机械产品全生命周期设计方法概述.docx

1、机械产品全生命周期设计方法概述机械产品全生命周期设计方法概述产品全生命周期设计方法概述张翔 胡冰乐 郑金凤(福建农林大学 机电工程学院，福建 福州 350002)摘要：介绍全生命周期设计的基本概念及其内容，还有全生命周期的相关技术。产品的全生命周期设计融合多学科的内容, 并涉及许多新兴学科和现代先进技术。给出了产品全生命周期设计实际应用中的相关要求。关键词：全生命周期设计;绿色设计;并行设计；产品设计中图分类号：TH122 文献标识码：AProduct Life Cycle Design Method OverviewZHANG Xiang，HU Bing-le, ZHENG Jin-feng

2、(College of Mechanical and Electronic Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)Abstract: Describes the whole basic concept of life cycle design and content, as well as full life-cycle of the related technologies. The design of the product life-cycle integrate con

3、tent of multi-disciplinary, and involve an abundance of emerging disciplines and modern advanced technology. Giving the relevant requirements of the product life cycle design in the practical applicationKey words：Full life cycle design; Green design;Concurrent design; Product Design1 引言进入廿十一世纪以来，随着全

4、球经济的高速发展，人类在消耗自然资源、生产制造大量产品的同时，又在不断地加剧生态环境的恶化，地球日渐变暖、大气严重污染、陆地逐渐减少、水土大量流失、耕地瞬间沙化。我们人类正以自己的聪明才智，加速毁坏自身的家园，大自然在不断为人类提供丰富资源的同时，也带来了连年不断的灾难！以上这些人类共同面临的窘境，已引起世界上许多国家的高度重视，一股以保护环境、保护有限资源、保护人类 健康为目标的绿色浪潮，正在全球兴起。在这绿色浪潮的带动下，相应的绿色产品的开发与设计方法也成为工业设计师们所关注的焦点1-3。绿色设计(Green Design)是20世纪80末出现的一股国际设计潮流。绿色设计反映了人们对于现代

5、科技文化所引起的环境及生态破坏的反思，同时也体现了设计师道德和社会责任心的回归。另外，现代产品或设备日趋复杂、庞大和昂贵，单靠用户经验和技能已很难保证它们正常工作，而由于故障所造成的损失也往往大到用户所不能承受的程度。日前，制造业正在“以产品为中心” 的生产模式向“以用户为中心”的模式转变。必须体现一种全方位为顾客、为社会服务的精神。制造业对于环境保护的责任越来越大，因此，企业在其产品的设计阶段就必须充分考虑产品在使用过程中和报废时对生态环境的影响。因此，今天的设计者必须考虑到他所设计的产品从方案论证到设计开发、零件制造、装配、销售、 使用、 售后服务直到报废回收的各个阶段所可能出现的各种问题

6、及其解决方法。也就是说， 今天的设计工作必须对所设计的产品“ 负责一辈子”。 绿色设计也就是产品的全生命周期设计，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4-12。但是，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

7、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

8、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 产品全生命周期设计内容2.1 产品全生命周期设计的目标产品生命周期设计（life Cycle Engineering Design,LCED）从并行工程思想发展而来13-18，他的目标是产品对社会的贡献最大，而危害和成本达到最小。而从其他领域，比如制造领域，是产品从自然中来到自然中去的全部过程，“从摇篮到坟墓”的整个生命周期各个阶段的总和，包括了产品从自然中获得的最初资源，能源，

9、原材料经过开采、冶炼、加工等过程，直至产品报废或处理，从而构成一个物质循环的生命周期。产品全生命周期包括产品的价值的设计方法，它要求达到产品所需的全部功能，还有其可生产性、可装配性、可测试性、可维修性、可运输行、可循环利用性和环境友好性。2.2 产品全生命周期设计的主要内容全生命周期设计的主要内容是可靠性、维修性、保障性、测试性和安全性。可靠性是指产品在规定的条件下和规定的使用期限内， 发生故障或失效的概率。故障或失效有不同的后果 研究可靠性就是为了，预防或消除故障及其后果。维修性是指产品在发生故障时， 排除故障恢复功能的难易程度。衡量维修性最主要的是完成维修的时间和概率。保障性是指为了使产品

10、正常运行所需人力、物力的复杂程度和苛刻性。在产品设计时，应综合考虑各类保障的问题， 提出保障要求，制定保障方案， 以便在产品使用阶段以最低费用提供所需的保障资源。测试性是能通过测试了解系统自身状态的可能性和难易程度。安全性是指产品在规定条件下不发生事故的能力。全生命周期设计强调在设计阶段必须考虑安全性，以保证在以后的试验、生产、运输、储存。使用直到报废阶段对操作人员、 产品本身和环境都是安全的。 3产品全生命周期设计的方法3.1 质量功能部署（QFD）质量功能部署（Qaulity Function Development QFD）是将用户的需求转变成”质量特性”， 并利用系统方法设计出最终满足

11、质量要的产品的一种设计方法学。可以在产品概念设计阶段利用QFD充分考虑产品的环境质量需求,使设计的产品在满足必需的功能时具有良好的环境特性。3.2 材料选择设计传统产品设计时,设计者在进行材料选择时,往往选用高性能或多用途的材料,忽视了材料与环境的关系,而全生命周期设计将环境因素融入到材料选择，考虑的主要因素有材料的产品性能、材料的环保性能、材料的加工性能、材料的性价比以及材料的可获性等。3.3 DFX技术一 面向产品生命周期的设计技术产品生命周期设计的概念八十年代 一 经提出，立刻引起了国内外研究者的广泛兴趣，提出了许多 D F X设计方法，主要有：面向制造和装配的设计 DFMA( Desi

12、gn for manufacture and assembly) 、面向拆卸设计DFD(Design for disassembly)、面向质量设计DFQ( Design for quality) 、面向维修性设计DFMa(Design for maintainability)、面向服务设计 DFS( Design for serviceability) 、 面向环境设计DFE( Design for Environment) 等等。这些方法体现了面向产品生命周期的思想，分别考虑了产品生命周期中的各种因素，它们不仅是一种设计方法，而且是一种哲理、手 段和工具，并不直接 产生设计方案，但 DFX

13、的应用可以使设计人员在设计的早期阶段尤其是概念设计阶 段，就考虑影响产 品竞争力的各种价值因素。这些价值因素包括产品的可制造性、可装配性、可测试性、可维修性、可 回收性和环境友好性等19-26。4全生命周期设计的环境全生命周期设计是基于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,全生命周期设计要求要有一个好的设计环境。(1)知识库、数据库和知识共享。全生命周期的设计必须建立起各个部门可以互相沟通交流的网络。建立

14、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。(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

15、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

16、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1 杨为民可靠性- 维修性 保障性总论 M北京国防工业出舨社，199510 2 师汉民面向产品全生命周期的设计J中国机械工程，1998(12)：1 23 罗云设备寿命周期费用方法及应用 M北京：海洋出版社，19924 甘茂治等维修性设计与验证M北京：国防工业出舨社，19955 傅洁，蔡建国面向拆卸与回收设计软件模块的开发J中国机械工程，2000，(9)：9 8 3 9 8 76 江吉彬，林巨广，刘志峰等面向生命周期的绿色产品集成模型

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18、 舒启林 ， 郝平 ， 王德俊 基于产品可装配性评价的 C A DD F A集成系统的研究与实现 J 东北大学学报( 自然科学版)，2002,(4)：38739013 胡迪青，胡军军，胡于进支持面向装配和面向拆卸设计的CAD系统J中国机械工程，2000，11(9)：1001100614 傅洁，蔡建国面向拆卸与回收设计软件模块的开发J中国机械工程，2000，(9)：983 98715 汤军社，秦现生，彭炎午产品生命周期集成技术研究现状及发展趋势J制造业自动化，2001，( 8 )：1416 江吉彬，林巨广，刘志峰面向生命周期的绿色产品集成模型的研究J机械设计，2002(5)：4617 赵韩，柯尊

19、忠，陈科面向机械产品全生命周期的广义优化设计集成系统 J 机械工程学报，1997，(4)：16 18 曹华军，陈晓慧，刘飞产品生命周期评估的体系结构及其与绿色制造的集成关系J航空工程与维修, 2000(6)： 101219 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，2000：181920 谢友柏产品的性能特征与现代设计中国机械工程， 2000，11(1-2)： 26 31 21 高镇同，熊俊江疲劳/断裂可靠性研究现状与展望机械强度，1995，3(17)：61 7822 屈梁生，张海军 机械诊断中的几个基本问题中国机械工程， 2000，111-2)：211 2162

20、3 冯培恩，邱清盈，潘双夏机械广义优化设计的理论框架中国机械工程，2000，11(1-2)：12612924 黄尚廉智能材料系统与结构工程构造安全监控的一条崭新思路世界科技研究与发展，1996,6(3) 61 6425 陶宝琪智能材料结构北京：国防工业出版社，1997：1 3026 杨叔子，吴波，胡春华网络化制造与企业集成中国机械工程，2000，11(1- 2)：45 4827 徐滨士，马世宁，刘世参21 世纪的再制造工程中国机械工程，2000，11(1- 2)：36 3828 李爱平基于知识面向环境的产品全生命周期模型J中国机械工程,2003，14(4)：295-29929 陆长明面向全生命周期的绿色产品设计J轻工机械，2006，24(4)：4-730李功法，孔建益，杨金堂，等机电产品的绿色设计与制造及其发展趋势J机械设计与制造，2006(6)：70-73