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：AProductLifeCycleDesignMethodOverviewZHANGXiang，HUBing-le,ZHENGJin-feng(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou350002,China)Abstract:Describesthewholebasicconceptoflifecycledesignandcontent,aswellasfulllife-cycleoftherelatedtechnologies.Thedesignoftheproductlife-cycleintegratecontentofmulti-disciplinary,andinvolveanabundanceofemergingdisciplinesandmodernadvancedtechnology.GivingtherelevantrequirementsoftheproductlifecycledesigninthepracticalapplicationKeywords：Fulllifecycledesign;Greendesign;Concurrentdesign;ProductDesign1引言进入廿十一世纪以来，随着全球经济的高速发展，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(GreenDesign)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产品全生命周期设计方法概述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（lifeCycleEngineeringDesign,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，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（QaulityFunctionDevelopmentQFD）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。3.3DFX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DFX设计方法，主要有：面向制造和装配的设计DFMA(Designformanufactureandassembly)、面向拆卸设计DFD(Designfordisassembly)、面向质量设计DFQ(Designforquality)、面向维修性设计DFMa(Designformaintainability)、面向服务设计DFS(Designforserviceability)、面向环境设计DFE(DesignforEnvironment)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、安全产品全生命周期设计方法概述性、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。5全生命周期设计应用实例全生命周期设计在美国、德国、日本等一些国家中已得到广泛应用，其领域包括汽车、飞机、计算机、机械、电子等行业。精益生产在汽车工业中的应用是从应时制造开始的。其应用的典范是70年代的日本丰田汽车公司，当时被企业界称为“丰田制造系统”，该方式后为许多汽车公司所采用，取得了良好的效果。到了80年代中期，以时间配合和协调为手段的并行工程在汽车产品的设计、开发、制造工艺、质量控制以及销售等环节的应用，大大提高生产效率，降低成本，改善质量。像美国克莱斯勒公司的“自由产品规划”，通用汽车公司的“土星规划”，福特公司的“阿尔法规划”，都是全生命周期设计的典型应用[27-30]。5结束语产品全生命周期设计方法概述产品全生命周期设计是产品设计理念与模式的变革，可以较大的缩短开发设计周期，提高产品质量、降低产品生命周期内的综合成本，有利于我们国家的可持续发展的建设，能使人类更好地与环境相处，而且对提高地区及国家的竞争力有重要意义。参考文献：[1]杨为民．可靠性-维修性·保障性总论[M]．北京国防工业出