全生命周期设计 PPT课件

1,2.4全生命周期设计,2,1.全生命周期的概念,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。,3,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。产品的全生命周期与产品的寿命是不同的概念。,4,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。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。,5,6,2.全生命周期设计的基本观点,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。基本观点：“三全”观点，全系统、全寿命、全费用。,7,2.1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: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。,8,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.,9,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。,10,3.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。其中每一个方面都需要专门的知识、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。,11,12,2.4.3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,13,14,2.4.3面向材料及其加工成形工艺的设计,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。,15,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。,16,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。,17,2.4.4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。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。,18,19,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,20,1）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。,2.4.6面向全生命周期安全的设计,21,2）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。,22,3）事故-安全设计,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,23,2.4.7全生命周期优化设计,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。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。,24,2.4.8全生命周期设计的前沿问题,(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。,25,(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。,26,(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。,27,(4)全寿命分析与等寿命设计,产品的设计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,28,(5)全寿命期安全监测与保障,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。,29,(6)维修和再制造工程,维修和再制造工程如何在设计阶段制定面向全生命