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1、机械产品全生命周期设计——郭万林文章编号:1004-132Ò(2002)13-1153-06机械产品全生命周期设计郭 万 林 摘要: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。关键词:全生命周期;全寿命;安全保障;机械设计中图分类号:TH122 文献标识码:A郭万林 教授1 全生命周期设计的基本概念1.1 全生
2、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
3、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图1 全生命周期与全寿命期所示,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。析、产品概念的形成、知识及技术资源的调研、成作为全生命周期的一个重要转折点,产品报本价格分析、详细机械设计、制造、装配、使用寿废一般有3种判据:功能失效、安全失效、经济失命、安全保障与维修计划
4、,直至产品报废与回收、效。再生利用的全过程,全面优化产品的功能ö性能1.2 全生命周期设计(F)、生产效率(T)、品质ö质量(Q)、经济性(C)、所谓全生命周期设计,就是面向产品全生命环保性(E)和能源ö资源利用率(R)等目标函数,周期全过程的设计,要考虑从产品的社会需求分求得其最佳平衡点。收稿日期:2000—06—22 修回日期:2001—12—251.3 全生命周期设计的目的基金项目:国家杰出青年基金资助项目;教育部“长江学者”计全生命周期设计的主要目的可以归结为3划资助项目个:①在设计阶段尽可能预见产品
5、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·1153·©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.中国机械工程第13卷第13期2002年7月上半月解决的途径。现代产品日趋复杂、庞大和昂贵,其纳米材料等的特殊性能。这些材料性能指标往往中的知识含量也与日俱增,一旦出现问题仅靠用受当前材料科学的发展局限,设计选材时必须清户的经验和技能很难有效解决和保障设备的有效楚地认识材料的各种特性。运行。②在设计阶段对产品全生命周期的所有
6、费材料的环保性能 绿色材料概念已经形成,用(包括维修费用、停机损失和报废处理费用)、资材料在使用过程中的对环境的影响、废弃后的可源消耗和环境代价进行整体分析规划,最大程度降解性等是全生命周期设计中必须考虑的因素。地提高产品的整体经济性和市场竞争力。③在设材料的加工性能 在设计阶段考虑材料的可计阶段对从选材、制造、维修、零部件更换、安全保加工性可以提高产品经济性、减少能耗和制造过障直到产品报废、回收、再利用或降解处理的全过程的不利副产品。例如,使用粉末冶金成形技术制程对自然资源和环境的影响进行分析预测和优造齿轮等
7、外形复杂、加工精度要求高的部件,在强化,以积极有效的利用和保护资源、保护环境、创度和寿命要求可以满足的情况下能够显著提高工造好的人-机环境,保持人类社会生产的持续稳效、降低成本。定发展。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2 全生命周期设计的主要内容计中不能单纯看待材料价格,而应当全面分析材全生命周期设计实际上是面向全生命周期所料的使用效能。有环节、所有方面的设计。图2为全生命周期设计针对材料的产品设计 在设计中,材料的选所面向的全过程。其中每一个面向都需要专门的择和
8、结构细节设计是一种互动关系。当材料性能知识、技术做支撑,这种技术采用专家系统、分析难以满足产品性能或寿命要求时必须改进设计。系统或仿真系统等智能方法来评判概念设计与详此外,工程材料往往是各向异性的,因此结合使用细设计满足全生命周期不同方面需求的程度,发材料时的取向和产品力学分析使材料性能得以最现所存在的问题提出改进方案。但是,全生命周期优发挥也是设计选材的重要因素。设计不是简单的面向设
