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2.4.7全生命周期优化设计
进行全生命周期优化是一个需要多学科 知识的融合的复杂决策过程。数值分析、 工程预测、虚拟仿真以及试样和模型试 验等是优化设计常用的方法。 模块化、标准化、集成化等使得产品的 全局优化可以变为粗线条的子结构化。
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2.4.8全生命周期设计的前沿 问题
(1) 知识库、数据库和知识共享 面向全生命周期的设计必须建立在现代 最先进的知识平台之上。建立面向全生 命周期各阶段设计的知识库、数据库并 通过各种方式共享知识是实现全生命周 期设计的重要基础。同时, 如何通过网 络实现知识共享是现代机械设计面临的 紧迫问题。
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2）安全保障设计
在设备的设计安全使用寿命期间, 设备 的运行安全是由一定的可靠性要求来描 述的。一方面一定的可靠性下仍然存在 破坏的可能, 另一方面可靠性的提高是 以更保守的设计安全使用寿命为代价的。
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3）事故- 安全设计
在设备的设计安全使用寿命期间, 设备 的运行安全是由一定的可靠性要求来描 述的。一方面一定的可靠性下仍然存在 破坏的可能, 另一方面可靠性的提高是 以更保守的设计安全使用寿命为代价的
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(2) 计算模拟和仿真技术 对初始设计进行制造和装配工艺的仿真、 动力学仿真、运行过程仿真等是发现设 计问题, 改进设计方案从而实现设计优 的最经济省时的有效途径。采用计算机 虚拟试验替代实物试验是机械设计发展 的必然向。对全生命周期机械行为和社 会环境影响进行计算模拟和仿真能力实 际上是实现全生命周期设计的技术保障。
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2.4.6面向全生命周期安全的设计
1）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。
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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。 产品的全生命周期与产品的寿命是不同 的概念。
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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。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。
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2.1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。
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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.
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2.4.4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。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。
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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
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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。
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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。
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2.4.3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
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2.4.3面向材料及其加工成形 工艺的设计
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/磁致流变材料、各种纳米材 料等的特殊性能。
8ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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3.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。 其中每一个方面都需要专门的知识、 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。
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2.全生命周期设计的基本观点
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/性能(F)、生产效率(T )、品质/质量 (Q )、经济性(C)、环保性(E) 和能源/资源利 用率(R ) 等目标函数,求得其最佳平衡点。 基本观点：“三全”观点，全系统、全寿命、 全费用。
2.4 全生命周期设计
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1.全生命周期的概念
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。
