第一篇：從全生命周期考慮建筑節能

從全生命周期考慮建筑節能

近日，中國工程院院士、清華大學教授倪維斗在媒體中指出，建筑節能不僅僅是某個建筑建成后的運行能耗，建筑物的建設本身也要耗費大量的鋼鐵、水泥、鋁、玻璃……這些建材的生產能耗也應該計算在建筑能耗之內，即應該從全生命周期的角度把建房子的能耗攤到建筑能耗內。如果建筑的壽命很短，建成以后常年空置，沒有發揮居住功能，全生命周期的能耗是非常高的。

倪維斗教授這一觀點，為我們審視和開展建筑節能工作提供了更新的角度和更寬闊的視野。近年來，我們將更多的注意力放在建筑物建成后運行的能耗上面，包括節水、節電、節材、外墻外保溫、熱計量改革……而忽視了建筑物全生命周期的能耗問題。建筑物在建設施工過程中要消耗多少水、電、建材？能夠為建筑降耗的各種新產品、新材料本身的生產過程，是否存在能源浪費、污染環境的問題？屢禁不止的短命建筑，又帶來了多少資源的浪費？……這些環節中的能耗問題，雖不是建筑物運行過程中直接產生的能耗，但卻與建筑物有著密切的關系。因此，建筑節能不能僅僅局限于建筑物運行中產生的能耗，而應將建筑物的全生命周期都納入到節能減排的范疇，統籌考慮。

建筑節能工作是一項復雜的系統工程。從全生命周期去考慮建筑節能，似乎讓問題變得更加復雜、事情變得更加龐雜，但是建筑節能作為整個社會節能減排的重要組成部分，絕不能頭痛醫頭、腳痛醫腳。站在全生命周期的高度去思考建筑節能，才能找到問題的根本、癥結所在，才能對癥下藥、標本兼治。

第二篇：全生命周期看有機

全生命周期看有機

有人說，有機農業投入高，產出低，不符合中國國情。雷龍認為從全生命周期來看，有機農業成本更低。他提議全社會一起來算五筆賬：

“有機農業初期投入高，見效慢，但5年后成本更低。比如，常規茶園的茶樹老化快，一般10年后就要重種，而有機茶樹樹齡長達20年。采用立體種植的方式，套種降香黃檀和沉香等驅蟲避害，長短期效益相結合，產生了更高的經濟價值。”這是第一筆賬。

“農殘超標已成為嚴峻問題，直接阻礙中國食品走向世界。農藥的使用嚴重污染環境，有些殘留在土壤里難以降解，有些則進入地表水或地下水，加重了水污染。未來，我們要付出多大的治理代價？”這是第二筆賬。

“在我們的餐桌上，常常出現農藥‘雞尾酒’（農藥‘雞尾酒效應’是指多種農藥的混合物會造成累加效果，甚至協同效應），只是消費者不了解而已。大量惡性疾病的發生與環境和飲食有直接關系。高昂的醫藥費及生命的代價，無論是家庭還是國家都是不能承受之重！”這是第三筆賬。

“常規農業向土地奪取養分以維持生產，常規農業以不可持續的方式養活整個世界。不可持續的方式使土壤沙漠化，蚯蚓等有益生物滅絕，導致大量農業用地失去生產能力。未來，中國糧食安全和糧食自主性如何解決？”這是第四筆賬。

“一個農殘問題嚴重的污染大國一定會備受制裁和歧視，很難成為經濟強國！”這是第五筆賬。

有機種植是對地球和子孫后代的守信，有機農業意味著支持人類健康和地球健康。深刻思考土地與生命的關系，保護這片賴以生存的土地，雷龍相信推廣有機農業是不二的選擇。

第三篇：從管道建設的全生命周期談物資供應信息化建設

從數字管道建設的全生命周期談物資供應信息化建設

作者：雒維旗，李中太

隨著數字技術的應用和發展，管道建設也已經進入了數字化階段，數字管道從廣義上講是以數字信息為基礎，集空間化、網絡化、智能化和可視化等多種類的空間基礎地理信息為框架，充分利用計算機數據庫記住，國際互聯網技術，現代辦公虛擬技術，將管道設施、施工建設信息進行整合。數字管道的建設包含了管道的勘察設計，管道項目建設、管道生產運行管理三部分組成，數字管道全生命完整性管理中，管道完整性管理是一個系統的、綜合性的管理體系，是通過一定技術和管理體系對可能存在的對管道安全造成影響的危險點進行識別、預防和改進來避免事故發生，始終保持管道整個生命周期（設計、建造、操作、檢驗和維護管理）處于完整、安全和良好狀態。管道完整性管理包含數據收集、風險評價、完整性監檢測及評價、維修與維護及風險降低措施和管理評審。其中物資管理是非最為重要的管理部分之一。

作為專業從事管道物資采辦、物流服務的企業，其信息化建設即是數字管道完整性建設的重要組成部分，也是企業提升綜合實力，提高專業能力，加強企業核心競爭力的重要舉措。物資供應企業的信息化建設應立足本位，抓住物資供應的核心業務，在參照整個數字管道建設的規劃，做好自己的信息化建設規劃，在做好規劃的基礎上，從項目管理完整性的角度出發，考慮物資管理系統與資產管理、設備管理、業務維護管理等系統的結合。同時，物資供應部門是管道項目工程建設的核心之一，物資數據是數字化管道數據采集的基礎數據的主要來源之一，也是管道運行維護的重要組成部分。要建設數字化管道，以及管道的全生命周期的完整性管理，都必須首先考慮到物資數據的重要性，作為基礎數據的物資數據的采集和信息的準確是建設數字化管道的基石。

作為數字化管道建設的基石，物資數據采集的重要意義所涉及的不僅僅是管道建設，在管道的全生命完整性管理中，同樣具有重要的意義。針對物資數據的采集，如果僅僅考慮到物資本身的數據又很局限，不足以對管道建設起到充分保駕護航的作用，必須考慮到“物資”和供應商的數據采集，在管道設計、建設施工、運行維護過程中，物資數據和供應商客戶數據極為關鍵，不僅給設計帶來對市場產品的特質的搜集，通過運行維護，增強了設備、材料的性能數據的回饋，更有利于設計部門在設計過程中最優的考慮所有設備的規格型號，幫助選型定型，使設計更家科學化。對供貨商數據的整理即能提高采辦的效率，也能在管道后期運行維護的過程中更高效的找到備品備件，降低維修維護的風險。

目前，中油管道物資裝備總公司作為中石油天然氣管道局專業的物資供應部門，承攬管線建設的物資采辦和物流服務，在物資供應信息化的工作上，已經做了部分工作，主要是從以下幾個方面進行了開發和研究。

一、物資供貨商信息管理信息系統。物資供貨商信息是油氣管道建設的核心數據之一，作為專業的物資供應企業，公司在參考石油石化物資分類編碼的基礎上建立了自己的物資編碼分類規則，將60大類8位的主要物資分類編碼擴展到了14位的物資分類和產品編碼，用于區分具體使用的物資產品的分類和歸屬。設立專門的人員進行物資的分類編碼維護管理，做到了科學、規范，實用，有效。在建立物資產品庫的同時，建立了供貨商客戶管理系統，用戶管理供應商信息。在涉及供應得核心信息供貨商信息管理上，建立了供應商信息庫、供應商網絡管理庫，對供應商在搜集整理的基礎上分級管理，網絡化管理，收集供應商的全方位的數據：涵蓋基本信息，財務信息，資質信息，生產銷售信息，聯系人信息，生產物資信息，做到了與物資產品的多對多的對應關系。在物資分類和供應商數據的基礎上，建立了產品價格信息庫。產品價格信息庫是物資產品和供應商的組合信息，價格庫建立方便了物資采

辦工作的詢價比較的分析。同時也對管道建設招投標過程中提供了難得的商務標設備主材的價格數據。

二、物流信息管理系統。作為物流服務企業，物流信息管理是工程建設供應鏈管理的有機組成部分，為此公司較早的開發了物流信息管理系統。物流信息管理系統提供了一個由物資采購結束到物流運輸中轉調撥配發的綜合管理系統。系統主要涉及合同的執行管理、物資運輸狀況管理，物資到貨管理，物資調撥結算管理幾大模塊。在合同的執行管理上，做到了設備的驗收管理，物料到出廠管理，從生產商或加工廠利用信息管理平臺，直接將數據錄入系統，簡化了數據采集流程，提高了效率。物資到貨管理則具體管理合同交貨信息，作為倉儲管理的重要組成，物資到貨有承上啟下的作用。物料的調撥管理則規范高效的管理了物料的配方工作，實現了從物流到管線建設物資使用的，從采購到施工的轉移。

三、物資采辦信息管理系統。物資采辦是中油管道物資裝備總公司的又一大核心業務。是管道建所管理 EPC總承包中的P的管理，即采辦管理。采辦管理的是管道建設的三條腿中的一條。物資采辦信息管理系統主要實現了由傳統的物資采購手工臺帳、文件、訂單到電子化管理，實現了規范的流程定制，實現了合同和物資的關聯，與供貨商的關聯。系統涉及采購的分類管理，招投標的管理，訂單管理，合同審批流程定制，合同執行的過程管理，合同收付款的管理，合同執行的歸檔管理等多項關鍵業務管理信息。系統的建立大大的提升了公司采辦業務的效率，建立也企業采辦知識庫，方便了采辦專業隊伍的建設和職工采辦素質的提高。

一直以來，為建設數字化管道，建立管道建設全生命周期的完整性管理，物資裝備公司建立企業信息化的同時，也在時時刻刻的關注數字化管道建設的其它環節，在此過程中，不斷地整合自己的系統，規范系統的設置，提高自身信息化與數字化管道大系統的集成性，努力做好服務全局，打造優勢，擬定，在未來的管道建設服務過程中，從專業的角度，從物資供應的角度、從基礎數據采集重要性的角度，整合現有的資源，聯合各施工、建設、管理單位，將設計—采辦—施工—運維—管理信息聯系前來，立足整體的規劃，結合物資供應商的原始數據，認真分析現有的應用中的數據需求，建立數學模型，規范制度，搜集整理貫徹整個工程生命周期數據，保證應用。借鑒和引進高科技的數據采集模式，如軍方使用的物資信息化技術，或列為科技立項，研發屬于咱們知識產權的數據采集設備，為整個項目建設服務。做好與各單位的協調和溝通工作，以便整個系統能從規劃上落實到紙面上和建設中，最終能見到實實在在的成果了。

第四篇：生命周期理論下住宅建筑節能策略研究

生命周期視野下住宅建筑節能策略研究

摘要：本文分析了生命周期視野下住宅建筑能源消耗的基本構成，探討了節能推廣應用面臨的挑戰，并提出了相應的對策建議。

關鍵詞：生命周期；住宅建筑；節能

我國建筑物不僅建設過程中能源消耗大，建成后也需要消耗大量的能源，并且建筑物的生命周期較長，從而使得整個生命周期中都存在巨大的能源消耗。統計資料顯示，建筑能耗已經占到我國終端能源消耗的27.5%，由此可見推動注重建筑節能的必要性，但從實踐來看，截止到2011年底，城鎮既有建筑總面積中僅23%為節能建筑。因此，從生命周期的視角出發探討住宅建筑節能策略具有重要的意義。

一、生命周期視角下我國住宅建筑能源消耗的構成

雖然從總量來看，我國建筑能耗占社會總能耗的比重要低于發達國家33%的水平，但單位建筑面積能耗卻是這些國家的2-3倍。從原材料的生產、運輸與倉儲，住宅的建造和維修，住宅的使用等全過程來看，每一個環節都存在大量的能源消耗。

1、建筑材料生產用能

在住宅建筑的建設過程中，需要消耗大量的鋼筋、水泥、砼石塊，此外還有石灰、各類裝飾材料等等，首先，不同類型的材料會導致不同的能源消耗，如燒結空心磚塊與實心磚塊所需要的原材料數量、能源存在明顯的差異。其次，從原材料消耗的數量來看，如果住宅建筑設計過程中能夠對原材料的技術要求等計算更為準確，則可以有效的控制原材料的消耗，否則可能導致部分建筑原材料使用超標，或者由于不符合相應的技術標準而導致返工，這都會增加原材料的能源消耗。

2、建筑材料運輸與倉儲用能

首先，建筑材料運輸與倉儲過程中本身會產生能源損耗，建筑材料不僅消耗數量大，而且一般都需要經過運輸才會到達建筑工地，而按照當前的管理水平，工地本身還難以做到“零庫存”，從而在這一過程中要產生大量的能源消耗。其次，建筑材料運輸與倉儲過程中的損耗導致的能源消耗，這種損耗包括人為的因素帶來的損耗以及氣候變化等帶來的損耗，等等。

3、住宅建筑建造與維修乃至最后的拆除用能

首先，從材料的消耗來看，除正常的消耗外，還存在由于返工等帶來的消耗，由于施工過程中非人力因素導致的消耗，等等，這些消耗無疑會形成巨大的能源開銷。其次，從廢棄物的處理來看，在施工完成后，還需要對各種邊角廢料進行處理，這無疑也會形成諸多的能源消費。

4、住宅建筑使用過程中用能

住宅建筑使用過程中的用能包括照明、采暖、各類電器等等，這些用能會隨著建筑的存在而不斷延續，并且隨著人們生活水平的提高，這種用能規模將不斷加大。

二、生命周期視野下住宅建筑節能面臨的挑戰

公開數據顯示，到2011年，全國城鎮新建建筑設計階段執行節能50%強制性標準的比例已基本達到100%，但離65%設計標準還有較大的距離，施工階段也還沒有全部達到國家預計標準，這都表明住宅建筑節能的實施還面臨諸多的挑戰。

1、節能型住宅建筑生產成本增加帶來的挑戰 住宅建筑的節能首先在于開發商，但開發商是以追求利潤最大化為目標，而節能型建筑則會直接增加開發商的成本，在消費者沒有對“節能環保”概念普遍接受的背景下，會導致產品競爭力下降，從而難于被開發商所接受。測算表明，一星綠色建筑每平方米約需新增成本50元左右，一套100平米的住宅增加了成本5000元，再考慮開發商的利潤加成等因素，這就會導致成本更大程度的上升。

2、節能型住宅建筑在技術上面臨挑戰

首先，從設計人員來看，由于我國推廣運用節能型建筑的時間不長，部分設計人員對節能型建筑設計的方法、材料等還不熟悉，甚至為了提高設計的中標率而放棄對節能型材料或者技術的使用。或者即使采用了這些技術，但在具體設計過程中存在技術上的問題，如構建設計和結構設計不合理等。其次，從施工過程來看，由于我國相關的規范還不是很健全，施工的系統化、標準化程度還不夠，從而使施工階段可能存在技術上的難題。

3、消費者的觀念影響住宅建筑節能行動

研究表明，如果在建筑、電器等方面采用先進節能技術，能源方面的節約可以達到30%以上，但當前我國大量的消費者為了更好的享受“住房”、家電等帶來的樂趣，在材料等的采購中注重“環保”不注重節能，注重品質不關心能耗等，從而影響了節能建筑的推廣運用。特別是在我國廣大農村地區，部分居民按照“一輩子建一套房就要跟上時代的步伐，建漂亮”的目標，很大程度上增加了能源消耗。

三、生命周期視野下促進住宅建筑節能的對策建議

當前，我國已經頒布實施《綠色建筑行動方案》等政策措施，在推動新建建筑節能的同時注重對已有建筑的節能改造，按照規劃，到2015年，我國城鎮新建建筑中綠色建筑的比例達到20%的目標，這無疑對于推動住宅建筑節能有著極大的好處。落實到具體的行動中就是要在建筑設計、促進新技術新材料的應用，落實到施工與建成后的管理過程中。

1、變更理念促進建筑節能設計

首先，國家要積極出臺相應的政策措施鼓勵和倡導建筑建筑節能，加強對這種節能舉措的宣傳，幫助廣大居民特別是農村居民轉變理念，努力營造一種有利于建筑節能的良好氛圍。其次，要做好設計階段的建筑節能工作，一方面，國家要出臺相應的技術標準和規范，為設計人員提供參考，另一方面，國家要加強相應的技術培訓，幫助技術人員轉變觀念，掌握新標準下住宅建筑設計的要點，推動節能型住宅建筑的應用。

2、促進節能型新材料新技術的使用

首先，要加大節能技術、材料的研發力度，建議企業加大研發投入力度，并積極完善這種新材料、技術產學研一體化機制，通過房地產企業、研究機構等多主體的合作加快研發步伐，而政府部門則可以通過設立相應的基金給予引導、獎勵，特別是對于各種生活電器更是如此。其次，要進一步明確新技術、新材料推廣應用的目標，要在進一步細化、量化、實化有關目標的基礎上，形成切實可行的推進方案，甚至形成一種強制性的政策，如山東省2009年提出《關于加快太陽能光熱系統推廣應用的實施意見》等，從制度上進一步推動建筑節能。

3、建筑施工與建筑運行管理

首先，要加強對建筑施工的管理，有效降低各種非生產性的損耗，努力提高邊角廢料的利用價值，有效控制能源浪費。與此同時，還要加強對施工過程的管理，努力提高施工水平，避免返工等問題的產生。其次，要加強對建筑運行的管理，鼓勵居民采購節能型的設備設施，在一些公共設施中積極加快節能改造的步伐。參考文獻：

[1]蘇義坤，羅蘊姣.住宅建筑節能減排綜合評價模型的構建研究[J].工程管理學報，2012（3）

[2]劉戈，黃明強.村鎮住宅建筑節能技術推廣應用全壽命周期經濟效益分析[J].科技管理研究，2012（3）

第五篇：A13.產品全生命周期設計規范

產品全生命周期設計

機械產品的全生命周期設計是多學科融合的綜合科學,并涉及許多新興學科和現代先進技術。探討了機械產品全生命周期設計概念和思想、主要研究內容和涉及的學科前沿課題。全生命周期設計的提出和建立是現代設計理論發展的產物,也將是機械設計發展的必然方向。

1、全生命周期設計的基本概念

1.1、全生命周期

產品的全生命周期與產品的壽命是不同的概念。產品的全生命周期包括產品的孕育期(產品市場需求的形成、產品規劃、設計)、生產期(材料選擇制備、產品制造、裝配)、儲運銷售期(存儲、包裝、運輸、銷售、安裝調試)、服役期(產品運行、檢修、待工)和轉化再生期(產品報廢、零部件再用、廢件的再生制造、原材料回收再利用、廢料降解處理等)的整個閉環周期。而產品的壽命往往指產品出廠或投入使用后至產品報廢不再使用的一段區間, 僅是全生命周期內服役期的一部分。由于傳統的產品功能和性能主要在服役期實現, 傳統設計主要為產品的運行功能設計和產品的使用壽命以及近年來日益重視的產品自然壽命設計。

基于產品的社會效應, 全生命周期包括對產品的社會需求的形成, 產品的設計、試驗、定型, 產品的制造、使用、維修以及達到其經濟使用壽命之后的回收利用和再生產的整個閉環周期。如圖1所示, 機械的全生命周期涵蓋全壽命期, 全壽命期涵蓋經濟使用壽命和安全使用壽命。

圖1 全生命周期與全壽命期

作為全生命周期的一個重要轉折點, 產品報廢一般有3 種判據: 功能失效、安全失效、經濟失效。

1.2、全生命周期設計

所謂全生命周期設計, 就是面向產品全生命周期全過程的設計, 要考慮從產品的社會需求分析、產品概念的形成、知識及技術資源的調研、成本價格分析、詳細機械設計、制造、裝配、使用壽命、安全保障與維修計劃, 直至產品報廢與回收、再生利用的全過程, 全面優化產品的功能?性能(F)、生產效率(T)、品質?質量(Q)、經濟性(C)、環保性(E)和能源?資源利用率(R)等目標函數,求得其最佳平衡點。1.3、全生命周期設計的目的

全生命周期設計的主要目的可以歸結為3個: ①在設計階段盡可能預見產品全生命期的各個環節的問題, 并在設計階段加以解決或設計好解決的途徑。現代產品日趨復雜、龐大和昂貴, 其中的知識含量也與日俱增, 一旦出現問題僅靠用戶的經驗和技能很難有效解決和保障設備的有效運行。

②在設計階段對產品全生命周期的所有費用(包括維修費用、停機損失和報廢處理費用)、資源消耗和環境代價進行整體分析規劃, 最大程度地提高產品的整體經濟性和市場競爭力。

③在設計階段對從選材、制造、維修、零部件更換、安全保障直到產品報廢、回收、再利用或降解處理的全過程對自然資源和環境的影響進行分析預測和優化, 以積極有效的利用和保護資源、保護環境、創造好的人-機環境, 保持人類社會生產的持續穩定發展。

2、全生命周期設計的主要內容

全生命周期設計實際上是面向全生命周期所有環節、所有方面的設計。圖2為全生命周期設計所面向的全過程。其中每一個面向都需要專門的知識、技術做支撐, 這種技術采用專家系統、分析系統或仿真系統等智能方法來評判概念設計與詳細設計滿足全生命周期不同方面需求的程度, 發現所存在的問題提出改進方案。但是, 全生命周期設計不是簡單的面向設計(DFX), 而是多學科、多技術在人類生產、社會發展、與自然界共存等多層次上的融合, 所涉及的問題十分廣博、深遠。

圖2 面向產品全生命周期的設計

2.1、面向材料及其加工成形工藝的設計

在全生命周期設計中, 材料的選擇應考慮的因素如下: 材料的產品性能：主要考慮滿足產品本身功能、性能、質量設計的有關材料性能。包括材料的常規機械性能、疲勞斷裂性能、抗復雜環境侵蝕的性能, 對特殊機電產品采用的特殊材料, 如壓電陶瓷材料、功能梯度材料、電?磁致流變材料、各種納米材料等的特殊性能。這些材料性能指標往往受當前材料科學的發展局限, 設計選材時必須清楚地認識材料的各種特性。

材料的環保性能：綠色材料概念已經形成,材料在使用過程中的對環境的影響、廢棄后的可降解性等是全生命周期設計中必須考慮的因素。

材料的加工性能：在設計階段考慮材料的可加工性可以提高產品經濟性、減少能耗和制造過程的不利副產品。例如, 使用粉末冶金成形技術制造齒輪等外形復雜、加工精度要求高的部件, 在強度和壽命要求可以滿足的情況下能夠顯著提高工效、降低成本。

材料的價格性能比：材料的價格性能比是制約設計選材的一個重要因素。但在全生命周期設計中不能單純看待材料價格, 而應當全面分析材料的使用效能。

針對材料的產品設計：在設計中, 材料的選擇和結構細節設計是一種互動關系。當材料性能難以滿足產品性能或壽命要求時必須改進設計。

此外, 工程材料往往是各向異性的, 因此結合使用材料時的取向和產品力學分析使材料性能得以最優發揮也是設計選材的重要因素。

2.2、面向制造與裝配的設計

在設計階段利用計算機輔助工程(CAE)方法對制造過程進行模擬分析, 改進設計以簡化加工制造工藝、簡化模具和夾具設計、充分利用標準件等。設計中一些小的改進往往會在很大程度上方便制造、降低制造 成本、縮短制造周期。

例如, 在沖壓成形制造中, 如能夠在設計階段利用大變形接觸問題的有限元軟件對成形過程進行模擬分析并優化設計, 會避免許多設計缺陷和由此導致的制造困難, 提高成品率和生產效率。

復合材料結構的制造與設計聯系更為密切。復合材料本身既是材料又是結構, 材料的復合制造與結構制造常常同時進行。在設計階段就需對材料組分、鋪層方式、成形工藝等進行分析并提出明確要求。

制造技術發展到今天已形成門類齊全的制造工藝。與現代信息技術、計算機技術、控制技術、人工智能等相結合, 制造技術已由傳統的制造技術發展到先進制造技術。機械的設計應充分與各種制造工藝和制造技術相協調, 才能發揮各種制造技術的長處, 方便制造并提高工效。對大批量的生產, 設計的部件應能適應生產線流水作業制造。

方便裝配是全生命周期設計必須考慮的又一重要因素。裝配方式、裝配強度、裝配工藝應在設計階段確定, 以避免裝配過程的困難或臨時改動對產品完整性的破壞。

2.3、面向功能的設計

產品功能和性能設計一直是機械設計的核心, 也貫穿全生命周期設計的所有環節。與傳統的設計相比, 現代產品具有一系列新的特征, 見圖3。

圖3 現代產品全生命周期特征

產品功能和性能的開發和提高依賴于相關多學科的發展和技術突破, 同時也受市場需求的推動。模塊化和標準化已被證明是保證產品高性能、低成本和短的開發生產周期的有效方式。但隨人類生活水平的提高, 對產品多樣性和個性化的要求日益突出。在全生命周期設計中如何將模塊化和標準化要求與多樣化和個性化要求相協調統一是爭奪市場的重要問題, 但這并非是難以解決的矛盾。在產品性能與功能方面, 可以充分發揮模塊化和標準化的優勢, 而在產品的表現形式、外部結構等方面盡量滿足多樣化和個性化的市場要求。例如汽車的設計, 在引摯和驅動裝置方面應注重功能和標準化, 但車的外形和車內布局則要多樣化和個性化。又如分體式空調的室外機(主機)和室內機, 手表的功能與外形等。

集成化和微型化往往帶來產品性能的變革。而綠色、節能已成為產品品質的組成部分。環保節能型汽車、無氟節能冰箱就是最好的例證。

現代產品除了安全、可靠、美觀等性能指標外, 智能化、功能重組和自修復等功能是產品創新的重要體現, 從大到多功能軍用飛機,小到移動電話,現代產品都需要這些創新功能。全生命周期設計更要注重這方面功能的創新。

借助計算機仿真和計算試驗技術,可以在設計階段考察、改進產品的功能和性能。產品的功能與材料、結構、工藝、質量等是一種互動關系。

2.4、安全使用壽命設計

產品的安全使用壽命是產品價值的重要體現。在設計階段對產品安全使用壽命進行設計的基礎是對產品使用壽命和可能破壞的準確分析預測。目前產品結構的使用壽命預測主要有基于疲勞力學的安全壽命方法和基于斷裂力學的損傷容限耐久性方法。對規定可靠度下產品結構的安全使用壽命的確定見圖4。

(a)產品壽命與破壞概率(b)損傷尺寸與壽命

圖4 產品安全使用壽命期

對機電產品, 除了機械疲勞破壞外, 電致電子元件的疲勞、控制開關的電接觸疲勞、運動部件的磨損、腐蝕環境中部件的剝蝕等都對產品的安全使用壽命構成影響。此時, 只要將損傷理解為廣義損傷, 壽命理解為疲勞循環、接觸次數、腐蝕時間等廣義壽命, 仍可以沿用圖4 的安全使用壽命概念。

在安全使用壽命設計中, 除了壽命分析和預測方法外, 材料的選擇和材料客觀性能指標的試驗測定、對制造和加工工藝質量的評估、載荷譜和環境譜的編制等都具有重要影響。

2.5、經濟壽命設計

經濟壽命設計的目的是在安全壽命預測的基礎上, 通過制定合理的檢測、維修、更換零部件、再制造等計劃, 保障設備運行的經濟性。根據經濟壽命設計原則, 易損零部件應設計為可更換部分, 不可更換的主體或高值部件應按等壽命原則設計,一些關鍵的安全薄弱環節應設計為可檢測和便于維修的。

2.6、安全可監測性設計

機械結構的疲勞斷裂破壞是機械失效最主要的方式。疲勞破壞的危險性表現在達到疲勞壽命時無明顯先兆(顯著變形或顯著的動力學性能變化)結構就會突然斷裂解體。目前工程界對一些重要設備采用對運行全過程進行實時監測并對信號進行各種分析處理以便診斷出早期故障。損傷容限設計則采用高韌性的材料以使結構對較小的、難于發現的損傷具有容忍性。安全可監測性設計要求重要的機械設備能夠容忍運行監測和可能采用的損傷診斷技術所無法判定的損傷。當損傷已發展到危及安全之前, 可以可靠地由計劃使用的檢查、監測手段發現。否則, 結構就應設計成不可監測的類型。

例如, 大型發電機組主軸的斷裂往往導致重大事故。但停機拆檢會造成大的經濟損失。因此對大型發電機組一般實施連續狀態監測以避免惡性事故。然而當主軸出現裂紋時, 以動力學為基礎的故障診斷方法目前尚很難明確判別小于軸直徑四分之一的裂紋。如果在運行負荷下軸的臨界斷裂尺寸小于四分之一軸直徑, 那么這種監測診斷對避免主軸斷裂事故就沒有任何意義。因此, 在設定的監測診斷技術水平下, 機械設備的安全可監測性在設計階段就決定了。當然, 損傷監測診斷技術在不斷的發展, 進行安全可監測性設計應掌握這方面的發展動態。

2.7、面向資源環境的設計

選材 材料選擇應考慮資源問題, 在能利用可再生資源的情況下盡量使用可再生資源的材料。合理利用回收再生的材料, 促進材料再利用。

節能 設計中考慮的節能概念包括通過合理的材料選擇和工藝設計降低制造加工過程的能耗、通過創新設計和采用先進技術降低設備服役運行中的能耗、選擇合適的能源品種、設計好設備的拆卸性, 降低報廢后材料和部件回收或再生產的能耗。

環保 全生命周期設計中環保概念應貫徹始終。包括選擇環保材料, 設計有利于環保的制造方式和工藝, 控制設備使用過程的有害物產生和排放, 采用先進的動力學設計的制造工藝控制噪音污染、合理設計降低電磁污染, 等等。

全生命周期設計中環境保護的主要方面有: 環境的化學污染、廢棄物污染、噪聲污染、大氣污染、大氣層溫室效應、輻射污染、電磁污染等的控制。

人機效應 改善設備使用人員的工作環境,創造宜人的人機交互界面, 提高工作效率和質量、降低事故發生率。

2.8、事故-安全設計

任何設施和設備在使用過程中總有出現事故的可能性。在全生命周期設計中一方面應優化設計降低安全使用壽命內事故的發生概率和人致錯誤的幾率, 另一方面針對具體的系統實行事故-安全設計, 以避免惡性事故的發生或降低其危害程度。以事例說明如下: 隨著經濟的發展, 小汽車越來越成為普遍的交通工具, 但交通事故也隨之急劇上升。在設計時就考慮事故-安全性, 通過有限元分析模擬優化設計可以顯著提高車輛在撞車時抵抗破壞的能力, 保障人身安全。在競爭日益激烈的汽車領域,許多公司已經采用事故-安全設計來提高市場競爭力。

隨著現代能源的發展, 高壓輸氣管道在人類生存和社會發展中起著重要作用。然而高壓管道的破裂事故時常發生, 并且一個點的破壞總是引起數百米甚至幾千米的爆破, 造成慘重的損失。如何將爆破控制在最小范圍就成為事故-安全設計要求的又一典型事例。

高壓容器設計中的爆破前泄漏(Leak-Before-Break, 簡記為LBB)設計方法也是一種典型的事故-安全設計思想。

因此, 事故-安全設計與損傷容限設計有同樣的指導思想。

3、全生命周期優化設計

相對于傳統的局部優化、單一性能優化和僅對細節結構設計過程的優化設計思想, 全生命周期優化設計顧名思義應是一種機械系統全局的、面向全部性能和全生命周期過程的廣義優化設計。

進行全生命周期優化是一個需要多學科知識的融合的復雜決策過程。數值分析、工程預測、虛擬仿真以及試樣和模型試驗等是優化設計常用的方法。由于涉及的因素太多, 優化目標相互交織、相互制約甚至相互矛盾, 對產品進行設計方案的全生命周期優化是十分困難的, 嚴格的數學尋優很難實現。因此除了采用更為先進的優化方法或融合多種優化算法的特點于一體外, 更為重要的是按照圖3所列的現代產品的特征進行多約束決策。

例如, 對等壽命設計目標, 考慮到經濟維修性只需要將不可維修和更換的部分按等壽命進行優化設計, 可維修更換的部分由經濟性設計目標來要求。

模塊化、標準化、集成化等使得產品的全局優化可以變為粗線條的子結構化。例如計算機的整機優化可以變為如何更合理地配置電源、CPU、主板、硬盤、內存等滿足不同客戶的個性化要求。而芯片、硬盤由國際上各專業廠家的產品提供有限種選擇。子結構化了的產品的全生命周期優化設計變得十分簡潔明了。采用知識共享、分工合作, 子結構化的產品設計還可以促進快速的產品創新。在子結構化產品設計中, 下一級子結構是上一級結構的組件, 其性能、價格等指標可以作為上一級結構優化設計的初始變量。相應的, 上一級結構優化的結果就是下一級子結構的優化目標。依次形成層層關聯的優化分層優化決策。子結構的劃分應依據產品功能、生產工藝和相關子領域產品的模塊化、標準化、集成化情況, 基于相關知識和豐富的信息進行。

圖5 產品子結構分級優化設計

4、全壽命周期的安全保障設計

在設備的設計安全使用壽命期間, 設備的運行安全是由一定的可靠性要求來描述的。一方面一定的可靠性下仍然存在破壞的可能, 另一方面可靠性的提高是以更保守的設計安全使用壽命為代價的。還有一個更為重要的問題是, 產品設計所基于的物理模型中有許多影響因素, 其間的關系無論以理論分析、數值分析抑或試驗方法都難于確定。因此僅通過安全性設計和可靠性設計是不能杜絕事故發生的。

現代智能材料與結構技術、測控技術、微電子技術、信息處理技術、結構健康診斷技術以及設備的故障診斷技術的發展為機械系統全壽命期安全保障設計提供了基礎。系統的安全保障體系是采用分布于系統或結構內的傳感系統感知系統出現故障或危險時的異常的信息, 如局部大的變形、動力學參量的變化等, 預報可能出現的危險, 由安全保障系統自動作用制止事故的發生或通過人-機系統制止事故的發生。

除了傳統的感知元件如應變片、動力學傳感器外, 智能材料如壓電陶瓷、鐵電體、形狀記憶合金、光纖維等作為感知元件和作動元件的研究應用日益廣泛。尤其是將這些傳感和作動元件埋入復合材料結構從而制成智能結構, 不僅可以自感知損傷和不良振動, 而且可以自修復損傷、自抑制振動等, 從而實現安全保障和控制。這類智能結構是非常昂貴的, 在一般產品的設計中不便使用。

全壽命安全保障設計的另一類方法是將結構損傷容限設計與故障診斷技術融合, 在安全分析指導下進行設備運行狀態的監測設計。

5、全生命周期設計的前沿問題

全生命周期設計基于知識對產品全生命期的所有關鍵環節進行分析預測或模擬仿真, 將功能、安全 性、使用壽命、經濟性、可持續發展性等方面的問題在設計階段就予以解決或設計好解決的方式方法, 是現代機械設計的必然發展方向。但是因涉及的學科、知識、技術和思想觀念十分龐雜, 目前對全生命周期設計仍處于見仁見智的階段, 有許多前沿問題需要研究解決。

(1)知識庫、數據庫和知識共享 面向全生命周期的設計必須建立在現代最先進的知識平臺之上。建立面向全生命周期各階段設計的知識庫、數據庫并通過各種方式共享知識是實現全生命周期設計的重要基礎。同時, 如何通過網絡實現知識共享是現代機械設計面臨的緊迫問題。

(2)計算模擬和仿真技術 對初始設計進行制造和裝配工藝的仿真、動力學仿真、運行過程仿真等是發現設計問題, 改進設計方案從而實現設計優化的最經濟省時的有效途徑。采用計算機虛擬試驗替代實物試驗是機械設計發展的必然方向。對全生命周期機械行為和社會環境影響進行計算模擬和仿真能力實際上是實現全生命周期設計的技術保障。

(3)經濟性全局分析與評價體系 實現全生命周期經濟性的優化是全生命周期設計的重要目的之一, 也是指導全生命周期設計的指標。除了產品本身的成本和使用的經濟性, 全生命周期設計還須綜合產品的終生維修服務費用、能源和資源的消耗、對環境影響的代價等復雜因素進行全面分析, 作出全局最優的方案選擇。

(4)全壽命分析與等壽命設計 產品的設計壽命和經濟使用壽命是傳統機械設計的指標, 也是產品全壽命周期的主要有效組成部分。對一些大型、復雜、造價很高的設備, 保證一定期限的日歷壽命是實現產品全壽命周期高經濟性的重要因素甚至決定性因素。日歷壽命的預測與設計是目前需要重點解決的課題。

(5)全壽命期的安全監測與保障 盡管有損傷容限與耐久性設計方法和可靠性分析方法, 建立有效、經濟的全壽命期的安全檢測與保障體系越來越迫切。智能材料結構、現代測試技術、計算與信息處理技術、微機電技術和分析模擬技術的發展已為安全監測與保障體系的建立提供了良好的知識平臺。同時面向全壽命期的后勤服務保障也日益科學化。

(6)維修和再制造工程 如何在設計階段制定面向全生命周期的經濟安全便利的產品維修服務方案, 并在產品的設計中盡可能保證使用維護的經濟性, 對提高產品的競爭力十分重要。

(7)知識集成與全面設計優化 不同于傳統的機械設計, 全生命周期設計必須面向產品開發、使用、維護、報廢及其后的處理全過程的經濟性、人機協和性、環境影響、資源的有效使用等眾多目標進行全面優化, 設計多學科的知識集成和應用。