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技术

本发明专利技术公开了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，该方法包括以下步骤：1)提取火箭舱段的几何特征；2)根据几何特征，建立几何特征到制造特征的映射关系；3)确定用于环境排放和生产成本的辅助评价特征,包括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；5)根据几何特征和制造特征进行碳排放预测；6)根据几何特征和制造特征进行生产成本预测。本发明专利技术实现了基于几何特征预测能耗、碳排放及成本，可以在产品加工前根据其几何特征预测出这些指标，从而指导产品的开发以及加工的过程改进。

Prediction method of energy consumption, carbon emission and cost of composite solid rocket cabin processing based on Characteristics

The invention discloses a feature-based prediction method for processing energy consumption, carbon emission and cost of composite solid rocket cabin. The method comprises the following steps: 1) extracting geometric features of rocket cabin; 2) establishing mapping relationship between geometric features and manufacturing features according to geometric features; 3) determining auxiliary evaluation features for environmental emission and production cost, including different types, etc Carbon efficiency emission coefficient and different types of unit costs; 4) energy consumption prediction based on geometric characteristics and manufacturing characteristics; 5) carbon emission prediction based on geometric characteristics and manufacturing characteristics; 6) production cost prediction based on geometric characteristics and manufacturing characteristics. The invention realizes the prediction of energy consumption, carbon emission and cost based on the geometric characteristics, and can predict these indexes according to the geometric characteristics of the product before processing, so as to guide the development of the product and the improvement of the processing process.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及绿色制造，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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/MJ5.2)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。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术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专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的结构示意图；图2是本专利技术实施例的几何特征树示意图；图3是本专利技术实施例的几何特征到制造特征的映射关系图；图4是本专利技术实施例的加工能耗与制造特征、几何特征的关系图；图5是本专利技术实施例的碳排放与与制造特征、几何特征的关系图；图6是本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。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中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于，包括以下步骤：/n1)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；/n2)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；/n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；/n3)确定用于环境排放和生产成本的辅助评价特征,包括不同类型的等效碳排放系数以及不同类型的单位成本；/n4)根据几何特征和制造特征进行能耗预测；/n

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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,包括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；
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。


2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤5)中碳排放预测具体计算方法如下：
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马峰，瞿华，张华，陈兵，王晓炜，江志刚，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42