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 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。
2.2、面向制造与装配的设计
在设计阶段利用计算机辅助工程(CAE)方法对制造过程进行模拟分析, 改进设计以简化加工制造工艺、简化模具和夹具设计、充分利用标准件等。设计中一些小的改进往往会在很大程度上方便制造、降低制造
2 成本、缩短制造周期。
例如, 在冲压成形制造中, 如能够在设计阶段利用大变形接触问题的有限元软件对成形过程进行模拟分析并优化设计, 会避免许多设计缺陷和由此导致的制造困难, 提高成品率和生产效率。
复合材料结构的制造与设计联系更为密切。复合材料本身既是材料又是结构, 材料的复合制造与结构制造常常同时进行。在设计阶段就需对材料组分、铺层方式、成形工艺等进行分析并提出明确要求。
制造技术发展到今天已形成门类齐全的制造工艺。与现代信息技术、计算机技术、控制技术、人工智能等相结合, 制造技术已由传统的制造技术发展到先进制造技术。机械的设计应充分与各种制造工艺和制造技术相协调, 才能发挥各种制造技术的长处, 方便制造并提高工效。对大批量的生产, 设计的部件应能适应生产线流水作业制造。
方便装配是全生命周期设计必须考虑的又一重要因素。装配方式、装配强度、装配工艺应在设计阶段确定, 以避免装配过程的困难或临时改动对产品完整性的破坏。
2.3、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, 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, 见图3。
图3 现代产品全生命周期特征
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。
2.4、安全使用寿命设计
产品的安全使用寿命是产品价值的重要体现。在设计阶段对产品安全使用寿命进行设计的基础是对产品使用寿命和可能破坏的准确分析预测。目前产品结构的使用寿命预测主要有基于疲劳力学的安全寿命方法和基于断裂力学的损伤容限耐久性方法。对规定可靠度下产品结构的安全使用寿命的确定见图4。
(a) 产品寿命与破坏概率 (b) 损伤尺寸与寿命
图4 产品安全使用寿命期
对机电产品, 除了机械疲劳破坏外, 电致电子元件的疲劳、控制开关的电接触疲劳、运动部件的磨损、腐蚀环境中部件的剥蚀等都对产品的安全使用寿命构成影响。此时, 只要将损伤理解为广义损伤, 寿命理解为疲劳循环、接触次数、腐蚀时间等广义寿命, 仍可以沿用图4 的安全使用寿命概念。
在安全使用寿命设计中, 除了寿命分析和预测方法外, 材料的选择和材料客观性能指标的试验测定、对制造和加工工艺质量的评估、载荷谱和环境谱的编制等都具有重要影响。
2.5、经济寿命设计
经济寿命设计的目的是在安全寿命预测的基础上, 通过制定合理的检测、维修、更换零部件、再制造等计划, 保障设备运行的经济性。根据经济寿命设计原则, 易损零部件应设计为可更换部分, 不可更换的主体或高值部件应按等寿命原则设计,一些关键的安全薄弱环节应设计为可检测和便于维修的。
2.6、安全可监测性设计
机械结构的疲劳断裂破坏是机械失效最主要的方式。疲劳破坏的危险性表现在达到疲劳寿命时无明显先兆(显著变形或显著的动力学性能变化) 结构就会突然断裂解体。目前工程界对一些重要设备采用对运行全过程进行实时监测并对信号进行各种分析处理以便诊断出早期故障。损伤容限设计则采用高韧性的材料以使结构对较小的、难于发现的损伤具有容忍性。安全可监测性设计要求重要的机械设备能够容忍运行监测和可能采用的损伤诊断技术所无法判定的损伤。当损伤已发展到危及安全之前, 可以可靠地由计划使用的检查、监测手段发现。否则, 结构就应设计成不可监测的类型。
例如, 大型发电机组主轴的断裂往往导致重大事故。但停机拆检会造成大的经济损失。因此对大型发电机组一般实施连续状态监测以避免恶性事故。然而当主轴出现裂纹时, 以动力学为基础的故障诊断方法目前尚很难明确判别小于轴直径四分之一的裂纹。如果在运行负荷下轴的临界断裂尺寸小于四分之一轴直径, 那么这种监测诊断对避免主轴断裂事故就没有任何意义。因此, 在设定的监测诊断技术水平下, 机械设备的安全可监测性在设计阶段就决定了。当然, 损伤监测诊断技术在不断的发展, 进行安全可监测性设计应掌握这方面的发展动态。
2.7、面向资源环境的设计
选材 材料选择应考虑资源问题, 在能利用可再生资源的情况下尽量使用可再生资源的材料。合理利用回收再生的材料, 促进材料再利用。
节能 设计中考虑的节能概念包括通过合理的材料选择和工艺设计降低制造加工过程的能耗、通过创新设计和采用先进技术降低设备服役运行中的能耗、选择合适的能源品种、设计好设备的拆卸性, 降低报废后材料和部件回收或再生产的能耗。
环保 全生命周期设计中环保概念应贯彻始终。包括选择环保材料, 设计有利于环保的制造方式和工艺, 控制设备使用过程的有害物产生和排放, 采用先进的动力学设计的制造工艺控制噪音污染、合理设计降低电磁污染, 等等。
全生命周期设计中环境保护的主要方面有: 环境的化学污染、废弃物污染、噪声污染、大气污染、大气层温室效应、辐射污染、电磁污染等的控制。
人机效应 改善设备使用人员的工作环境,创造宜人的人机交互界面, 提高工作效率和质量、降低事故发生率。
2.8、事故- 安全设计
任何设施和设备在使用过程中总有出现事故的可能性。在全生命周期设计中一方面应优化设计降低安全使用寿命内事故的发生概率和人致错误的几率, 另一方面针对具体的系统实行事故-安全设计, 以避免恶性事故的发生或降低其危害程度。以事例说明如下:
4 随着经济的发展, 小汽车越来越成为普遍的交通工具, 但交通事故也随之急剧上升。在设计时就考虑事故- 安全性, 通过有限元分析模拟优化设计可以显著提高车辆在撞车时抵抗破坏的能力, 保障人身安全。在竞争日益激烈的汽车领域,许多公司已经采用事故- 安全设计来提高市场竞争力。
随着现代能源的发展, 高压输气管道在人类生存和社会发展中起着重要作用。然而高压管道的破裂事故时常发生, 并且一个点的破坏总是引起数百米甚至几千米的爆破, 造成惨重的损失。如何将爆破控制在最小范围就成为事故- 安全设计要求的又一典型事例。
高压容器设计中的爆破前泄漏(Leak-Before-Break, 简记为LBB)设计方法也是一种典型的事故- 安全设计思想。
因此, 事故- 安全设计与损伤容限设计有同样的指导思想。
3、全生命周期优化设计
相对于传统的局部优化、单一性能优化和仅对细节结构设计过程的优化设计思想, 全生命周期优化设计顾名思义应是一种机械系统全局的、面向全部性能和全生命周期过程的广义优化设计。
进行全生命周期优化是一个需要多学科知识的融合的复杂决策过程。数值分析、工程预测、虚拟仿真以及试样和模型试验等是优化设计常用的方法。由于涉及的因素太多, 优化目标相互交织、相互制约甚至相互矛盾, 对产品进行设计方案的全生命周期优化是十分困难的, 严格的数学寻优很难实现。因此除了采用更为先进的优化方法或融合多种优化算法的特点于一体外, 更为重要的是按照图3所列的现代产品的特征进行多约束决策。
例如, 对等寿命设计目标, 考虑到经济维修性只需要将不可维修和更换的部分按等寿命进行优化设计, 可维修更换的部分由经济性设计目标来要求。
模块化、标准化、集成化等使得产品的全局优化可以变为粗线条的子结构化。例如计算机的整机优化可以变为如何更合理地配置电源、CPU、主板、硬盘、内存等满足不同客户的个性化要求。而芯片、硬盘由国际上各专业厂家的产品提供有限种选择。子结构化了的产品的全生命周期优化设计变得十分简洁明了。采用知识共享、分工合作, 子结构化的产品设计还可以促进快速的产品创新。在子结构化产品设计中, 下一级子结构是上一级结构的组件, 其性能、价格等指标可以作为上一级结构优化设计的初始变量。相应的, 上一级结构优化的结果就是下一级子结构的优化目标。依次形成层层关联的优化分层优化决策。子结构的划分应依据产品功能、生产工艺和相关子领域产品的模块化、标准化、集成化情况, 基于相关知识和丰富的信息进行。
图5 产品子结构分级优化设计
4、全寿命周期的安全保障设计
在设备的设计安全使用寿命期间, 设备的运行安全是由一定的可靠性要求来描述的。一方面一定的可靠性下仍然存在破坏的可能, 另一方面可靠性的提高是以更保守的设计安全使用寿命为代价的。还有一个更为重要的问题是, 产品设计所基于的物理模型中有许多影响因素, 其间的关系无论以理论分析、数值分析抑或试验方法都难于确定。因此仅通过安全性设计和可靠性设计是不能杜绝事故发生的。
现代智能材料与结构技术、测控技术、微电子技术、信息处理技术、结构健康诊断技术以及设备的故障诊断技术的发展为机械系统全寿命期安全保障设计提供了基础。系统的安全保障体系是采用分布于系统或结构内的传感系统感知系统出现故障或危险时的异常的信息, 如局部大的变形、动力学参量的变化等, 预报可能出现的危险, 由安全保障系统自动作用制止事故的发生或通过人-机系统制止事故的发生。
除了传统的感知元件如应变片、动力学传感器外, 智能材料如压电陶瓷、铁电体、形状记忆合金、光纤维等作为感知元件和作动元件的研究应用日益广泛。尤其是将这些传感和作动元件埋入复合材料结构从而制成智能结构, 不仅可以自感知损伤和不良振动, 而且可以自修复损伤、自抑制振动等, 从而实现安全保障和控制。这类智能结构是非常昂贵的, 在一般产品的设计中不便使用。
全寿命安全保障设计的另一类方法是将结构损伤容限设计与故障诊断技术融合, 在安全分析指导下进行设备运行状态的监测设计。
5、全生命周期设计的前沿问题
全生命周期设计基于知识对产品全生命期的所有关键环节进行分析预测或模拟仿真, 将功能、安全
5 性、使用寿命、经济性、可持续发展性等方面的问题在设计阶段就予以解决或设计好解决的方式方法, 是现代机械设计的必然发展方向。但是因涉及的学科、知识、技术和思想观念十分庞杂, 目前对全生命周期设计仍处于见仁见智的阶段, 有许多前沿问题需要研究解决。
(1) 知识库、数据库和知识共享 面向全生命周期的设计必须建立在现代最先进的知识平台之上。建立面向全生命周期各阶段设计的知识库、数据库并通过各种方式共享知识是实现全生命周期设计的重要基础。同时, 如何通过网络实现知识共享是现代机械设计面临的紧迫问题。
(2) 计算模拟和仿真技术 对初始设计进行制造和装配工艺的仿真、动力学仿真、运行过程仿真等是发现设计问题, 改进设计方案从而实现设计优化的最经济省时的有效途径。采用计算机虚拟试验替代实物试验是机械设计发展的必然方向。对全生命周期机械行为和社会环境影响进行计算模拟和仿真能力实际上是实现全生命周期设计的技术保障。
(3) 经济性全局分析与评价体系 实现全生命周期经济性的优化是全生命周期设计的重要目的之一, 也是指导全生命周期设计的指标。除了产品本身的成本和使用的经济性, 全生命周期设计还须综合产品的终生维修服务费用、能源和资源的消耗、对环境影响的代价等复杂因素进行全面分析, 作出全局最优的方案选择。
(4) 全寿命分析与等寿命设计 产品的设计寿命和经济使用寿命是传统机械设计的指标, 也是产品全寿命周期的主要有效组成部分。对一些大型、复杂、造价很高的设备, 保证一定期限的日历寿命是实现产品全寿命周期高经济性的重要因素甚至决定性因素。日历寿命的预测与设计是目前需要重点解决的课题。
(5) 全寿命期的安全监测与保障 尽管有损伤容限与耐久性设计方法和可靠性分析方法, 建立有效、经济的全寿命期的安全检测与保障体系越来越迫切。智能材料结构、现代测试技术、计算与信息处理技术、微机电技术和分析模拟技术的发展已为安全监测与保障体系的建立提供了良好的知识平台。同时面向全寿命期的后勤服务保障也日益科学化。
(6) 维修和再制造工程 如何在设计阶段制定面向全生命周期的经济安全便利的产品维修服务方案, 并在产品的设计中尽可能保证使用维护的经济性, 对提高产品的竞争力十分重要。
(7) 知识集成与全面设计优化 不同于传统的机械设计, 全生命周期设计必须面向产品开发、使用、维护、报废及其后的处理全过程的经济性、人机协和性、环境影响、资源的有效使用等众多目标进行全面优化, 设计多学科的知识集成和应用。
