰箱在环境方面的表现
冰箱产品生命周期评价 ①
冷藏门 封 冷藏门 冷冻门 上铰链 板 中铰链 上铰链 盖 发泡箱 体 固定装 置 温控器 冷凝管 电源线 夹 压缩机 蒸发皿 灯罩支 撑 电源线 总成 干燥过 滤器 压缩机 附件 下铰链 板 压机支 撑板 冷冻门 封
下铰链 轴
防护网 罩
蒸发器
压机盖 板
底脚
灯具
冰箱爆炸视图（来源于其技术手册）
冰箱结构组织
1 w1 + w2 = w1 w11 + w12 = w + w = w12 122 121
w2 w21 + w22 + w23 + w24 = w21 w211 + w212 =
全生命周期模块化设计方法——建模部分
对各个驱动力下零件关系进行层次分析
零件i
零件j
功能 层次 分析
F ( n −1) n con 1 F 1n con F 2 n con
全生命周期模块化设计方法——建模部分 3、建立零件综合关系矩阵
Cij = w11 × F ij fun + ( w121 + w211 ) × F ij geo + ( w122 + w212 ) × F ij con + P( w22 × F ij lif + w23 × F ij mat + w24 × F ij rem )
C12 1 C 1 21 C= C( n −1)1 C( n −1)2 Cn1 Cn 2
C1( n −1) C2( n −1) 1 Cn ( n −1)
C( n −1) n 1 C1n C2 n
该综合目标矩阵实质上是对原始产品 模块化的零件相互影响力分布的量化。 矩阵中元素最大值为9，最小值为0。 元素值越大，零件间相互影响力越大， 越有可能被划分为同一模块.
零件i
零件j
功能 层次 分析
描述性关系 定量关系
Cijfun
归入矩阵
C fun
1 1 C fun ij = 1
1
1Βιβλιοθήκη Baidu2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
逐一 具体 化
C
fun
=
案例分析—冰箱
建立零件-零件综合关系矩阵
Cij = w11 × F ij fun + ( w121 + w211 ) × F ij geo + ( w122 + w212 ) × F ij con + P( w22 × F ij lif + w23 × F ij mat + w24 × F ij rec )
优化进程：
初始种群为20个初始代， 交叉率0.3，变异率0.1， 迭代次数120次 初始种群为80个初始代， 交叉率0.3，变异率0.05， 迭代次数60次。
案例分析—冰箱
最终优化组合方案
1,3,10,11 8,9 19,20,21,22,25 2,4,14,15 5,6,7,18,23 12,13,16,17,24
案例分析—冰箱
选取（组合）产品零件进行模块化设计
零件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 零件名 冷藏发泡门体 冰冻发泡门体 冷藏门封条 冷冻门封条 下瓶座 长抽屉总成 短抽屉总成 小瓶座 上瓶座 蛋盒 搁架 果菜盒 冷冻蒸发器 灯罩 灯泡 灯罩支撑 温控器盒盖 旋钮 温控器盒 温控器（带组件） 温控器固定卡 零件序号 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 零件名 螺钉 上铰链板 上铰链盖 灯开关 中铰链 发泡箱体 螺钉 螺钉 下铰链轴 下铰链板 地脚 压机支撑板 电源线夹 压缩机 压缩机附件 干燥过滤器 蒸发皿 电源线总成 压机盖板 冷凝管 防护网罩
1、明确优化目标，进行解析
模块化目标
功能的提高(保留)
拆卸与回收属性的提高
功能驱动力
结构驱动力 寿命相关驱动力 空间位置驱动力 几何连接驱动力
回收利用驱动力 材料相关驱动力
全生命周期模块化设计方法——建模部分
模块驱动 功能 几何位置 连接关系 物理寿命 材料 回收关系 功能目标 相关 相关 相关 不相关 不相关 不相关 拆卸回收目标 不相关 相关 相关 相关 相关 相关 驱动力相互影响 几何、连接 功能 功能 几何、连接 几何、回收关系 几何、材料 权重 最高 高 高 低 一般 一般
C
C12 C1n C1( n −1) 1 C 1 C2 n C2( n −1) 21 = 1 C( n −1) n C( n −1)1 C( n −1)2 Cn1 1 Cn 2 Cn ( n −1)
案例分析—冰箱
初始代
生成（初始）种群 交叉与变异
个体进行交叉变异 计算各代适应值Z 父代种群 生成子代 按Z值从大到小排序 子代种群 保证种群个体数 不变的情况下， 淘汰Z值较低的组合 适应函数
输出判断子程序
迭代次数 是否足够
是
否
生成新种群 优化结果输出
结束
种群遗传算法优化流程图
算法设 计完成
案例分析—冰箱
采集相关原始信息
设计方法敏感度分析
参照分配A
微调B
较小幅度的调整了各个 驱动力权重，模块优化 方案并没有改变
大幅调整C
较小幅度调整了各驱动力 权重，较大幅度调整了结 构的权重，支撑与冷冻模 块发生了变化，其余不变
敏感度分析一定程度上说明了设计方法的稳定性
总结与展望
总结本方法优缺点 优点： 1、在零件关系处理与分析上与其他方法不同，在进行模块划分时更具有有效 性。 2、设计了较为简单且与模块化目标较一致的适应函数，理论上保证了优化重 组的有效性。并针对实际问题对种群遗传算法的步骤进行了改进。 3、有用性较好，处理速度较快，主要与迭代次数相关。（迭代180次，耗时6 ～8min） 4、需要人为判断的环节对最终结果影响较小，稳定性比较好。 缺点： 1、非常有限的处理了驱动力间相关性的问题，没能够解决此问题的实质。 2、前期对产品的分析与信息采集工作量较大。 展望 种群遗传算法中设计适应函数环节是整个设计方法的重点，因为其代表优化 的方向，若其优化方向与模块化目标不一致，则整个方法有效性都会遭到质疑。 而利用函数来表达定性的问题仍然有一定的缺陷。因此，在今后的设计中，可以 考虑利用产品的全生命周期评估来替代函数部分，使得方法论中对产品模块优化 目标的表达更为具体与贴切。
F ( n −1) n geo 1 F 1n geo F 2 n geo
1 21 F con ( n −1)1 F con n 1 F con
F 12 con 1 F ( n −1)2 con F n 2 con
... F 1( n −1) con ... F 2( n −1) con ... ... 1 F n ( n −1) con
运输与使用环节
所需收集数据类型
1. 运输距离 2. 单位燃油排放 3. 电能消耗
假设条件
1. 燃油车载货量为5t，耗油量为35升/每百公里，燃油密度为0.75kg/l 2. 不考虑冰箱使用过程中维修与制冷剂更换
冰箱生命周期建模
废弃处理环节
零件名 下铰链轴 下铰链板 底脚 压机支撑板 电源线夹 压缩机 压缩机附件 干燥过滤器 蒸发皿 电源线总成 压机盖板 冷凝管 防护网罩
零件的选取与组合 （连接件、紧固件、某些标准件、 产品配件等舍弃） （数据线、电路线以及相互接触 且相对静止的某些零件）
案例分析—冰箱
各驱动力下零件-零件相互关系分析
零件关系 建模完成
全生命周期模块化设计方法——算法部分 1、初始化
随机化生成初始模块数（模块总数大于1）
f ( m)
几何平均 1 几何平均－ R ( m ), R ( m ) d m A 0 3 . （1，） m∈ ＝＝， 几何平均 ∫1 2 算术平均 － 算术平均几何平均 A B 0 6 . m ∈ 几何平均算术平均 ＝（＋）＝，（，） S (m), ∫几何平均 S (m)d m 2 T (m), 几何平均 R(m)dm＝0.1 m∈ 3 （，＋ ） 算术平均算术平均 ∫ 1
全生命周期模块化设计方法——算法部分 适应函数设计
1 m * Z=(1+ )∏ C (k ) m k =1
控制函数 初步目标 适应函数 模块表征值
从而将模块化设计问题转化为求解最大Z值问题
全生命周期模块化设计方法——算法部分
开始 主程序
随机生成模块数 产品零件 随机插入零件， 生成初始模块划分
初始模块生成程序
Cijfun
归入矩阵
C fun
1 1 C fun ij = 1
1
描述性矩阵，下同
功能关系 强 中 弱 无
赋值 9 3 1 0
描述 两零件（主功能-同级主功能 &主功能-次级主功能） 两零件（主功能-该功能之辅助功能） 两零件（辅助功能-相关辅助功能） 两零件（无功能关系联系）
1 21 F geo ( n −1)1 F geo F n1 geo
F 12 geo 1 F ( n −1)2 geo F n 2 geo
... F 1( n −1) geo ... F 2( n −1) geo ... ... 1 F n ( n −1) geo
零件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
零件名 冷藏发泡门体 冰冻发泡门体 冷藏门封条 冷冻门封条 冷冻蒸发器 灯具（组合） 灯罩支撑 温控器（组合） 温控固定装置 上铰链板 上铰链盖 中铰链 发泡箱体
零件序号 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
功能单元确定
评价对象基本参数 冰箱爆炸图
冰箱零件分类
冰箱产品生命周期评价 ②
系统边界确定
(包 括 原材 料 提 取 与 生 产 )
时间边界：
2009年全年
地理边界：
生产环节——全国范围 运输使用、废弃处理——江苏、浙江、上海
冰 箱生产环节
运 输使用
废弃处理
冰箱生命周期建模 ①
生产环节
冰箱生命周期建模
家电产品全生命周期模块化设计 与评价技术
于随然 上海交通大学 机械与动力学院 sryu@sjtu.edu.cn
要目
产品全生命周期模块化设计
• 设计方法 • 案例：电冰箱
产品全生命周期评价
• Life Cycle Assessment （LCA） • 案例：电冰箱
产品全生命周期模块化设计
全生命周期模块化设计方法——建模部分
模块 1 2 3 4 5 6
零件 冷藏发泡门体、冷藏门封、 上铰链盖、上铰链板 冷冻发泡门体、冷冻门封、 下铰链轴、下铰链板 温控器组合、温控固定装置 冷冻蒸发器、灯具组合、灯具支撑、 电源线夹、电源线总成 压缩机、压缩机附件、蒸发皿、 干燥过滤器、冷凝管 中铰链、发泡箱体、底脚、 压机支撑板、压机盖板
全生命周期模块化设计方法——建模部分
几何关系 强 中 弱 无
赋值 9 3 1 0
描述 两零件（全包围关系， 被包围零件无自由度） 两零件（半包围关系， 被包围零件有1个自由度） 两零件（点线面接触） 两零件（无空间关系联系）
连接关系 强 中 弱 无
赋值 9 3 1 0
描述 两零件（化学试剂连接、 焊接等，需破坏性拆卸） 两零件（铆接等，工具 装配拆卸） 两零件（自锁等，手工装拆） 两零件（无连接关系）
Life Cycle Assessment （LCA）
研究评估方法介绍
生命周期评价统计结果
研究目的
1. 分析、评价中国电冰箱在整个生命周期过程中所涉及的资 源、能源利用及环境污染排放状况 2. 寻求改善冰箱生产工艺和改善冰箱处理的机会和措施，从 而改善冰箱在环境方面的表现
冰箱产品生命周期评价 ①
冷藏门 封 冷藏门 冷冻门 上铰链 板 中铰链 上铰链 盖 发泡箱 体 固定装 置 温控器 冷凝管 电源线 夹 压缩机 蒸发皿 灯罩支 撑 电源线 总成 干燥过 滤器 压缩机 附件 下铰链 板 压机支 撑板 冷冻门 封
下铰链 轴
防护网 罩
蒸发器
压机盖 板
底脚
灯具
冰箱爆炸视图（来源于其技术手册）
冰箱结构组织
1 w1 + w2 = w1 w11 + w12 = w + w = w12 122 121
w2 w21 + w22 + w23 + w24 = w21 w211 + w212 =
全生命周期模块化设计方法——建模部分
对各个驱动力下零件关系进行层次分析
零件i
零件j
功能 层次 分析
F ( n −1) n con 1 F 1n con F 2 n con
全生命周期模块化设计方法——建模部分 3、建立零件综合关系矩阵
Cij = w11 × F ij fun + ( w121 + w211 ) × F ij geo + ( w122 + w212 ) × F ij con + P( w22 × F ij lif + w23 × F ij mat + w24 × F ij rem )
C12 1 C 1 21 C= C( n −1)1 C( n −1)2 Cn1 Cn 2
C1( n −1) C2( n −1) 1 Cn ( n −1)
C( n −1) n 1 C1n C2 n
该综合目标矩阵实质上是对原始产品 模块化的零件相互影响力分布的量化。 矩阵中元素最大值为9，最小值为0。 元素值越大，零件间相互影响力越大， 越有可能被划分为同一模块.
零件i
零件j
功能 层次 分析
描述性关系 定量关系
Cijfun
归入矩阵
C fun
1 1 C fun ij = 1
1
1Βιβλιοθήκη Baidu2 3 4 5 6 7 8 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
逐一 具体 化
C
fun
=
案例分析—冰箱
建立零件-零件综合关系矩阵
Cij = w11 × F ij fun + ( w121 + w211 ) × F ij geo + ( w122 + w212 ) × F ij con + P( w22 × F ij lif + w23 × F ij mat + w24 × F ij rec )
优化进程：
初始种群为20个初始代， 交叉率0.3，变异率0.1， 迭代次数120次 初始种群为80个初始代， 交叉率0.3，变异率0.05， 迭代次数60次。
案例分析—冰箱
最终优化组合方案
1,3,10,11 8,9 19,20,21,22,25 2,4,14,15 5,6,7,18,23 12,13,16,17,24
案例分析—冰箱
选取（组合）产品零件进行模块化设计
零件序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 零件名 冷藏发泡门体 冰冻发泡门体 冷藏门封条 冷冻门封条 下瓶座 长抽屉总成 短抽屉总成 小瓶座 上瓶座 蛋盒 搁架 果菜盒 冷冻蒸发器 灯罩 灯泡 灯罩支撑 温控器盒盖 旋钮 温控器盒 温控器（带组件） 温控器固定卡 零件序号 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 零件名 螺钉 上铰链板 上铰链盖 灯开关 中铰链 发泡箱体 螺钉 螺钉 下铰链轴 下铰链板 地脚 压机支撑板 电源线夹 压缩机 压缩机附件 干燥过滤器 蒸发皿 电源线总成 压机盖板 冷凝管 防护网罩
1、明确优化目标，进行解析
模块化目标
功能的提高(保留)
拆卸与回收属性的提高
功能驱动力
结构驱动力 寿命相关驱动力 空间位置驱动力 几何连接驱动力
回收利用驱动力 材料相关驱动力
全生命周期模块化设计方法——建模部分
模块驱动 功能 几何位置 连接关系 物理寿命 材料 回收关系 功能目标 相关 相关 相关 不相关 不相关 不相关 拆卸回收目标 不相关 相关 相关 相关 相关 相关 驱动力相互影响 几何、连接 功能 功能 几何、连接 几何、回收关系 几何、材料 权重 最高 高 高 低 一般 一般
C
C12 C1n C1( n −1) 1 C 1 C2 n C2( n −1) 21 = 1 C( n −1) n C( n −1)1 C( n −1)2 Cn1 1 Cn 2 Cn ( n −1)
案例分析—冰箱
初始代
生成（初始）种群 交叉与变异
个体进行交叉变异 计算各代适应值Z 父代种群 生成子代 按Z值从大到小排序 子代种群 保证种群个体数 不变的情况下， 淘汰Z值较低的组合 适应函数
输出判断子程序
迭代次数 是否足够
是
否
生成新种群 优化结果输出
结束
种群遗传算法优化流程图
算法设 计完成
案例分析—冰箱
采集相关原始信息
设计方法敏感度分析
参照分配A
微调B
较小幅度的调整了各个 驱动力权重，模块优化 方案并没有改变
大幅调整C
较小幅度调整了各驱动力 权重，较大幅度调整了结 构的权重，支撑与冷冻模 块发生了变化，其余不变
敏感度分析一定程度上说明了设计方法的稳定性
总结与展望
总结本方法优缺点 优点： 1、在零件关系处理与分析上与其他方法不同，在进行模块划分时更具有有效 性。 2、设计了较为简单且与模块化目标较一致的适应函数，理论上保证了优化重 组的有效性。并针对实际问题对种群遗传算法的步骤进行了改进。 3、有用性较好，处理速度较快，主要与迭代次数相关。（迭代180次，耗时6 ～8min） 4、需要人为判断的环节对最终结果影响较小，稳定性比较好。 缺点： 1、非常有限的处理了驱动力间相关性的问题，没能够解决此问题的实质。 2、前期对产品的分析与信息采集工作量较大。 展望 种群遗传算法中设计适应函数环节是整个设计方法的重点，因为其代表优化 的方向，若其优化方向与模块化目标不一致，则整个方法有效性都会遭到质疑。 而利用函数来表达定性的问题仍然有一定的缺陷。因此，在今后的设计中，可以 考虑利用产品的全生命周期评估来替代函数部分，使得方法论中对产品模块优化 目标的表达更为具体与贴切。
F ( n −1) n geo 1 F 1n geo F 2 n geo
1 21 F con ( n −1)1 F con n 1 F con
F 12 con 1 F ( n −1)2 con F n 2 con
... F 1( n −1) con ... F 2( n −1) con ... ... 1 F n ( n −1) con
运输与使用环节
所需收集数据类型
1. 运输距离 2. 单位燃油排放 3. 电能消耗
假设条件
1. 燃油车载货量为5t，耗油量为35升/每百公里，燃油密度为0.75kg/l 2. 不考虑冰箱使用过程中维修与制冷剂更换
冰箱生命周期建模
废弃处理环节
零件名 下铰链轴 下铰链板 底脚 压机支撑板 电源线夹 压缩机 压缩机附件 干燥过滤器 蒸发皿 电源线总成 压机盖板 冷凝管 防护网罩
零件的选取与组合 （连接件、紧固件、某些标准件、 产品配件等舍弃） （数据线、电路线以及相互接触 且相对静止的某些零件）
案例分析—冰箱
各驱动力下零件-零件相互关系分析
零件关系 建模完成
全生命周期模块化设计方法——算法部分 1、初始化
随机化生成初始模块数（模块总数大于1）
f ( m)
几何平均 1 几何平均－ R ( m ), R ( m ) d m A 0 3 . （1，） m∈ ＝＝， 几何平均 ∫1 2 算术平均 － 算术平均几何平均 A B 0 6 . m ∈ 几何平均算术平均 ＝（＋）＝，（，） S (m), ∫几何平均 S (m)d m 2 T (m), 几何平均 R(m)dm＝0.1 m∈ 3 （，＋ ） 算术平均算术平均 ∫ 1
全生命周期模块化设计方法——算法部分 适应函数设计
1 m * Z=(1+ )∏ C (k ) m k =1
控制函数 初步目标 适应函数 模块表征值
从而将模块化设计问题转化为求解最大Z值问题
全生命周期模块化设计方法——算法部分
开始 主程序
随机生成模块数 产品零件 随机插入零件， 生成初始模块划分
初始模块生成程序