1.所面临的挑战

我国人口众多，制造业资源消耗大、环境污染严重，有限的资源难以支撑传统工业粗放型增长方式，迫切要求改变经济发展模式，走科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少的新型工业化道路。

在经济全球化进程中，新能源和绿色经济将成为引领科技和产业变革的重要方向，技术性贸易壁垒（Technical Barriers to Trade，TBT）从早期的安全、标准、性能方面延伸到资源能源节约、再生利用、保护环境等领域。新能源和绿色经济对我国机电产品出口贸易有非常大的影响。

气候变化、能源安全、人口压力等赖以生存的重大问题，引发全人类的反思。全球绿色环保意识日益增强,提高生产能效、显著减少排放、提高资源利用率的呼声逐步成为行动。美国将投资1500亿美元支持新能源发展，提出《清洁能源和安全法案》；欧盟出台新能源科技创新政策和资金支持措施，出台《促进可再生能源利用指令》;日本也出台《国家新能源战略》。中国政府承诺到2030年将单位GDP碳排放基于2005年减排65%，力求实现碳达峰，2060年实现碳中和，绿色环保成为全球性共识和消费观。

2.国家战略之需

《中国制造2025》提出：以促进制造业创新发展为主题，以提质增效为中心，以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，以满足经济社会发展和国防建设对重大技术装备的需求为目标，强化工业基础能力，提高综合集成水平，全面推行绿色制造，积极构建绿色制造体系，实施绿色战略、绿色标准、绿色管理和绿色生产。完善多层次多类型人才培养体系，促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越。

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《绿色制造工程实施指南（2016—2020年）》明确提出：积极发展绿色制造是制造业领域发展思路的三大要点之一，开展典型产品绿色创新与优化设计是重点任务之一，围绕起重设备、工程机械、机床、汽车和电子电器等典型产品，突破减量化设计、节能降噪技术、可拆解与回收技术等核心技术，形成我国机械装备及机电产品的绿色自主创新设计能力，提升产品能效和资源利用率，以及应对国际绿色贸易壁垒能力。2019年11月19日中共中央、国务院《关于推进贸易高质量发展的指导意见》进一步指出，推进贸易与环境协调发展。发展绿色贸易，严格控制高污染、高耗能产品进出口。鼓励企业进行绿色设计和制造，构建绿色技术支撑体系和供应链，并采用国际先进环保标准，获得节能、低碳等绿色产品认证，实现可持续发展。

《中国制造2025》《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》《绿色制造工程实施指南（2016—2020年）》将绿色设计、绿色制造、智能制造、绿色供应链、寿命预测和报废决策等关键共性技术列为主攻和发展方向，旨在大力提升绿色设计理论与先进制造技术，对工程机械的安全可靠、保质保寿、节能减排和绿色发展具有非常重要的指导意义。

3.绿色化的趋势

机械工程技术与人类社会的发展相伴而行，它的重大突破和应用为社会、经济、民生提供丰富的产品和服务，使人类社会的物质生活变得绚丽多彩。据机械工程技术路线图的展望，未来20年，在市场和创新双重驱动下，机械工程技术的发展趋势和方向归纳为“绿色、智能、超常、融合、服务”，而绿色为第一位，可见其重要性和必要性。

进入21世纪，保护地球环境、保持社会持续发展已成为世界各国共同关注的问题。实现机械工业的节能减排，不仅是自身可持续发展的需要，也是我国经济社会健康永续发展的需要。目前,大力提倡的循环经济模式是一种追求更少资源消耗、更低环境污染、更大经济效益和更多劳动就业的先进经济模式。为适应循环经济和制造业可持续发展的要求，绿色设计制造应运而生，既反映了人类对现代科技导致环境及生态破坏的反思，也体现了绿色道德观念和社会责任的回归。

绿色化设计制造是一种在保证产品功能属性（功能、性能、质量、成本、寿命）的前提下，综合考虑环境属性（拆解、回收、维修、重用）影响和资源效率的现代设计制造模式，在设计阶段即考虑环境因素和防污染措施，将环境性能作为产品的设计目标，通过生态化设计制造技术创新及系统优化各种相关因素，使产品在研发、设计、制造、运输、使用、拆解、回收、维修、再造、重用、评估和报废等全生命周期过程中，对环境索取返排总量最少、资源能源利用率最高、人体健康危害与社会危害最小，并使企业经济效益与社会效益协调优化。

产品全生命周期设计是在设计阶段就考虑到产品生命周期的所有历程，将所有相关因素在产品设计分阶段得到综合规划和优化的一种设计理论。全生命周期设计不仅要设计产品的功能属性，而且要设计产品的环境属性，更要规划研发、设计、制造、运输、使用、回收、维修、再造、重用、评估和报废的全生命周期过程。

产品绿色度（环境属性）体现在其生命周期的各个阶段。机械产品全生命周期的绿色化将是未来机械工程技术发展的重要领域和研究方向。

工程机械作为机械类产品的重要分支，应当也必将顺应其全生命周期的绿色化发展趋势。对于工程机械而言，采用全生命周期理论和绿色设计制造的系统方法，是实现工程机械全生命周期绿色化的必然选择和必由之路。

工程机械全生命周期绿色化应考虑产品设计、制造、使用与回收利用的系统化和一体化，才能将现代生态化设计技术及其知识库和数据库运用到工程机械整个设计过程中，材料生产的减量化、设计制造的轻量化、使用维修的低耗化、回收再生的充分化，使得产品最大限度地节约资源、减少污染，合理充分地利用有限的资源。

在材料生产中，要注重开采、破碎、选取、输送、冶炼、轧制、供应、回收整个材料生产过程中对自然资源的最大利用率,以及对生态环境的最小污染程度。考虑到自然资源的不可再生性以及自然环境的不可再容性，积极采用绿色化低能耗、可回收的新型材料，逐步替代高能耗、重污染、毁环境以及危害人类健康的材料，体现绿色材料生产减量化源头控制的理念。

在产品设计中，要基于“减量化、再利用、资源化”的原则，建立面向新能源和碳排放模型的生态化设计知识库和数据库以及相关技术规范和标准，采用工程机械产品的全链条系统轻量化、全生命周期生态化的现代设计技术，创新结构、机构、控制、传动、尺寸和工艺，结合人机工程学，设计出满足低能耗、低排放和易拆解、易维修、易回收、再制造要求的工程机械。

在产品制造中，要逐步转变减料制造—等料制造—增料制造方式，采用先进绿色制造新工艺为（数控）精确成形技术、快速成型（3DP）技术，提高材料利用率，取消或大幅减少加工工时，既提高了生产效率，又提升了产品质量，重量得到严格控制，而且生产过程洁净、环保，从而实现产品轻量、精确、节能和降耗的目标。

在使用维护中，要注重工程机械在运行中的节能化、高效化，制订能效与能耗评价方法，监控运行过程中的能耗，优化能源利用率；要注重工程机械在维修保养过程中的常态化、规范化，加强对使用者的培训，提高安全作业意识，避免不当或违规使用导致的失度或过度维修，既提高了作业效率，又降低了维护成本。

在产品退役中，要通过科学健全的剩余寿命及报废准则评判，对整机或零部件进行再生、再制造准入期和经济性评估，以确定产品或零部件是否可回收再生、是否可再制造重用，从而实现资源循环利用的充分化。再制造产品比新产品制造节能60%～70%的部件可再生，价格平均为新产品的30%~40%，成本为新产品的50%。再制造作为再生资源利用的一种高级形式，为发展循环经济、推动节能减排创造了条件，推动了工程机械行业的可持续发展。

4.本书构思特点

本书聚焦工程机械绿色设计与制造技术主题，以工程机械共性部件与整机结构为对象，基于工程机械经典设计理论和方法，创新预测模型与人工智能算法，融合现代检测、信息评估、决策手段，突出绿色、安全、可靠等指标；面向设计方法、优化算法、预测技术、可靠性分析、制造技术、供应链、评估与决策技术等开展理论分析、建模仿真、试验验证研究；贯穿工程机械的绿色设计、绿色制造、载荷谱、失效分析、寿命评估、再制造、风险评估、修复利用和供应链等全生命周期；依托国家级科研项目，成功应用工程实例，显著体现社会效益和经济效益，取得一批科技成果，并全部通过国家验收，具有引领示范作用。

本书的特点是有理论，有方法，有技术，有设备，有应用，有成果，有评价。

本书较全面和详细地介绍了工程机械绿色设计与制造技术的基本原理和方法，其有益的探索可作为构建工程机械绿色设计与制造技术体系的借鉴和参考。

本书由徐格宁教授总体策划、统稿把关,由董青副教授总体修改、梳理校核,由来自高等学校、科研院所、龙头企业的科研精英共同撰写。本书分为10章：第1章为概论（由程莹茂、朱昌彪、徐格宁撰写），第2章为金属结构减量化设计方法（由徐格宁、汤秀丽、戚其松、潘俊萍、辛运胜、张玉撰写），第3章为工程机械载荷谱分析技术（由张国胜、李莺莺、刘艳芳撰写），第4章为工程机械失效模式分析技术（由戚其松、董青、徐格宁撰写），第5章为工程机械疲劳寿命评估方法（由徐格宁、董青、戚其松撰写），第6章为工程机械大型结构件智能焊接制造技术（由周鑫淼、孙丽撰写），第7章为工程机械共性部件再制造技术（由付玲、刘宏亮撰写），第8章为金属结构风险评估技术（由徐格宁、董青、戚其松撰写），第9章为工程机械金属结构修复利用技术（由董青、戚其松、徐格宁撰写），第10章为工程机械成套装备绿色供应链技术（由程莹茂、朱昌彪、董青撰写）。本书作者排名按章节顺序。本书构思如图01所示。

图01本书构思

由于作者的水平和时间所限，书中难免存在不妥之处，恳请读者批评指正。

作者

2020年10月