基于特征的复合材料固体火箭舱段加工能耗、碳排放及成本的预测方法与流程

文档序号：19157515发布日期：2019-11-16 01:00阅读：307来源：国知局

本发明涉及绿色制造，尤其涉及一种基于特征的复合材料固体火箭舱段加工能耗、碳排放及成本的预测方法。

背景技术：

航天科学技术是一个国家军事、经济和科技实力的综合标志，是各个国家竞相发展的关键领域。运载火箭作为重要的航天运输工具，是航天科学技术运用的综合体现。在绿色制造理念不断增强的背景下，展开对火箭产品的绿色性能研究是必要的。为应对全球气候变暖，提高制造业发展的可持续性，针对机械产品零件的机械加工制造过程中的能耗进行研究，具有重要意义。但是就能耗这一个指标而言是不够的，现在还需展开对环境排放，生产成本等一系列指标的研究。

现有对能耗的研究中不能在设计层去预测出能耗。并且很少在预测能耗的过程中考虑到环境排放，生产成本等多指标的影响。目前还缺少从设计层面基于产品的几何特征去预测出能耗，环境排放，生产成本的方法。利用此方法进行预测，可以反馈到设计层面，从而更好得指导设计。

近年来，随着材料科技的飞速发展。以碳纤维增强复合材料为代表的轻量化材料不断引起人们的关注。相比传统金属和合金材料，纤维增强复合材料不但具备高比模量、高比强度的轻量化优势，而且拥有可设计性强、耐腐蚀性优、抗疲劳性好等特点，通过改变纤维角度和铺层参数就可满足不同的结构设计和力学性能要求，从而可大大降低设计难度。复合材料具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高(低)温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。展开以复合材料为原材料的固体火箭舱段的研究就显得尤为重要。

80年代中后期，特征的概念的提出是为了描述产品的完整信息，目前基于特征的设计已被广泛接受，并在产品的开发和信息的集成过程中起着至关重要的作用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于特征的复合材料固体火箭舱段加工能耗、碳排放及成本的预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于特征的复合材料固体火箭舱段加工能耗、碳排放及成本的预测方法，包括以下步骤：

1)提取火箭舱段的几何特征；所述几何特征包括：材料特征、加工部位、待加工量、形状特征、加工精度和表面粗糙度；

2)根据几何特征，建立几何特征到制造特征的映射关系；所述制造特征包括：加工工艺、加工设备、加工环境；

所述映射用于表达制造特征与几何特征之间相互联系和制约的关系，即通过已知的几何特征，根据联系和制约关系得到对应的加工工艺、加工设备、加工环境制造特征，进而实现特征转换；

3)确定用于环境排放和生产成本的辅助评价特征；所述辅助评价特征为不同类型的等效碳排放系数以及不同类型的单位成本；

4)根据几何特征和制造特征进行能耗预测；

其中，epi为第i个几何特征加工所需的能耗；pij为第i个几何特征中第j个工序的加工设备的功率；tij为第i个几何特征中第j个工序的加工时长；m为在第i个几何特征加工中所需的工序数；n为几何特征的总数；

5)根据几何特征和制造特征进行碳排放预测；所述碳排放总量包括电能消耗产生的碳排放、模具损耗产生的碳排放和废料处理引起的碳排放；具体计算方法如下：

5.1)电能消耗产生的碳排放

c1＝e×ghge

其中，能耗e由步骤4)中几何特征以及制造特征预测出来；ghge为单位电耗的等效碳排放系数；其中：ghge＝0.52kgco2/mj

5.2)模具损耗产生的碳排放

模具损耗产生的碳排放主要跟模具寿命的折算及制备过程的碳排放有关，表示如下：

式中：t为加工周期；t2为模具使用寿命；m2为模具质量；ghgm2为制备模具相关的碳排放系数(kgco2/kg)，其值要与模具的使用材料有关；

5.3)废料处理引起的碳排放

由废料处理引起的碳排放可以用以下公式进行计算：

c3＝q×ρ×ghg3

式中：q为切除材料体积；ρ为材料密度；

ghg3为与废料处理相关的碳排放系数(kgco2/kg)，由废料的具体处理方式决定；

6)根据几何特征和制造特征进行生产成本预测；所述生产成本包括：原材料成本、加工能耗成本、以及人工成本；

6.1)原材料成本

根据几何特征和制造特征入手获得原材料的输入，根据不同的原材料以及其成本，计算原材料的成本；

式中：ρi为每种材料的密度；vi为每种材料的体积；hi原为每种材料的单价；pi为每种材料的利用率；

6.2)加工能耗成本

根据由几何特征以及制造特征预测出加工的能耗，分析出不用种类的能耗并查明不同能源的单位价格计算加工能耗的成本；

式中：ei为每种能源消耗量；hi能为每种能源的单位价格。

6.3)人工成本

根据几何特征以及制造特征推理出的加工时间，分析出不同的工种以及各工种的单位时间所需的人工成本即可预测出人工成本；

式中：ti为每工种所需要的加工时间；hi人为每工种单位时间所需的人工成本。

本发明产生的有益效果是：

本发明将产品的几何特征映射到工艺特征，并将所需特征进行提取，再根据文中的数学模型进行计算，实现基于几何特征预测出能耗，目前现行的能耗、环境排放、生产成本的评估中，大多是在加工过程中进行检测的事后预测，在开发新产品时不能做到加工前预测出这些指标。本方法可以在产品加工前根据其几何特征预测出这些指标，从而对于产品的开发以及加工的过程的改进有指导性作用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的几何特征树示意图；

图3是本发明实施例的几何特征到制造特征的映射关系图；

图4是本发明实施例的加工能耗与制造特征、几何特征的关系图；

图5是本发明实施例的碳排放与与制造特征、几何特征的关系图；

图6是本发明实施例的成本与制造特征、几何特征的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于特征的复合材料固体火箭舱段加工能耗、碳排放及成本的预测方法，包括以下步骤：

1)提取火箭舱段的几何特征；所述几何特征包括：材料特征、加工部位、待加工量、形状特征、加工精度和表面粗糙度；

本实施例中，1.基于cad系统提取火箭舱段的几何特征，在设计层面从cad系统中可以找到圆柱体、孔、倒圆等形状特征，并且可以完整地提供了零件的尺寸和材料特征。对于机加工零件来说，cad图还带有一定的精度特征，比如主要加工表面的粗糙度、尺寸公差和点、线、面等几何要素的形位公差。根据cad图纸生成的材料表、明细表、ebom中也包含了零件的材料特征。另外cad图纸中也包含了加工部位和待加工量这些特征。依照这些包含在cad系统内的特征，可以建立特征树，如图2所示；

2)根据几何特征，建立几何特征到制造特征的映射关系；所述制造特征包括：加工工艺、加工设备、加工环境；如图3；

映射关系如下：“特征映射”是以特征模型为基础，在特征层上进行特征识别和抽取所研究的领域需要的信息，进而实现特征转换，特征映射是并行工程环境下实现产品信息集成与共享的基础。几何形状特征映射的形式比较丰富，有一对一映射、变异式重参数化映射、一对多映射、投影映射、聚合映射、分解映射和共轭映射等七种。

3)确定用于环境排放和生产成本的辅助评价特征；

4)根据几何特征和制造特征进行能耗预测；

对于如何从几何特征与制造特征推算出能耗，需要明确这些特征的内在联系，加工能耗与特征的关系图，可见图4。

由图可判断出能量的输入与工序内容特征中的加工工艺参数与加工设备参数有关。能量消耗最常见的表达形式是工时与设备功率的乘积，工时与加工参数和零件尺寸有关，由制造特征和几何特征共同决定；设备功率主要取决于加工参数和设备类型，由制造特征决定。

即加工总能耗可表示为：

pi为第i个工序的加工设备功率；ti为第i个工序的加工时间。

但是基于上述步骤中统计的几何特征以及制造特征，可以将能耗表示的更为详细，可以具体到每个几何特征在加工中每个工序的能耗量。

5)根据几何特征和制造特征进行碳排放预测；所述碳排放总量包括电能消耗产生的碳排放、模具损耗产生的碳排放和废料处理引起的碳排放；

在对碳排放的预测中，由于设备的电能消耗带来的碳排放占很大一部分，基于上文中利用特征对能耗的预测，可以预测出由于能源损耗带来的碳排放影响。但是影响固体火箭舱段生产过程的碳排放因素有很多，单独考虑能源损耗带来的碳排放是不够的，要结合生产过程的具体工艺，找到在生产过程中最主要的影响碳排放的因素，并加以分析。所以结合提取的几何特征以及制造特征可以进一步更加全面的预测出在固体火箭舱段加工过程中的碳排放。关于在加工过程中碳排放与几何特征，制造特征的关系如图5所示。

具体计算方法如下：