基于市場(chǎng)開放度的高分子環(huán)保復(fù)合材料成本估算及其評(píng)價(jià)

摘要：降低制造成本是高分子復(fù)合環(huán)保材料推廣使用的必經(jīng)之路，建立成本估算模型是定量評(píng)價(jià)復(fù)合材料工藝成本的基礎(chǔ)和降低復(fù)合材料工藝成本的重要技術(shù)手段。復(fù)合材料制造設(shè)計(jì)的核心就是針對(duì)特定產(chǎn)品選擇最佳的材料和制造工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能與成本的最佳平衡。而成本估算模型可以在工藝過程與成本之間建立定量關(guān)系，這是制造設(shè)計(jì)的關(guān)鍵組成部分。本文對(duì)國外高分子復(fù)合材料制造成本估算模型研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，給出了主要成本估算模型的類型、建模方法以及各自的特點(diǎn)及適用范圍，提出了基于成本估算模型的工藝一性能一成本集成分析的未來研究方向。

關(guān)鍵詞：制造成本；成本估算模型；設(shè)計(jì)；工時(shí)成本；

近年來，生物環(huán)保制品行業(yè)發(fā)展迅速，同時(shí)該類產(chǎn)品的整個(gè)生命周期過程中對(duì)環(huán)境造成的影響也引起了人們的廣泛關(guān)注。據(jù)已有的文獻(xiàn)資料來看，迄今為止，雖然國內(nèi)外對(duì)包裝材料和建筑材料及相關(guān)制品的成本估算評(píng)價(jià)較多，但大多數(shù)的研究尚停留在成本估算清單分析階段，而對(duì)高分子材料及其制品的成本估算及評(píng)價(jià)很少，只對(duì)少數(shù)用量大的幾種通用樹脂及制品進(jìn)行了成本估算。

通常，高分子環(huán)保材料以其性能優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)金屬材料競(jìng)爭(zhēng)。但其性能優(yōu)勢(shì)是以成本作為代價(jià)的，制造成本是當(dāng)前影響高分子環(huán)保材料推廣使用的一個(gè)主要問題。材料成本通常由纖維成本決定。工藝成本由制件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)量和實(shí)施的工藝方法決定。在復(fù)合材料制造過程中，性能與成本相互制約的現(xiàn)象尤為突出。合理的工藝設(shè)計(jì)可以在保證性能的前提下有效降低材料、裝配和檢測(cè)成本。本文對(duì)成本估算模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，并且提出了在國內(nèi)開展復(fù)合材料制造成本估算研究的設(shè)想。

1、制造成本估算模型

有關(guān)復(fù)合材料制造成本估算模型的研究通常可以分成兩大類：參數(shù)成本模型(Paramet ric Cost Models：PCM)和制造工藝成本模型(Manufacturing Process CostModels：MPCM)。

1.1參數(shù)成本模型

參數(shù)成本估算是使用有效的成本估算關(guān)系式(Cost Estimation Relationships；CERs)估算成本。CERs是將成本作為一個(gè)或多個(gè)成本操縱變量的函數(shù)，表示成為復(fù)雜程度不同的數(shù)學(xué)表達(dá)式[1]。這種數(shù)學(xué)表達(dá)式通常是對(duì)歷史的項(xiàng)目信息進(jìn)行回歸分析得出的。

Rand公司建立的著名的DAPCA IV的一個(gè)修正模型，用于對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的制造技術(shù)進(jìn)行成本估算。該模型代表標(biāo)準(zhǔn)的基于重量的成本估算關(guān)系式，模型把設(shè)計(jì)起飛的毛重作為主要的成本驅(qū)動(dòng)因素，從而對(duì)項(xiàng)目成本進(jìn)行全局估算。模型使用了34個(gè)軍用航空器的制造成本的歷史數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析得到一系列的指數(shù)曲線，用于對(duì)給定形狀航空器的制造成本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。模型把成本細(xì)分為獨(dú)立的成本估算關(guān)系式，如工裝設(shè)備、制造勞動(dòng)、制造材料等。模型基本假設(shè)是：航空器重量的增加導(dǎo)致成本的增加。Gutowski等人建立了一個(gè)參數(shù)估算模型以定量評(píng)價(jià)應(yīng)用復(fù)合材料所帶來的成本效益。他們把工時(shí)與構(gòu)件重量關(guān)聯(lián)起來，并把構(gòu)件的制造成本與構(gòu)件的重量以及人工時(shí)間關(guān)聯(lián)起來。然后對(duì)應(yīng)用復(fù)合材料和傳統(tǒng)金屬材料的成本進(jìn)行了比較。結(jié)果指出，復(fù)合材料的制造成本優(yōu)勢(shì)是以性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出來，重量的降低帶來燃料的節(jié)約，耐疲勞耐腐蝕性能提高帶來維護(hù)成本降低等都證明了應(yīng)用復(fù)合材料所具有的成本效益。該模型的優(yōu)點(diǎn)是能定量計(jì)算何種情況下應(yīng)用復(fù)合材料具有成本有效性，但模型的建立只是基于一些粗略的設(shè)計(jì)參數(shù)，精度比較有限。

參數(shù)估算法的優(yōu)點(diǎn)是只需輸入少量特征參數(shù)即可估算出系統(tǒng)的成本并可達(dá)到一定的精度，且可以根據(jù)估算模型迅速地估算出某些特征參數(shù)的變化對(duì)成本的影響。但是，在相對(duì)較新的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，很難定義生產(chǎn)成本與不同設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系。傳統(tǒng)的基干重量的工程模型對(duì)復(fù)合材料并不一定有效。參數(shù)估算通常使用多元回歸方法形成成本估算關(guān)系式，或者使用基于系統(tǒng)的專家知識(shí)庫算法進(jìn)行計(jì)算。由于建立算法時(shí)做了許多假設(shè)，因此模型的精度和使用都比較有限。并且，模型的有效性通常局限于參數(shù)輸入值的可靠范圍。

1.2制造工藝成本模型

制造工藝成本模型需要考慮所有有關(guān)的制造過程，并且根據(jù)主要的制造成本分類，如材料、制造、裝配和支持勞動(dòng)時(shí)間等，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的估算從而構(gòu)建模型。該類模型表現(xiàn)比PCM更加精確的趨勢(shì)，但是卻預(yù)先需要更多的信息。幾乎所有的基于計(jì)算機(jī)的成本估算模型都使用MPCM方法，下面給出一些典型例子。

Northrop首次成功開發(fā)的MPCM叫作先進(jìn)復(fù)合材料成本估算手冊(cè)(ACCEM)。ACCEM是詳細(xì)的工藝模型，列出了制造一個(gè)制件所需操作任務(wù)的所有步驟，并以一系列的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)過求平均值表示為冪定律形式估算每一工藝步驟時(shí)間，最后求和得到制件制造時(shí)間的估算。支撐函數(shù)模塊通過應(yīng)用成本估算關(guān)系式，估算工程成本、模具加工成本及其他服務(wù)費(fèi)用。成本規(guī)劃模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的成本勞動(dòng)小時(shí)數(shù)、機(jī)器小時(shí)數(shù)等得到產(chǎn)品成本。該模型在工業(yè)上知名度較高，而且普遍都能給出比較合理的結(jié)論。

Northrop開發(fā)的另外一個(gè)MPCM叫做復(fù)合材料制造成本模型(MCMC)[2]。這是一個(gè)單機(jī)計(jì)算程序，并且是隨ACCEM問世以后跟蹤開發(fā)的。MCMC擁有三個(gè)發(fā)展層次，包括基本模型、工藝模型和設(shè)計(jì)模型。MCMC中設(shè)計(jì)模型的目標(biāo)是將成本作為綜合考慮性能與可制造性優(yōu)化設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

最近，MIT的Pas和Haffner等人提出了一個(gè)比較新穎而且實(shí)用的成本估算模型，既基于互聯(lián)網(wǎng)形式的制造成本估算模型。雖然MPCM對(duì)復(fù)合材料制造提供了更加準(zhǔn)確的成本估算，但是卻需要一定基礎(chǔ)的工藝工程知識(shí)和制件工程知識(shí)。并且，其發(fā)展過程通常消耗時(shí)間，而且費(fèi)用昂貴。制造工藝成本模型的另一個(gè)主要問題是，除了少數(shù)模型以外，絕大多數(shù)計(jì)算程序都具有專利權(quán)，因此不能進(jìn)一步接近而進(jìn)行深入的評(píng)價(jià)。由于制造工藝成本模型在制造工藝水平分析成本發(fā)生因素，因此，通常顯示比參數(shù)成本模型更加準(zhǔn)確和靈敏的能力，對(duì)新興的設(shè)計(jì)和技術(shù)更是如此。實(shí)際，MPCM中的成本估算關(guān)系式更加復(fù)雜而且通常不能用簡(jiǎn)單的顯示表達(dá)式給出。所有這些程序需要對(duì)影響人工成本的制造工藝和技術(shù)進(jìn)行定期更新。

2、結(jié)束語

目前，國內(nèi)有關(guān)復(fù)合材料制造成本估算模型方面的研究尚未見報(bào)道。環(huán)保高分子復(fù)合材料成型工藝相對(duì)比較新穎，生產(chǎn)率并不高，生產(chǎn)量也不大，并且，對(duì)制造工藝成本進(jìn)行估算時(shí)，涉及許多實(shí)際的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)往往是工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)密，所以這一方面限制了有關(guān)成本估算模型的文獻(xiàn)比較少，另一方面也限制了制造成本模型的推廣使用。成本估算模型不僅可用于選擇材料和制造工藝，而且也能對(duì)所選制造工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。未來在國內(nèi)開展復(fù)合材料成本估算模型研究應(yīng)包括：①建立針對(duì)常規(guī)復(fù)合材料制造工藝如熱壓釜工藝、RTM工藝的制造時(shí)間模型；②成本估算普適規(guī)律研究；③復(fù)合材料工藝微結(jié)構(gòu)-性能-成本集成分析；④相關(guān)數(shù)據(jù)庫的建立。