机械产品全生命周期设计

【摘 要】本文首先介绍了全生命周期设计的基本概念，然后介绍了全生命周期设计的发展，最后介绍了全生命周期设计的主要内容。

【关键词】机械产品；全生命周期；设计

一、前言

机械产品的全生命周期设计是多学科融合的综合科学，并涉茂许多新兴学科和现代先进技术。全生命周期的设计会使产品的性能更加优越。

二、全生命周期设计的基本概念

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。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。

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/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。图1全生命周期与全寿命期

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郭万林：机械产品全生命周期设计费用（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、创造好的人一机环境，保持人类社会生产的持续稳定发展。

三、全生命周期设计的发展

1、国内外发展现状

由于市场竞争的日益激烈，人们开始认识到有效利用企业资源的重要性。发达国家从1968年就提出：应该设计出能一次生产成功的产品，以有效利用生产资源，获得最大的效益。

美国总统防务咨询委员会早在1986年就向总统报告：“武器系统的开发周期太长，生产费用太高，且使用效果不尽人意。”为此，美国国防部指示防御分析研究所对相关的全寿命周期设计及其用于武器系统的可行性进行研究。

于1988年10月提交了题为“并行工程在武器系统采购中的作用”的研究报告，建立了并行工程研究中心（CERC）。它致力于并行工程的设计、开发和促进技术以及相应的实践和标准工作。现在该中心的技术已在全国范围内得到了广泛的应用。美国国防部在军工生产中也在向全寿命周期设计方向发展，其武器系统的试验项目、全规模开发项目及生产项目都采用了这种方法，与此同时，很我支持全寿命周期设计的工具软件也在研制和开发中。

通过“九五”攻关和国家863项目的组织实施，我国在CAD/CAM、并行工程、工程广义优化和全寿命周期设计技术方面有了较好的基础，浙江大学、华中理工大学、清华大学、北京航空航天大学、上海交通大学和其他院校相继开展了并行优化、并行工程技术的研究工作。早在1991年，这些院校已经开始认识到开展并行工程技术研究的重要性。近年来，他们一直致力于并行工程环境的研制工作，并取得了显著的成绩。

2、发展趋势

从产品的全寿命周期设计的发展过程来看，它的发展肯定是从简单到复杂、从小领域发展到大领域。美国的DEC公司的专家提出了建立并行工程自动化环境的几个阶段，应用于全寿命周期设计也同样适用：内部可操作工具及任务；内部可操作计算环境；产品数据管理；过程管理和决策支持。

发展第一阶段仅限于实现单个任务内部的集成；第二、第三阶段可实现任务之间的集成；第四阶段实现全过程的集成；第五阶段为高级阶段，可根据现有产品要求及历史经验，给各级管理者和设计者提供决策支持。

美国的全寿命周期设计发展很快，已形成了多层次的集民软件框架产品，当前正致力于开发过程软件框架。在设计自动化方面，电子设计自动化进展得较快，设计工具正从CAX向DFX（DesignforX）方向发展，并已较完整。机械设计自动化，由于产品本身复杂，正在不断完善，基于STEP的标准发展较迅速，已经从CAD扩展到全过程，并正在发展中。

无疑，当前中国应当走这条路，并完全可以跳过第一阶段，而以第二、第三阶段为基础，主攻第四阶段，在今后10年中，要尽量向第五阶段发展。当然，这需要软件方面的大力支持。

四、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。

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/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了个重要因素。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。当材料性能难以满足产品性能或寿命要求时必须改进设计。此外，工程材料往往是各向异性的，因此结合使用材料时的取向和产品力学分析使材料性能得以最优发挥也是设计选材的重要因素。

2、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L2J，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。

产品功能和性能的开发和提高依赖于相关多学科的发展和技术突破，同时也受市场需求的推动。模块化和标准化已被证明是保证产品高性能、低成本和短的开发生产周期的有效方式。

但随人类生活水平的提高，对产品多样性和个性化的要求日益突出。在全生命周期设计中如何将模块化和标准化要求与多样化和个性化要求相协调统一是争夺市场的重要问题，但这并非是难以解决的矛盾。

在产品性能与功能方面，可以充分发挥模块化和标准化的优势，而在产品的表现形式、外部结构等方面尽量满足多样化和个性化的市场要求。

例如汽车的设计，在引挚和驱动装置方面应注重功能和标准化，但车的外形和车内布局则要多样化和个性化。又如分体式空调的室外机（主机）和室内机，手表的功能与外形等。

集成化和微型化往往带来产品性能的变革。而绿色、节能已成为产品品质的组成部分。环保节能型汽车、无氟节能冰箱就是最好的例证。

现代产品除了安全、可靠、美观等性能指标外，智能化、功能重组和自修复等功能是产品创新的重要体现，从大到多功能军用飞机，小到移动电话，现代产品都需要这些创新功能。全生命周期设计更要注重这方面功能的创新。

借助计算机仿真和计算试验技术，可以在设计阶段考察、改进产品的功能和性能。产品的功能与材料、结构、工艺、质量等是一种互动关系。

五、结束语

全寿命周期设计的最重要的特点是它的集成性，要求各部门工作人员分工协作。要想全生命周期的设计更加的完善，合理的分工协作是必不可少的。

参考文献：

[1]师汉民，易传云.人间巧艺夺天工——当代先进制造技术.武汉：华中理工大学出版社，2000：1819

[2]谢友柏.产品的性能特征与现代设计中国机械工程，2010，11

[3]高镇同，熊俊江疲劳/断裂可靠性研究现状与展望.机械强度，2010