本书以耗能机电产品为研究对象，介绍了基于能量-物质作用的耗能机电产品的绿色设计方法和应用。全书围绕资源环境需求与产品功能和性能这一主要矛盾，从产品功能、性能和设计流程两个维度探讨了绿色设计框架，并系统全面地介绍了基于能量流的耗能机电产品绿色设计方法及其关键技术。书中总结了作者多年的研究成果，给出了多种耗能机电产品的绿色设计案例。

本书理论与工程实践相结合，可作为机械工程等相关专业本科生的教材，也可供研究生、教师、科研技术人员等相关人员参考。

随着人们环保意识的不断增强，绿色设计逐渐成了社会各界关注的焦点。作为绿色设计关注重点的机电产品，其资源环境需求往往与功能和性能产生矛盾。而能量是耗能机电产品消耗能源实现功能和性能的关键因素，因此本书将关注点集中在与能量相关的产品功能和性能实现上。

耗能机电产品的主要功能和性能的实现都是能量作用于产品零部件的结果，这个原理其实就是“发明问题解决理论（TRIZ）”中的物场理论。此外，概念设计阶段的功能分析法、键合图法等也都涉及能量流，这些方法虽然阐释了产品功能和性能实现的基本原理，但是对于能量作用复杂的机电产品，从产品或系统层面将物场理论或者概念设计中的能量流、物质流、信息流建模应用于详细设计，仍缺乏有力的方法支撑。例如，如何定量地判断零部件之间的能量作用为标准作用？如何消除其间的不足作用、过剩作用和有害作用？如何在系统层面对产品及其零部件的可控参数进行匹配与优化？这些问题都是产品绿色设计中有待解决的重要课题，也是本书提出基于能量流的耗能机电产品绿色设计方法的实际需求。

本书主要探讨基于能量-物质作用的耗能机电产品的绿色设计方法和应用。全书共分5章：第1章主要介绍环境资源需求引入与产品功能和性能的矛盾；第2章从产品功能、性能和设计流程两个维度探讨绿色设计的框架与内容，提出基于能量流的耗能机电产品绿色设计方法；第3章讨论概念设计中的能量、物质和信息表征；第4章讨论基于能量流的耗能机电产品绿色设计关键技术；第5章则从工程实践的角度介绍耗能机电产品绿色设计的典型案例。

本书是基于向东教授所带领的“绿色制造”课题组的研究成果编写完成的。编写分工：第1~3章以及第4章的4.1~4.3节由向东编写，第4章4.4节和第5章5.1节由王翔编写，第5章5.2节由牟鹏编写，第5章5.3节由沈银华编写。全书由向东统稿，清华大学段广洪教授主审。

本书是课题组研究成果的总结，在此对做出贡献的王洪磊、高浪、邓瀚晖、王坦、武士祺、沈岗、蒋李、段传凯和游孟醒等研究生表示感谢。本书的研究

成果还得到了国家863计划“基于全生命周期的家电产品绿色设计方法、工具及应用”（编号：2013AA041305）、工业和信息化部“家电行业绿色供应链系统集成”（编号：工信部节函〔2016〕562号）、国家自然科学基金“动态特性与统计特征融合的风电装备动力传动系统可靠性及环境影响评估”(编号：51975323）等项目支持，在此也表示衷心感谢。

由于作者水平有限，所提出的绿色设计方法还有待进一步完善，书中错误及不当之处在所难免，欢迎广大读者批评指正。




作 者


2021年11月

向 东
博士，北京科技大学教授，兼任全国绿色制造技术标准化技术委员会委员兼副秘书长，中国机械制造工艺协会常务理事等职。长期从事机电产品绿色设计与制造、废弃机电产品资源化工艺与装备、大型构件疲劳可靠性研究等方面的教学科研工作。承担国家和企业课题20余项，发表论文80余篇，出版教材和专著5部，授权国家发明专利30余项，获省部级科学技术进步一等奖2项，二等奖3项。

丛书序一
丛书序二
丛书序三
前 言
第1章 绪言1
1.1 耗能机电产品的资源环境问题2
1.1.1 能源和资源问题2
1.1.2 环境问题6
1.2 资源环境需求引入与产品功能、性能的矛盾9
1.2.1 矛盾冲突的案例9
1.2.2 矛盾冲突的归类11
参考文献13
第2章 设计与绿色设计15
2.1 产品的功能与性能16
2.1.1 功能的定义16
2.1.2 性能的定义16
2.1.3 能量、物质在产品功能和性能实现中的作用20
2.2 设计的二重性与设计流程25
2.2.1 设计的二重性26
2.2.2 设计流程27
2.3 绿色设计框架与方法体系29
2.3.1 绿色设计框架29
2.3.2 绿色设计常用方法与工具31
2.3.3 基于能量流的耗能机电产品绿色设计方法的提出33
参考文献36
第3章 概念设计中的能量、物质和信息表征39
3.1 功能分析方法40
3.1.1 功能模块划分40
3.1.2 功能链中的能量流、物质流与信息流42
3.2 与能量相关的建模方法45
3.2.1 键合图45
3.2.2 Modelica建模48
参考文献51
第4章 基于能量流的耗能机电产品绿色设计关键技术53
4.1 能量流建模54
4.1.1 能量流元表征方法54
4.1.2 能量流建模中的其他要素60
4.1.3 特征能量与能量特性方程61
4.1.4 能量建模方法的比较67
4.2 基于功能基的耗能机电产品能量流建模流程68
4.2.1 性能约束下的功能链模型69
4.2.2 能量流元的划分74
4.2.3 接口与接口参数76
4.2.4 特征能量计算77
4.3 电冰箱能量流模型构建与验证81
4.3.1 能量流模型稳态仿真建模81
4.3.2 能量流元及其能量特性方程82
4.3.3 仿真计算90
4.3.4 试验验证94
4.3.5 基于能量流建模仿真的设计参数分析101
4.4 基于能量流的耗能机电产品性能匹配方法131
4.4.1 基于能量流模型的性能匹配方法与流程131
4.4.2 基于因果模型的性能关重度分析134
4.4.3 基于能量流的电冰箱制冷系统性能匹配实例分析143
参考文献152
第5章 耗能机电产品绿色设计案例155
5.1 综合考虑能效的家用电冰箱稳健设计156
5.1.1 家用电冰箱的性能匹配设计156
5.1.2 电冰箱系列产品稳健性设计166
5.2 被动安全性约束下的汽车车身轻量化设计171
5.2.1 轻量化与被动安全性171
5.2.2 被动安全性约束下的汽车车身能量流模型173
5.2.3 被动安全性约束下的汽车车身轻量化设计方法179
5.3 风电齿轮箱齿轮失效及其成因分析189
5.3.1 风电齿轮箱失效形式190
5.3.2 能量在失效中的作用192
5.3.3 行星轮疲劳开裂失效分析与改进202
5.3.4 高速轮系小齿轮点蚀疲劳原因分析222
参考文献237