产品全生命周期设计产品全生命周期设计2011年07月13日产品全生命周期设计机械产品的全生命周期设计是多学科融合的综合科学,并涉及许多新兴学科和现代先进技术。
探讨了机械产品全生命周期设计概念和思想、主要研究内容和涉及的学科前沿课题。
全生命周期设计的提出和建立是现代设计理论发展的产物,也将是机械设计发展的必然方向。
1、全生命周期设计的基本概念1.1、全生命周期产品的全生命周期与产品的寿命是不同的概念。
产品的全生命周期包括产品的孕育期(产品市场需求的形成、产品规划、设计)、生产期(材料选择制备、产品制造、装配)、储运销售期(存储、包装、运输、销售、安装调试)、服役期(产品运行、检修、待工) 和转化再生期(产品报废、零部件再用、废件的再生制造、原材料回收再利用、废料降解处理等) 的整个闭环周期。
而产品的寿命往往指产品出厂或投入使用后至产品报废不再使用的一段区间, 仅是全生命周期内服役期的一部分。
由于传统的产品功能和性能主要在服役期实现, 传统设计主要为产品的运行功能设计和产品的使用寿命以及近年来日益重视的产品自然寿命设计。
基于产品的社会效应, 全生命周期包括对产品的社会需求的形成, 产品的设计、试验、定型, 产品的制造、使用、维修以及达到其经济使用寿命之后的回收利用和再生产的整个闭环周期。
如图1所示, 机械的全生命周期涵盖全寿命期, 全寿命期涵盖经济使用寿命和安全使用寿命。
图1 全生命周期与全寿命期作为全生命周期的一个重要转折点, 产品报废一般有3 种判据: 功能失效、安全失效、经济失效。
1.2、全生命周期设计所谓全生命周期设计, 就是面向产品全生命周期全过程的设计, 要考虑从产品的社会需求分析、产品概念的形成、知识及技术资源的调研、成本价格分析、详细机械设计、制造、装配、使用寿命、安全保障与维修计划, 直至产品报废与回收、再生利用的全过程, 全面优化产品的功能ö性能 (F)、生产效率(T )、品质ö质量(Q )、经济性(C)、环保性(E) 和能源ö资源利用率(R ) 等目标函数,求得其最佳平衡点。
1.3、全生命周期设计的目的全生命周期设计的主要目的可以归结为3个:①在设计阶段尽可能预见产品全生命期的各个环节的问题, 并在设计阶段加以解决或设计好解决的途径。
现代产品日趋复杂、庞大和昂贵, 其中的知识含量也与日俱增, 一旦出现问题仅靠用户的经验和技能很难有效解决和保障设备的有效运行。
②在设计阶段对产品全生命周期的所有费用(包括维修费用、停机损失和报废处理费用)、资源消耗和环境代价进行整体分析规划, 最大程度地提高产品的整体经济性和市场竞争力。
③在设计阶段对从选材、制造、维修、零部件更换、安全保障直到产品报废、回收、再利用或降解处理的全过程对自然资源和环境的影响进行分析预测和优化, 以积极有效的利用和保护资源、保护环境、创造好的人- 机环境, 保持人类社会生产的持续稳定发展。
2、全生命周期设计的主要内容全生命周期设计实际上是面向全生命周期所有环节、所有方面的设计。
图2为全生命周期设计所面向的全过程。
其中每一个面向都需要专门的知识、技术做支撑, 这种技术采用专家系统、分析系统或仿真系统等智能方法来评判概念设计与详细设计满足全生命周期不同方面需求的程度, 发现所存在的问题提出改进方案。
但是, 全生命周期设计不是简单的面向设计(DFX) , 而是多学科、多技术在人类生产、社会发展、与自然界共存等多层次上的融合, 所涉及的问题十分广博、深远。
图2 面向产品全生命周期的设计2.1、面向材料及其加工成形工艺的设计在全生命周期设计中, 材料的选择应考虑的因素如下:材料的产品性能：主要考虑满足产品本身功能、性能、质量设计的有关材料性能。
包括材料的常规机械性能、疲劳断裂性能、抗复杂环境侵蚀的性能, 对特殊机电产品采用的特殊材料, 如压电陶瓷材料、功能梯度材料、电ö磁致流变材料、各种纳米材料等的特殊性能。
这些材料性能指标往往受当前材料科学的发展局限, 设计选材时必须清楚地认识材料的各种特性。
材料的环保性能：绿色材料概念已经形成,材料在使用过程中的对环境的影响、废弃后的可降解性等是全生命周期设计中必须考虑的因素。
材料的加工性能：在设计阶段考虑材料的可加工性可以提高产品经济性、减少能耗和制造过程的不利副产品。
例如, 使用粉末冶金成形技术制造齿轮等外形复杂、加工精度要求高的部件, 在强度和寿命要求可以满足的情况下能够显著提高工效、降低成本。
材料的价格性能比：材料的价格性能比是制约设计选材的一个重要因素。
但在全生命周期设计中不能单纯看待材料价格, 而应当全面分析材料的使用效能。
针对材料的产品设计：在设计中, 材料的选择和结构细节设计是一种互动关系。
当材料性能难以满足产品性能或寿命要求时必须改进设计。
此外, 工程材料往往是各向异性的, 因此结合使用材料时的取向和产品力学分析使材料性能得以最优发挥也是设计选材的重要因素。
2.2、面向制造与装配的设计在设计阶段利用计算机辅助工程(CAE)方法对制造过程进行模拟分析, 改进设计以简化加工制造工艺、简化模具和夹具设计、充分利用标准件等。
设计中一些小的改进往往会在很大程度上方便制造、降低制造成本、缩短制造周期。
例如, 在冲压成形制造中, 如能够在设计阶段利用大变形接触问题的有限元软件对成形过程进行模拟分析并优化设计, 会避免许多设计缺陷和由此导致的制造困难, 提高成品率和生产效率。
复合材料结构的制造与设计联系更为密切。
复合材料本身既是材料又是结构, 材料的复合制造与结构制造常常同时进行。
在设计阶段就需对材料组分、铺层方式、成形工艺等进行分析并提出明确要求。
制造技术发展到今天已形成门类齐全的制造工艺。
与现代信息技术、计算机技术、控制技术、人工智能等相结合, 制造技术已由传统的制造技术发展到先进制造技术。
机械的设计应充分与各种制造工艺和制造技术相协调, 才能发挥各种制造技术的长处, 方便制造并提高工效。
对大批量的生产, 设计的部件应能适应生产线流水作业制造。
方便装配是全生命周期设计必须考虑的又一重要因素。
装配方式、装配强度、装配工艺应在设计阶段确定, 以避免装配过程的困难或临时改动对产品完整性的破坏。
2.3、面向功能的设计产品功能和性能设计一直是机械设计的核心, 也贯穿全生命周期设计的所有环节。
与传统的设计相比, 现代产品具有一系列新的特征, 见图3。
图3 现代产品全生命周期特征产品功能和性能的开发和提高依赖于相关多学科的发展和技术突破, 同时也受市场需求的推动。
模块化和标准化已被证明是保证产品高性能、低成本和短的开发生产周期的有效方式。
但随人类生活水平的提高, 对产品多样性和个性化的要求日益突出。
在全生命周期设计中如何将模块化和标准化要求与多样化和个性化要求相协调统一是争夺市场的重要问题, 但这并非是难以解决的矛盾。
在产品性能与功能方面, 可以充分发挥模块化和标准化的优势, 而在产品的表现形式、外部结构等方面尽量满足多样化和个性化的市场要求。
例如汽车的设计, 在引挚和驱动装置方面应注重功能和标准化, 但车的外形和车内布局则要多样化和个性化。
又如分体式空调的室外机(主机)和室内机, 手表的功能与外形等。
集成化和微型化往往带来产品性能的变革。
而绿色、节能已成为产品品质的组成部分。
环保节能型汽车、无氟节能冰箱就是最好的例证。
现代产品除了安全、可靠、美观等性能指标外, 智能化、功能重组和自修复等功能是产品创新的重要体现, 从大到多功能军用飞机,小到移动电话,现代产品都需要这些创新功能。
全生命周期设计更要注重这方面功能的创新。
借助计算机仿真和计算试验技术,可以在设计阶段考察、改进产品的功能和性能。
产品的功能与材料、结构、工艺、质量等是一种互动关系。
2.4、安全使用寿命设计产品的安全使用寿命是产品价值的重要体现。
在设计阶段对产品安全使用寿命进行设计的基础是对产品使用寿命和可能破坏的准确分析预测。
目前产品结构的使用寿命预测主要有基于疲劳力学的安全寿命方法和基于断裂力学的损伤容限耐久性方法。
对规定可靠度下产品结构的安全使用寿命的确定见图4。
(a) 产品寿命与破坏概率 (b) 损伤尺寸与寿命图4 产品安全使用寿命期对机电产品, 除了机械疲劳破坏外, 电致电子元件的疲劳、控制开关的电接触疲劳、运动部件的磨损、腐蚀环境中部件的剥蚀等都对产品的安全使用寿命构成影响。
此时, 只要将损伤理解为广义损伤, 寿命理解为疲劳循环、接触次数、腐蚀时间等广义寿命, 仍可以沿用图4 的安全使用寿命概念。
在安全使用寿命设计中, 除了寿命分析和预测方法外, 材料的选择和材料客观性能指标的试验测定、对制造和加工工艺质量的评估、载荷谱和环境谱的编制等都具有重要影响。
2.5、经济寿命设计经济寿命设计的目的是在安全寿命预测的基础上, 通过制定合理的检测、维修、更换零部件、再制造等计划, 保障设备运行的经济性。
根据经济寿命设计原则, 易损零部件应设计为可更换部分, 不可更换的主体或高值部件应按等寿命原则设计,一些关键的安全薄弱环节应设计为可检测和便于维修的。
2.6、安全可监测性设计机械结构的疲劳断裂破坏是机械失效最主要的方式。
疲劳破坏的危险性表现在达到疲劳寿命时无明显先兆(显著变形或显著的动力学性能变化) 结构就会突然断裂解体。
目前工程界对一些重要设备采用对运行全过程进行实时监测并对信号进行各种分析处理以便诊断出早期故障。
损伤容限设计则采用高韧性的材料以使结构对较小的、难于发现的损伤具有容忍性。
安全可监测性设计要求重要的机械设备能够容忍运行监测和可能采用的损伤诊断技术所无法判定的损伤。
当损伤已发展到危及安全之前, 可以可靠地由计划使用的检查、监测手段发现。
否则, 结构就应设计成不可监测的类型。
例如, 大型发电机组主轴的断裂往往导致重大事故。
但停机拆检会造成大的经济损失。
因此对大型发电机组一般实施连续状态监测以避免恶性事故。
然而当主轴出现裂纹时, 以动力学为基础的故障诊断方法目前尚很难明确判别小于轴直径四分之一的裂纹。
如果在运行负荷下轴的临界断裂尺寸小于四分之一轴直径, 那么这种监测诊断对避免主轴断裂事故就没有任何意义。
因此, 在设定的监测诊断技术水平下, 机械设备的安全可监测性在设计阶段就决定了。
当然, 损伤监测诊断技术在不断的发展, 进行安全可监测性设计应掌握这方面的发展动态。
2.7、面向资源环境的设计选材材料选择应考虑资源问题, 在能利用可再生资源的情况下尽量使用可再生资源的材料。
合理利用回收再生的材料, 促进材料再利用。
节能设计中考虑的节能概念包括通过合理的材料选择和工艺设计降低制造加工过程的能耗、通过创新设计和采用先进技术降低设备服役运行中的能耗、选择合适的能源品种、设计好设备的拆卸性, 降低报废后材料和部件回收或再生产的能耗。
