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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