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机械产品全生命周期设计

2020-06-27王剑 张延朋 刘延平

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本文首先对全生命周期设计相关内容做了概述,分析了产品设计的总体结构方案、功能结构方案分析,并结合相关实践经验,分别从面向材料及其加工成形工艺的设计等多个角度,就机械产品全生命周期设计展开了研究,阐述了个人对此项工作的几点看法与认识。

1 前言

    作为一项实际要求较高的设计工作,机械产品全生命周期的设计有着其自身的特殊性。该项课题的研究,将会更好地提升对机械产品全生命周期设计的分析与掌控力度,从而通过合理化的措施与途径,进一步优化该项工作的最终整体效果。

2 全生命周期设计概述

    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。

3 产品设计的总体结构方案、功能结构方案分析

    3.1 总体结构方案分析

    产品的总体设计方案非常重要,它能否满足用户、企业及社会对该产品的功能需求。要从总体上检验产品对总体目标的实现情况,检验该产品在设计过程中是否贯彻产品设计目标。最重要的是是否贯彻自主创新的思想与设计理念,采取的方案能不能保证用户、企业及社会对产品的质量需求,采取措施去降低产品制造成本、缩短产品生产周期、贯彻绿色设计的思想、售后服务及产品的再制造问题。

    3.2 主要功能与辅助功能结构方案的正确性与合理性分析

    关系到产品质量能不能保证、用户需求有没有满足的根本性问题,也是从原理上检验产品的主要功能与辅助功有没有到具体的实现,检验产品功能优化设计中的技术目标、技术内容的实现状况。要从原理上检验采用结构方案对实现功能的可能性,要检验采取方案的正确性和合理性。

    3.3 三种机构和三大性能的合理性分析

    两种功能是通过具体的机构实现的,要检验驱动机构、传动机构和工作机构对实现产品主辅功能及三大性能,即结构性能、使用性能和制造性能的状况,检验工作特点、优点和存在的不足、及可能出现的问题。从机械产品设计角度检验技术文件、资料的完整性、正确性、规范性和合理性等。

4 机械产品全生命周期设计探讨

    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。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。

    4.1 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。

    4.2 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。

5 结束语

    综上所述,加强对机械产品全生命周期设计的研究分析,对于其良好设计效果的取得有着十分重要的意义,因此在今后的全生命周期设计过程中,应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度,并注重其具体设计实施方案的科学性。

责任编辑:程玥
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