機(jī)械產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)

【摘 要】本文首先介紹了全生命周期設(shè)計(jì)的基本概念，然后介紹了全生命周期設(shè)計(jì)的發(fā)展，最后介紹了全生命周期設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械產(chǎn)品；全生命周期；設(shè)計(jì)

一、前言

機(jī)械產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計(jì)是多學(xué)科融合的綜合科學(xué)，并涉茂許多新興學(xué)科和現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)。全生命周期的設(shè)計(jì)會(huì)使產(chǎn)品的性能更加優(yōu)越。

二、全生命周期設(shè)計(jì)的基本概念

1、全生命周期

產(chǎn)品的全生命周期與產(chǎn)品的壽命是不同的概念。產(chǎn)品的全生命周期包括產(chǎn)品的孕育期（產(chǎn)品市場(chǎng)需求的形成、產(chǎn)品規(guī)劃、設(shè)計(jì)）、生產(chǎn)期（材料選擇制備、產(chǎn)品制造、裝配）、儲(chǔ)運(yùn)銷售期（存儲(chǔ)、包裝、運(yùn)輸、銷售、安裝調(diào)試）、服役期（產(chǎn)品運(yùn)行、檢修、待工）和轉(zhuǎn)化再生期（產(chǎn)品報(bào)廢、零部件再用、廢件的再生制造、原材料回收再利用、廢料降解處理等）的整個(gè)閉環(huán)周期。而產(chǎn)品的壽命往往指產(chǎn)品出廠或投入使用后至產(chǎn)品報(bào)廢不再使用的一段區(qū)間，僅是全生命周期內(nèi)服役期的一部分。由于傳統(tǒng)的產(chǎn)品功能和性能主要在服役期實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要為產(chǎn)品的運(yùn)行功能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的使用壽命以及近年來(lái)日益重視的產(chǎn)品自然壽命設(shè)計(jì)。

基于產(chǎn)品的社會(huì)效應(yīng)，全生命周期包括對(duì)產(chǎn)品的社會(huì)需求的形成，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、定型，產(chǎn)品的制造、使用、維修以及達(dá)到其經(jīng)濟(jì)使用壽命之后的回收利用和再生產(chǎn)的整個(gè)閉環(huán)周期。機(jī)械的全生命周期涵蓋全壽命期，全壽命期涵蓋經(jīng)濟(jì)使用壽命和安全使用壽命。、作為全生命周期的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，產(chǎn)品報(bào)廢一般有3種判據(jù)：功能失效、安全失效、經(jīng)濟(jì)失效。

2、全生命周期設(shè)計(jì)

所謂全生命周期設(shè)計(jì)，就是面向產(chǎn)品全生命周期全過(guò)程的設(shè)計(jì)，要考慮從產(chǎn)品的社會(huì)需求分析、產(chǎn)品概念的形成、知識(shí)及技術(shù)資源的調(diào)研、成本價(jià)格分析、詳細(xì)機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用壽命、安全保障與維修計(jì)劃，直至產(chǎn)品報(bào)廢與回收、再生利用的全過(guò)程，全面優(yōu)化產(chǎn)品的功能/性能（F）、生產(chǎn)效率（T）、品質(zhì)/質(zhì)量（Q）、經(jīng)濟(jì)性（c）、環(huán)保性（E）和能源/資源利用率（R）等目標(biāo)函數(shù)，求得其最佳平衡點(diǎn)。圖1全生命周期與全壽命期

3、全生命周期設(shè)計(jì)的目的

全生命周期設(shè)計(jì)的主要目的可以歸結(jié)為3個(gè)：

①在設(shè)計(jì)階段盡可能預(yù)見(jiàn)產(chǎn)品全生命期的各個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題，并在設(shè)計(jì)階段加以解決或設(shè)計(jì)好解決的途徑?，F(xiàn)代產(chǎn)品日趨復(fù)雜、龐大和昂貴，其中的知識(shí)含量也與日俱增，一旦出現(xiàn)問(wèn)題僅靠用戶的經(jīng)驗(yàn)和技能很難有效解決和保障設(shè)備的有效運(yùn)行。

②在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品全生命周期的所有郭萬(wàn)林：機(jī)械產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)費(fèi)用（包括維修費(fèi)用、停機(jī)損失和報(bào)廢處理費(fèi)用）、資源消耗和環(huán)境代價(jià)進(jìn)行整體分析規(guī)劃，最大程度地提高產(chǎn)品的整體經(jīng)濟(jì)性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

③在設(shè)計(jì)階段對(duì)從選材、制造、維修、零部件更換、安全保障直到產(chǎn)品報(bào)廢、回收、再利用或降解處理的全過(guò)程對(duì)自然資源和環(huán)境的影響進(jìn)行分析預(yù)測(cè)和優(yōu)化，以積極有效的利用和保護(hù)資源、保護(hù)環(huán)境、創(chuàng)造好的人一機(jī)環(huán)境，保持人類社會(huì)生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

三、全生命周期設(shè)計(jì)的發(fā)展

1、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到有效利用企業(yè)資源的重要性。發(fā)達(dá)國(guó)家從1968年就提出：應(yīng)該設(shè)計(jì)出能一次生產(chǎn)成功的產(chǎn)品，以有效利用生產(chǎn)資源，獲得最大的效益。

美國(guó)總統(tǒng)防務(wù)咨詢委員會(huì)早在1986年就向總統(tǒng)報(bào)告：“武器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期太長(zhǎng)，生產(chǎn)費(fèi)用太高，且使用效果不盡人意?！睘榇?，美國(guó)國(guó)防部指示防御分析研究所對(duì)相關(guān)的全壽命周期設(shè)計(jì)及其用于武器系統(tǒng)的可行性進(jìn)行研究。

于1988年10月提交了題為“并行工程在武器系統(tǒng)采購(gòu)中的作用”的研究報(bào)告，建立了并行工程研究中心（CERC）。它致力于并行工程的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和促進(jìn)技術(shù)以及相應(yīng)的實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)工作?，F(xiàn)在該中心的技術(shù)已在全國(guó)范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)國(guó)防部在軍工生產(chǎn)中也在向全壽命周期設(shè)計(jì)方向發(fā)展，其武器系統(tǒng)的試驗(yàn)項(xiàng)目、全規(guī)模開(kāi)發(fā)項(xiàng)目及生產(chǎn)項(xiàng)目都采用了這種方法，與此同時(shí)，很我支持全壽命周期設(shè)計(jì)的工具軟件也在研制和開(kāi)發(fā)中。

通過(guò)“九五”攻關(guān)和國(guó)家863項(xiàng)目的組織實(shí)施，我國(guó)在CAD/CAM、并行工程、工程廣義優(yōu)化和全壽命周期設(shè)計(jì)技術(shù)方面有了較好的基礎(chǔ)，浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)和其他院校相繼開(kāi)展了并行優(yōu)化、并行工程技術(shù)的研究工作。早在1991年，這些院校已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到開(kāi)展并行工程技術(shù)研究的重要性。近年來(lái)，他們一直致力于并行工程環(huán)境的研制工作，并取得了顯著的成績(jī)。

2、發(fā)展趨勢(shì)

從產(chǎn)品的全壽命周期設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，它的發(fā)展肯定是從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從小領(lǐng)域發(fā)展到大領(lǐng)域。美國(guó)的DEC公司的專家提出了建立并行工程自動(dòng)化環(huán)境的幾個(gè)階段，應(yīng)用于全壽命周期設(shè)計(jì)也同樣適用：內(nèi)部可操作工具及任務(wù)；內(nèi)部可操作計(jì)算環(huán)境；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理；過(guò)程管理和決策支持。

發(fā)展第一階段僅限于實(shí)現(xiàn)單個(gè)任務(wù)內(nèi)部的集成；第二、第三階段可實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間的集成；第四階段實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的集成；第五階段為高級(jí)階段，可根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品要求及歷史經(jīng)驗(yàn)，給各級(jí)管理者和設(shè)計(jì)者提供決策支持。

美國(guó)的全壽命周期設(shè)計(jì)發(fā)展很快，已形成了多層次的集民軟件框架產(chǎn)品，當(dāng)前正致力于開(kāi)發(fā)過(guò)程軟件框架。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化進(jìn)展得較快，設(shè)計(jì)工具正從CAX向DFX（DesignforX）方向發(fā)展，并已較完整。機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化，由于產(chǎn)品本身復(fù)雜，正在不斷完善，基于STEP的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展較迅速，已經(jīng)從CAD擴(kuò)展到全過(guò)程，并正在發(fā)展中。

無(wú)疑，當(dāng)前中國(guó)應(yīng)當(dāng)走這條路，并完全可以跳過(guò)第一階段，而以第二、第三階段為基礎(chǔ)，主攻第四階段，在今后10年中，要盡量向第五階段發(fā)展。當(dāng)然，這需要軟件方面的大力支持。

四、全生命周期設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

全生命周期設(shè)計(jì)實(shí)際上是面向全生命周期所有環(huán)節(jié)、所有方面的設(shè)計(jì)。圖2為全生命周期設(shè)計(jì)所面向的全過(guò)程。其中每一個(gè)面向都需要專門的知識(shí)、技術(shù)做支撐，這種技術(shù)采用專家系統(tǒng)、分析系統(tǒng)或仿真系統(tǒng)等智能方法來(lái)評(píng)判概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)滿足全生命周期不同方面需求的程度，發(fā)現(xiàn)所存在的問(wèn)題提出改進(jìn)方案。但是，全生命周期設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的面向設(shè)計(jì)（DFx），而是多學(xué)科、多技術(shù)在人類生產(chǎn)、社會(huì)發(fā)展、與自然界共存等多層次上的融合，所涉及的問(wèn)題十分廣博、深遠(yuǎn)。

1、面向材料及其加工成形工藝的設(shè)計(jì)

在全生命周期設(shè)計(jì)中，材料的選擇應(yīng)考慮的因素如下：

材料的產(chǎn)品性能主要考慮滿足產(chǎn)品本身功能、性能、質(zhì)量設(shè)計(jì)的有關(guān)材料性能。包括材料的常規(guī)機(jī)械性能、疲勞斷裂性能、抗復(fù)雜環(huán)境侵蝕的性能，對(duì)特殊機(jī)電產(chǎn)品采用的特殊材料，如壓電陶瓷材料、功能梯度材料、電/磁致流變材料、各種納米材料等的特殊性能。這些材料性能指標(biāo)往往受當(dāng)前材料科學(xué)的發(fā)展局限，設(shè)計(jì)選材時(shí)必須清楚地認(rèn)識(shí)材料的各種特性。

材料的環(huán)保性能。綠色材料概念已經(jīng)形成，材料在使用過(guò)程中的對(duì)環(huán)境的影響、廢棄后的可降解性等是全生命周期設(shè)計(jì)中必須考慮的因素。

材料的加工性能。在設(shè)計(jì)階段考慮材料的可加工性可以提高產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性、減少能耗和制造過(guò)程的不利副產(chǎn)品。例如，使用粉末冶金成形技術(shù)制造齒輪等外形復(fù)雜、加工精度要求高的部件，在強(qiáng)度和壽命要求可以滿足的情況下能夠顯著提高工效、降低成本。

材料的價(jià)格性能比材料的價(jià)格性能比是制約設(shè)計(jì)選材的了個(gè)重要因素。但在全生命周期設(shè)計(jì)中不能單純看待材料價(jià)格，而應(yīng)當(dāng)全面分析材料的使用效能。

針對(duì)材料的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，材料的選擇和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)是一種互動(dòng)關(guān)系。當(dāng)材料性能難以滿足產(chǎn)品性能或壽命要求時(shí)必須改進(jìn)設(shè)計(jì)。此外，工程材料往往是各向異性的，因此結(jié)合使用材料時(shí)的取向和產(chǎn)品力學(xué)分析使材料性能得以最優(yōu)發(fā)揮也是設(shè)計(jì)選材的重要因素。

2、面向功能的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品功能和性能設(shè)計(jì)一直是機(jī)械設(shè)計(jì)的核心L2J，也貫穿全生命周期設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，現(xiàn)代產(chǎn)品具有一系列新的特征。

產(chǎn)品功能和性能的開(kāi)發(fā)和提高依賴于相關(guān)多學(xué)科的發(fā)展和技術(shù)突破，同時(shí)也受市場(chǎng)需求的推動(dòng)。模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化已被證明是保證產(chǎn)品高性能、低成本和短的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)周期的有效方式。

但隨人類生活水平的提高，對(duì)產(chǎn)品多樣性和個(gè)性化的要求日益突出。在全生命周期設(shè)計(jì)中如何將模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化要求與多樣化和個(gè)性化要求相協(xié)調(diào)統(tǒng)一是爭(zhēng)奪市場(chǎng)的重要問(wèn)題，但這并非是難以解決的矛盾。

在產(chǎn)品性能與功能方面，可以充分發(fā)揮模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢(shì)，而在產(chǎn)品的表現(xiàn)形式、外部結(jié)構(gòu)等方面盡量滿足多樣化和個(gè)性化的市場(chǎng)要求。

例如汽車的設(shè)計(jì)，在引摯和驅(qū)動(dòng)裝置方面應(yīng)注重功能和標(biāo)準(zhǔn)化，但車的外形和車內(nèi)布局則要多樣化和個(gè)性化。又如分體式空調(diào)的室外機(jī)（主機(jī)）和室內(nèi)機(jī)，手表的功能與外形等。

集成化和微型化往往帶來(lái)產(chǎn)品性能的變革。而綠色、節(jié)能已成為產(chǎn)品品質(zhì)的組成部分。環(huán)保節(jié)能型汽車、無(wú)氟節(jié)能冰箱就是最好的例證。

現(xiàn)代產(chǎn)品除了安全、可靠、美觀等性能指標(biāo)外，智能化、功能重組和自修復(fù)等功能是產(chǎn)品創(chuàng)新的重要體現(xiàn)，從大到多功能軍用飛機(jī)，小到移動(dòng)電話，現(xiàn)代產(chǎn)品都需要這些創(chuàng)新功能。全生命周期設(shè)計(jì)更要注重這方面功能的創(chuàng)新。

借助計(jì)算機(jī)仿真和計(jì)算試驗(yàn)技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段考察、改進(jìn)產(chǎn)品的功能和性能。產(chǎn)品的功能與材料、結(jié)構(gòu)、工藝、質(zhì)量等是一種互動(dòng)關(guān)系。

五、結(jié)束語(yǔ)

全壽命周期設(shè)計(jì)的最重要的特點(diǎn)是它的集成性，要求各部門工作人員分工協(xié)作。要想全生命周期的設(shè)計(jì)更加的完善，合理的分工協(xié)作是必不可少的。

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