機械產(chǎn)品全生命周期設計

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

【關鍵詞】機械產(chǎn)品；全生命周期；設計

一、前言

機械產(chǎn)品的全生命周期設計是多學科融合的綜合科學，并涉茂許多新興學科和現(xiàn)代先進技術。全生命周期的設計會使產(chǎn)品的性能更加優(yōu)越。

二、全生命周期設計的基本概念

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)品市場需求的形成、產(chǎn)品規(guī)劃、設計）、生產(chǎn)期（材料選擇制備、產(chǎn)品制造、裝配）、儲運銷售期（存儲、包裝、運輸、銷售、安裝調試）、服役期（產(chǎn)品運行、檢修、待工）和轉化再生期（產(chǎn)品報廢、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)品報廢不再使用的一段區(qū)間，僅是全生命周期內服役期的一部分。由于傳統(tǒng)的產(chǎn)品功能和性能主要在服役期實現(xiàn)，傳統(tǒng)設計主要為產(chǎn)品的運行功能設計和產(chǎn)品的使用壽命以及近年來日益重視的產(chǎn)品自然壽命設計。

基于產(chǎn)品的社會效應，全生命周期包括對產(chǎn)品的社會需求的形成，產(chǎn)品的設計、試驗、定型，產(chǎn)品的制造、使用、維修以及達到其經(jīng)濟使用壽命之后的回收利用和再生產(chǎn)的整個閉環(huán)周期。機械的全生命周期涵蓋全壽命期，全壽命期涵蓋經(jīng)濟使用壽命和安全使用壽命。、作為全生命周期的一個重要轉折點，產(chǎn)品報廢一般有3種判據(jù)：功能失效、安全失效、經(jīng)濟失效。

2、全生命周期設計

所謂全生命周期設計，就是面向產(chǎn)品全生命周期全過程的設計，要考慮從產(chǎn)品的社會需求分析、產(chǎn)品概念的形成、知識及技術資源的調研、成本價格分析、詳細機械設計、制造、裝配、使用壽命、安全保障與維修計劃，直至產(chǎn)品報廢與回收、再生利用的全過程，全面優(yōu)化產(chǎn)品的功能/性能（F）、生產(chǎn)效率（T）、品質/質量（Q）、經(jīng)濟性（c）、環(huán)保性（E）和能源/資源利用率（R）等目標函數(shù)，求得其最佳平衡點。圖1全生命周期與全壽命期

3、全生命周期設計的目的

全生命周期設計的主要目的可以歸結為3個：

①在設計階段盡可能預見產(chǎn)品全生命期的各個環(huán)節(jié)的問題，并在設計階段加以解決或設計好解決的途徑?，F(xiàn)代產(chǎn)品日趨復雜、龐大和昂貴，其中的知識含量也與日俱增，一旦出現(xiàn)問題僅靠用戶的經(jīng)驗和技能很難有效解決和保障設備的有效運行。

②在設計階段對產(chǎn)品全生命周期的所有郭萬林：機械產(chǎn)品全生命周期設計費用（包括維修費用、停機損失和報廢處理費用）、資源消耗和環(huán)境代價進行整體分析規(guī)劃，最大程度地提高產(chǎn)品的整體經(jīng)濟性和市場競爭力。

③在設計階段對從選材、制造、維修、零部件更換、安全保障直到產(chǎn)品報廢、回收、再利用或降解處理的全過程對自然資源和環(huán)境的影響進行分析預測和優(yōu)化，以積極有效的利用和保護資源、保護環(huán)境、創(chuàng)造好的人一機環(huán)境，保持人類社會生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

三、全生命周期設計的發(fā)展

1、國內外發(fā)展現(xiàn)狀

由于市場競爭的日益激烈，人們開始認識到有效利用企業(yè)資源的重要性。發(fā)達國家從1968年就提出：應該設計出能一次生產(chǎn)成功的產(chǎn)品，以有效利用生產(chǎn)資源，獲得最大的效益。

美國總統(tǒng)防務咨詢委員會早在1986年就向總統(tǒng)報告：“武器系統(tǒng)的開發(fā)周期太長，生產(chǎn)費用太高，且使用效果不盡人意?！睘榇?，美國國防部指示防御分析研究所對相關的全壽命周期設計及其用于武器系統(tǒng)的可行性進行研究。

于1988年10月提交了題為“并行工程在武器系統(tǒng)采購中的作用”的研究報告，建立了并行工程研究中心（CERC）。它致力于并行工程的設計、開發(fā)和促進技術以及相應的實踐和標準工作。現(xiàn)在該中心的技術已在全國范圍內得到了廣泛的應用。美國國防部在軍工生產(chǎn)中也在向全壽命周期設計方向發(fā)展，其武器系統(tǒng)的試驗項目、全規(guī)模開發(fā)項目及生產(chǎn)項目都采用了這種方法，與此同時，很我支持全壽命周期設計的工具軟件也在研制和開發(fā)中。

通過“九五”攻關和國家863項目的組織實施，我國在CAD/CAM、并行工程、工程廣義優(yōu)化和全壽命周期設計技術方面有了較好的基礎，浙江大學、華中理工大學、清華大學、北京航空航天大學、上海交通大學和其他院校相繼開展了并行優(yōu)化、并行工程技術的研究工作。早在1991年，這些院校已經(jīng)開始認識到開展并行工程技術研究的重要性。近年來，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。

2、發(fā)展趨勢

從產(chǎn)品的全壽命周期設計的發(fā)展過程來看，它的發(fā)展肯定是從簡單到復雜、從小領域發(fā)展到大領域。美國的DEC公司的專家提出了建立并行工程自動化環(huán)境的幾個階段，應用于全壽命周期設計也同樣適用：內部可操作工具及任務；內部可操作計算環(huán)境；產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理；過程管理和決策支持。

發(fā)展第一階段僅限于實現(xiàn)單個任務內部的集成；第二、第三階段可實現(xiàn)任務之間的集成；第四階段實現(xiàn)全過程的集成；第五階段為高級階段，可根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品要求及歷史經(jīng)驗，給各級管理者和設計者提供決策支持。

美國的全壽命周期設計發(fā)展很快，已形成了多層次的集民軟件框架產(chǎn)品，當前正致力于開發(fā)過程軟件框架。在設計自動化方面，電子設計自動化進展得較快，設計工具正從CAX向DFX（DesignforX）方向發(fā)展，并已較完整。機械設計自動化，由于產(chǎn)品本身復雜，正在不斷完善，基于STEP的標準發(fā)展較迅速，已經(jīng)從CAD擴展到全過程，并正在發(fā)展中。

無疑，當前中國應當走這條路，并完全可以跳過第一階段，而以第二、第三階段為基礎，主攻第四階段，在今后10年中，要盡量向第五階段發(fā)展。當然，這需要軟件方面的大力支持。

四、全生命周期設計的主要內容

全生命周期設計實際上是面向全生命周期所有環(huán)節(jié)、所有方面的設計。圖2為全生命周期設計所面向的全過程。其中每一個面向都需要專門的知識、技術做支撐，這種技術采用專家系統(tǒng)、分析系統(tǒng)或仿真系統(tǒng)等智能方法來評判概念設計與詳細設計滿足全生命周期不同方面需求的程度，發(fā)現(xiàn)所存在的問題提出改進方案。但是，全生命周期設計不是簡單的面向設計（DFx），而是多學科、多技術在人類生產(chǎn)、社會發(fā)展、與自然界共存等多層次上的融合，所涉及的問題十分廣博、深遠。

1、面向材料及其加工成形工藝的設計

在全生命周期設計中，材料的選擇應考慮的因素如下：

材料的產(chǎn)品性能主要考慮滿足產(chǎn)品本身功能、性能、質量設計的有關材料性能。包括材料的常規(guī)機械性能、疲勞斷裂性能、抗復雜環(huán)境侵蝕的性能，對特殊機電產(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。這些材料性能指標往往受當前材料科學的發(fā)展局限，設計選材時必須清楚地認識材料的各種特性。

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

材料的加工性能。在設計階段考慮材料的可加工性可以提高產(chǎn)品經(jīng)濟性、減少能耗和制造過程的不利副產(chǎn)品。例如，使用粉末冶金成形技術制造齒輪等外形復雜、加工精度要求高的部件，在強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。

材料的價格性能比材料的價格性能比是制約設計選材的了個重要因素。但在全生命周期設計中不能單純看待材料價格，而應當全面分析材料的使用效能。

針對材料的產(chǎn)品設計在設計中，材料的選擇和結構細節(jié)設計是一種互動關系。當材料性能難以滿足產(chǎn)品性能或壽命要求時必須改進設計。此外，工程材料往往是各向異性的，因此結合使用材料時的取向和產(chǎn)品力學分析使材料性能得以最優(yōu)發(fā)揮也是設計選材的重要因素。

2、面向功能的設計

產(chǎn)品功能和性能設計一直是機械設計的核心L2J，也貫穿全生命周期設計的所有環(huán)節(jié)。與傳統(tǒng)的設計相比，現(xiàn)代產(chǎn)品具有一系列新的特征。

產(chǎn)品功能和性能的開發(fā)和提高依賴于相關多學科的發(fā)展和技術突破，同時也受市場需求的推動。模塊化和標準化已被證明是保證產(chǎn)品高性能、低成本和短的開發(fā)生產(chǎn)周期的有效方式。

但隨人類生活水平的提高，對產(chǎn)品多樣性和個性化的要求日益突出。在全生命周期設計中如何將模塊化和標準化要求與多樣化和個性化要求相協(xié)調統(tǒng)一是爭奪市場的重要問題，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)揮模塊化和標準化的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的表現(xiàn)形式、外部結構等方面盡量滿足多樣化和個性化的市場要求。

例如汽車的設計，在引摯和驅動裝置方面應注重功能和標準化，但車的外形和車內布局則要多樣化和個性化。又如分體式空調的室外機（主機）和室內機，手表的功能與外形等。

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

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

借助計算機仿真和計算試驗技術，可以在設計階段考察、改進產(chǎn)品的功能和性能。產(chǎn)品的功能與材料、結構、工藝、質量等是一種互動關系。

五、結束語

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

參考文獻：

[1]師漢民，易傳云.人間巧藝奪天工——當代先進制造技術.武漢：華中理工大學出版社，2000：1819

[2]謝友柏.產(chǎn)品的性能特征與現(xiàn)代設計中國機械工程，2010，11

[3]高鎮(zhèn)同，熊俊江疲勞/斷裂可靠性研究現(xiàn)狀與展望.機械強度，2010