第一篇：从全生命周期考虑建筑节能
从全生命周期考虑建筑节能
近日，中国工程院院士、清华大学教授倪维斗在媒体中指出，建筑节能不仅仅是某个建筑建成后的运行能耗，建筑物的建设本身也要耗费大量的钢铁、水泥、铝、玻璃……这些建材的生产能耗也应该计算在建筑能耗之内，即应该从全生命周期的角度把建房子的能耗摊到建筑能耗内。如果建筑的寿命很短，建成以后常年空置，没有发挥居住功能，全生命周期的能耗是非常高的。
倪维斗教授这一观点，为我们审视和开展建筑节能工作提供了更新的角度和更宽阔的视野。近年来，我们将更多的注意力放在建筑物建成后运行的能耗上面，包括节水、节电、节材、外墙外保温、热计量改革……而忽视了建筑物全生命周期的能耗问题。建筑物在建设施工过程中要消耗多少水、电、建材？能够为建筑降耗的各种新产品、新材料本身的生产过程，是否存在能源浪费、污染环境的问题？屡禁不止的短命建筑，又带来了多少资源的浪费？……这些环节中的能耗问题，虽不是建筑物运行过程中直接产生的能耗，但却与建筑物有着密切的关系。因此，建筑节能不能仅仅局限于建筑物运行中产生的能耗，而应将建筑物的全生命周期都纳入到节能减排的范畴，统筹考虑。
建筑节能工作是一项复杂的系统工程。从全生命周期去考虑建筑节能，似乎让问题变得更加复杂、事情变得更加庞杂，但是建筑节能作为整个社会节能减排的重要组成部分，绝不能头痛医头、脚痛医脚。站在全生命周期的高度去思考建筑节能，才能找到问题的根本、症结所在，才能对症下药、标本兼治。
第二篇：全生命周期看有机
全生命周期看有机
有人说，有机农业投入高，产出低，不符合中国国情。雷龙认为从全生命周期来看，有机农业成本更低。他提议全社会一起来算五笔账：
“有机农业初期投入高，见效慢，但5年后成本更低。比如，常规茶园的茶树老化快，一般10年后就要重种，而有机茶树树龄长达20年。采用立体种植的方式，套种降香黄檀和沉香等驱虫避害，长短期效益相结合，产生了更高的经济价值。”这是第一笔账。
“农残超标已成为严峻问题，直接阻碍中国食品走向世界。农药的使用严重污染环境，有些残留在土壤里难以降解，有些则进入地表水或地下水，加重了水污染。未来，我们要付出多大的治理代价？”这是第二笔账。
“在我们的餐桌上，常常出现农药‘鸡尾酒’（农药‘鸡尾酒效应’是指多种农药的混合物会造成累加效果，甚至协同效应），只是消费者不了解而已。大量恶性疾病的发生与环境和饮食有直接关系。高昂的医药费及生命的代价，无论是家庭还是国家都是不能承受之重！”这是第三笔账。
“常规农业向土地夺取养分以维持生产，常规农业以不可持续的方式养活整个世界。不可持续的方式使土壤沙漠化，蚯蚓等有益生物灭绝，导致大量农业用地失去生产能力。未来，中国粮食安全和粮食自主性如何解决？”这是第四笔账。
“一个农残问题严重的污染大国一定会备受制裁和歧视，很难成为经济强国！”这是第五笔账。
有机种植是对地球和子孙后代的守信，有机农业意味着支持人类健康和地球健康。深刻思考土地与生命的关系，保护这片赖以生存的土地，雷龙相信推广有机农业是不二的选择。
第三篇：从管道建设的全生命周期谈物资供应信息化建设
从数字管道建设的全生命周期谈物资供应信息化建设
作者：雒维旗，李中太
随着数字技术的应用和发展，管道建设也已经进入了数字化阶段，数字管道从广义上讲是以数字信息为基础，集空间化、网络化、智能化和可视化等多种类的空间基础地理信息为框架，充分利用计算机数据库记住，国际互联网技术，现代办公虚拟技术，将管道设施、施工建设信息进行整合。数字管道的建设包含了管道的勘察设计，管道项目建设、管道生产运行管理三部分组成，数字管道全生命完整性管理中，管道完整性管理是一个系统的、综合性的管理体系，是通过一定技术和管理体系对可能存在的对管道安全造成影响的危险点进行识别、预防和改进来避免事故发生，始终保持管道整个生命周期（设计、建造、操作、检验和维护管理）处于完整、安全和良好状态。管道完整性管理包含数据收集、风险评价、完整性监检测及评价、维修与维护及风险降低措施和管理评审。其中物资管理是非最为重要的管理部分之一。
作为专业从事管道物资采办、物流服务的企业，其信息化建设即是数字管道完整性建设的重要组成部分，也是企业提升综合实力，提高专业能力，加强企业核心竞争力的重要举措。物资供应企业的信息化建设应立足本位，抓住物资供应的核心业务，在参照整个数字管道建设的规划，做好自己的信息化建设规划，在做好规划的基础上，从项目管理完整性的角度出发，考虑物资管理系统与资产管理、设备管理、业务维护管理等系统的结合。同时，物资供应部门是管道项目工程建设的核心之一，物资数据是数字化管道数据采集的基础数据的主要来源之一，也是管道运行维护的重要组成部分。要建设数字化管道，以及管道的全生命周期的完整性管理，都必须首先考虑到物资数据的重要性，作为基础数据的物资数据的采集和信息的准确是建设数字化管道的基石。
作为数字化管道建设的基石，物资数据采集的重要意义所涉及的不仅仅是管道建设，在管道的全生命完整性管理中，同样具有重要的意义。针对物资数据的采集，如果仅仅考虑到物资本身的数据又很局限，不足以对管道建设起到充分保驾护航的作用，必须考虑到“物资”和供应商的数据采集，在管道设计、建设施工、运行维护过程中，物资数据和供应商客户数据极为关键，不仅给设计带来对市场产品的特质的搜集，通过运行维护，增强了设备、材料的性能数据的回馈，更有利于设计部门在设计过程中最优的考虑所有设备的规格型号，帮助选型定型，使设计更家科学化。对供货商数据的整理即能提高采办的效率，也能在管道后期运行维护的过程中更高效的找到备品备件，降低维修维护的风险。
目前，中油管道物资装备总公司作为中石油天然气管道局专业的物资供应部门，承揽管线建设的物资采办和物流服务，在物资供应信息化的工作上，已经做了部分工作，主要是从以下几个方面进行了开发和研究。
一、物资供货商信息管理信息系统。物资供货商信息是油气管道建设的核心数据之一，作为专业的物资供应企业，公司在参考石油石化物资分类编码的基础上建立了自己的物资编码分类规则，将60大类8位的主要物资分类编码扩展到了14位的物资分类和产品编码，用于区分具体使用的物资产品的分类和归属。设立专门的人员进行物资的分类编码维护管理，做到了科学、规范，实用，有效。在建立物资产品库的同时，建立了供货商客户管理系统，用户管理供应商信息。在涉及供应得核心信息供货商信息管理上，建立了供应商信息库、供应商网络管理库，对供应商在搜集整理的基础上分级管理，网络化管理，收集供应商的全方位的数据：涵盖基本信息，财务信息，资质信息，生产销售信息，联系人信息，生产物资信息，做到了与物资产品的多对多的对应关系。在物资分类和供应商数据的基础上，建立了产品价格信息库。产品价格信息库是物资产品和供应商的组合信息，价格库建立方便了物资采
办工作的询价比较的分析。同时也对管道建设招投标过程中提供了难得的商务标设备主材的价格数据。
二、物流信息管理系统。作为物流服务企业，物流信息管理是工程建设供应链管理的有机组成部分，为此公司较早的开发了物流信息管理系统。物流信息管理系统提供了一个由物资采购结束到物流运输中转调拨配发的综合管理系统。系统主要涉及合同的执行管理、物资运输状况管理，物资到货管理，物资调拨结算管理几大模块。在合同的执行管理上，做到了设备的验收管理，物料到出厂管理，从生产商或加工厂利用信息管理平台，直接将数据录入系统，简化了数据采集流程，提高了效率。物资到货管理则具体管理合同交货信息，作为仓储管理的重要组成，物资到货有承上启下的作用。物料的调拨管理则规范高效的管理了物料的配方工作，实现了从物流到管线建设物资使用的，从采购到施工的转移。
三、物资采办信息管理系统。物资采办是中油管道物资装备总公司的又一大核心业务。是管道建所管理 EPC总承包中的P的管理，即采办管理。采办管理的是管道建设的三条腿中的一条。物资采办信息管理系统主要实现了由传统的物资采购手工台帐、文件、订单到电子化管理，实现了规范的流程定制，实现了合同和物资的关联，与供货商的关联。系统涉及采购的分类管理，招投标的管理，订单管理，合同审批流程定制，合同执行的过程管理，合同收付款的管理，合同执行的归档管理等多项关键业务管理信息。系统的建立大大的提升了公司采办业务的效率，建立也企业采办知识库，方便了采办专业队伍的建设和职工采办素质的提高。
一直以来，为建设数字化管道，建立管道建设全生命周期的完整性管理，物资装备公司建立企业信息化的同时，也在时时刻刻的关注数字化管道建设的其它环节，在此过程中，不断地整合自己的系统，规范系统的设置，提高自身信息化与数字化管道大系统的集成性，努力做好服务全局，打造优势，拟定，在未来的管道建设服务过程中，从专业的角度，从物资供应的角度、从基础数据采集重要性的角度，整合现有的资源，联合各施工、建设、管理单位，将设计—采办—施工—运维—管理信息联系前来，立足整体的规划，结合物资供应商的原始数据，认真分析现有的应用中的数据需求，建立数学模型，规范制度，搜集整理贯彻整个工程生命周期数据，保证应用。借鉴和引进高科技的数据采集模式，如军方使用的物资信息化技术，或列为科技立项，研发属于咱们知识产权的数据采集设备，为整个项目建设服务。做好与各单位的协调和沟通工作，以便整个系统能从规划上落实到纸面上和建设中，最终能见到实实在在的成果了。
第四篇：生命周期理论下住宅建筑节能策略研究
生命周期视野下住宅建筑节能策略研究
摘要：本文分析了生命周期视野下住宅建筑能源消耗的基本构成，探讨了节能推广应用面临的挑战，并提出了相应的对策建议。
关键词：生命周期；住宅建筑；节能
我国建筑物不仅建设过程中能源消耗大，建成后也需要消耗大量的能源，并且建筑物的生命周期较长，从而使得整个生命周期中都存在巨大的能源消耗。统计资料显示，建筑能耗已经占到我国终端能源消耗的27.5%，由此可见推动注重建筑节能的必要性，但从实践来看，截止到2011年底，城镇既有建筑总面积中仅23%为节能建筑。因此，从生命周期的视角出发探讨住宅建筑节能策略具有重要的意义。
一、生命周期视角下我国住宅建筑能源消耗的构成
虽然从总量来看，我国建筑能耗占社会总能耗的比重要低于发达国家33%的水平，但单位建筑面积能耗却是这些国家的2-3倍。从原材料的生产、运输与仓储，住宅的建造和维修，住宅的使用等全过程来看，每一个环节都存在大量的能源消耗。
1、建筑材料生产用能
在住宅建筑的建设过程中，需要消耗大量的钢筋、水泥、砼石块，此外还有石灰、各类装饰材料等等，首先，不同类型的材料会导致不同的能源消耗，如烧结空心砖块与实心砖块所需要的原材料数量、能源存在明显的差异。其次，从原材料消耗的数量来看，如果住宅建筑设计过程中能够对原材料的技术要求等计算更为准确，则可以有效的控制原材料的消耗，否则可能导致部分建筑原材料使用超标，或者由于不符合相应的技术标准而导致返工，这都会增加原材料的能源消耗。
2、建筑材料运输与仓储用能
首先，建筑材料运输与仓储过程中本身会产生能源损耗，建筑材料不仅消耗数量大，而且一般都需要经过运输才会到达建筑工地，而按照当前的管理水平，工地本身还难以做到“零库存”，从而在这一过程中要产生大量的能源消耗。其次，建筑材料运输与仓储过程中的损耗导致的能源消耗，这种损耗包括人为的因素带来的损耗以及气候变化等带来的损耗，等等。
3、住宅建筑建造与维修乃至最后的拆除用能
首先，从材料的消耗来看，除正常的消耗外，还存在由于返工等带来的消耗，由于施工过程中非人力因素导致的消耗，等等，这些消耗无疑会形成巨大的能源开销。其次，从废弃物的处理来看，在施工完成后，还需要对各种边角废料进行处理，这无疑也会形成诸多的能源消费。
4、住宅建筑使用过程中用能
住宅建筑使用过程中的用能包括照明、采暖、各类电器等等，这些用能会随着建筑的存在而不断延续，并且随着人们生活水平的提高，这种用能规模将不断加大。
二、生命周期视野下住宅建筑节能面临的挑战
公开数据显示，到2011年，全国城镇新建建筑设计阶段执行节能50%强制性标准的比例已基本达到100%，但离65%设计标准还有较大的距离，施工阶段也还没有全部达到国家预计标准，这都表明住宅建筑节能的实施还面临诸多的挑战。
1、节能型住宅建筑生产成本增加带来的挑战 住宅建筑的节能首先在于开发商，但开发商是以追求利润最大化为目标，而节能型建筑则会直接增加开发商的成本，在消费者没有对“节能环保”概念普遍接受的背景下，会导致产品竞争力下降，从而难于被开发商所接受。测算表明，一星绿色建筑每平方米约需新增成本50元左右，一套100平米的住宅增加了成本5000元，再考虑开发商的利润加成等因素，这就会导致成本更大程度的上升。
2、节能型住宅建筑在技术上面临挑战
首先，从设计人员来看，由于我国推广运用节能型建筑的时间不长，部分设计人员对节能型建筑设计的方法、材料等还不熟悉，甚至为了提高设计的中标率而放弃对节能型材料或者技术的使用。或者即使采用了这些技术，但在具体设计过程中存在技术上的问题，如构建设计和结构设计不合理等。其次，从施工过程来看，由于我国相关的规范还不是很健全，施工的系统化、标准化程度还不够，从而使施工阶段可能存在技术上的难题。
3、消费者的观念影响住宅建筑节能行动
研究表明，如果在建筑、电器等方面采用先进节能技术，能源方面的节约可以达到30%以上，但当前我国大量的消费者为了更好的享受“住房”、家电等带来的乐趣，在材料等的采购中注重“环保”不注重节能，注重品质不关心能耗等，从而影响了节能建筑的推广运用。特别是在我国广大农村地区，部分居民按照“一辈子建一套房就要跟上时代的步伐，建漂亮”的目标，很大程度上增加了能源消耗。
三、生命周期视野下促进住宅建筑节能的对策建议
当前，我国已经颁布实施《绿色建筑行动方案》等政策措施，在推动新建建筑节能的同时注重对已有建筑的节能改造，按照规划，到2015年，我国城镇新建建筑中绿色建筑的比例达到20%的目标，这无疑对于推动住宅建筑节能有着极大的好处。落实到具体的行动中就是要在建筑设计、促进新技术新材料的应用，落实到施工与建成后的管理过程中。
1、变更理念促进建筑节能设计
首先，国家要积极出台相应的政策措施鼓励和倡导建筑建筑节能，加强对这种节能举措的宣传，帮助广大居民特别是农村居民转变理念，努力营造一种有利于建筑节能的良好氛围。其次，要做好设计阶段的建筑节能工作，一方面，国家要出台相应的技术标准和规范，为设计人员提供参考，另一方面，国家要加强相应的技术培训，帮助技术人员转变观念，掌握新标准下住宅建筑设计的要点，推动节能型住宅建筑的应用。
2、促进节能型新材料新技术的使用
首先，要加大节能技术、材料的研发力度，建议企业加大研发投入力度，并积极完善这种新材料、技术产学研一体化机制，通过房地产企业、研究机构等多主体的合作加快研发步伐，而政府部门则可以通过设立相应的基金给予引导、奖励，特别是对于各种生活电器更是如此。其次，要进一步明确新技术、新材料推广应用的目标，要在进一步细化、量化、实化有关目标的基础上，形成切实可行的推进方案，甚至形成一种强制性的政策，如山东省2009年提出《关于加快太阳能光热系统推广应用的实施意见》等，从制度上进一步推动建筑节能。
3、建筑施工与建筑运行管理
首先，要加强对建筑施工的管理，有效降低各种非生产性的损耗，努力提高边角废料的利用价值，有效控制能源浪费。与此同时，还要加强对施工过程的管理，努力提高施工水平，避免返工等问题的产生。其次，要加强对建筑运行的管理，鼓励居民采购节能型的设备设施，在一些公共设施中积极加快节能改造的步伐。参考文献：
[1]苏义坤，罗蕴姣.住宅建筑节能减排综合评价模型的构建研究[J].工程管理学报，2012（3）
[2]刘戈，黄明强.村镇住宅建筑节能技术推广应用全寿命周期经济效益分析[J].科技管理研究，2012（3）
第五篇：A13.产品全生命周期设计规范
产品全生命周期设计
机械产品的全生命周期设计是多学科融合的综合科学,并涉及许多新兴学科和现代先进技术。探讨了机械产品全生命周期设计概念和思想、主要研究内容和涉及的学科前沿课题。全生命周期设计的提出和建立是现代设计理论发展的产物,也将是机械设计发展的必然方向。
1、全生命周期设计的基本概念
1.1、全生命周期
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。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。
图1 全生命周期与全寿命期
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。
1.2、全生命周期设计
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ö性能(F)、生产效率(T)、品质ö质量(Q)、经济性(C)、环保性(E)和能源ö资源利用率(R)等目标函数,求得其最佳平衡点。1.3、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: ①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。现代产品日趋复杂、庞大和昂贵, 其中的知识含量也与日俱增, 一旦出现问题仅靠用户的经验和技能很难有效解决和保障设备的有效运行。
②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。
③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。
2、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。图2为全生命周期设计所面向的全过程。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。
图2 面向产品全生命周期的设计
2.1、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ö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。
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。
2.2、面向制造与装配的设计
在设计阶段利用计算机辅助工程(CAE)方法对制造过程进行模拟分析, 改进设计以简化加工制造工艺、简化模具和夹具设计、充分利用标准件等。设计中一些小的改进往往会在很大程度上方便制造、降低制造 成本、缩短制造周期。
例如, 在冲压成形制造中, 如能够在设计阶段利用大变形接触问题的有限元软件对成形过程进行模拟分析并优化设计, 会避免许多设计缺陷和由此导致的制造困难, 提高成品率和生产效率。
复合材料结构的制造与设计联系更为密切。复合材料本身既是材料又是结构, 材料的复合制造与结构制造常常同时进行。在设计阶段就需对材料组分、铺层方式、成形工艺等进行分析并提出明确要求。
制造技术发展到今天已形成门类齐全的制造工艺。与现代信息技术、计算机技术、控制技术、人工智能等相结合, 制造技术已由传统的制造技术发展到先进制造技术。机械的设计应充分与各种制造工艺和制造技术相协调, 才能发挥各种制造技术的长处, 方便制造并提高工效。对大批量的生产, 设计的部件应能适应生产线流水作业制造。
方便装配是全生命周期设计必须考虑的又一重要因素。装配方式、装配强度、装配工艺应在设计阶段确定, 以避免装配过程的困难或临时改动对产品完整性的破坏。
2.3、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, 见图3。
图3 现代产品全生命周期特征
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。
2.4、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。在设计阶段对产品安全使用寿命进行设计的基础是对产品使用寿命和可能破坏的准确分析预测。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4。
(a)产品寿命与破坏概率(b)损伤尺寸与寿命
图4 产品安全使用寿命期
对机电产品, 除了机械疲劳破坏外, 电致电子元件的疲劳、控制开关的电接触疲劳、运动部件的磨损、腐蚀环境中部件的剥蚀等都对产品的安全使用寿命构成影响。此时, 只要将损伤理解为广义损伤, 寿命理解为疲劳循环、接触次数、腐蚀时间等广义寿命, 仍可以沿用图4 的安全使用寿命概念。
在安全使用寿命设计中, 除了寿命分析和预测方法外, 材料的选择和材料客观性能指标的试验测定、对制造和加工工艺质量的评估、载荷谱和环境谱的编制等都具有重要影响。
2.5、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、更换零部件、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维修的。
2.6、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。损伤容限设计则采用高韧性的材料以使结构对较小的、难于发现的损伤具有容忍性。安全可监测性设计要求重要的机械设备能够容忍运行监测和可能采用的损伤诊断技术所无法判定的损伤。当损伤已发展到危及安全之前, 可以可靠地由计划使用的检查、监测手段发现。否则, 结构就应设计成不可监测的类型。
例如, 大型发电机组主轴的断裂往往导致重大事故。但停机拆检会造成大的经济损失。因此对大型发电机组一般实施连续状态监测以避免恶性事故。然而当主轴出现裂纹时, 以动力学为基础的故障诊断方法目前尚很难明确判别小于轴直径四分之一的裂纹。如果在运行负荷下轴的临界断裂尺寸小于四分之一轴直径, 那么这种监测诊断对避免主轴断裂事故就没有任何意义。因此, 在设定的监测诊断技术水平下, 机械设备的安全可监测性在设计阶段就决定了。当然, 损伤监测诊断技术在不断的发展, 进行安全可监测性设计应掌握这方面的发展动态。
2.7、面向资源环境的设计
选材 材料选择应考虑资源问题, 在能利用可再生资源的情况下尽量使用可再生资源的材料。合理利用回收再生的材料, 促进材料再利用。
节能 设计中考虑的节能概念包括通过合理的材料选择和工艺设计降低制造加工过程的能耗、通过创新设计和采用先进技术降低设备服役运行中的能耗、选择合适的能源品种、设计好设备的拆卸性, 降低报废后材料和部件回收或再生产的能耗。
环保 全生命周期设计中环保概念应贯彻始终。包括选择环保材料, 设计有利于环保的制造方式和工艺, 控制设备使用过程的有害物产生和排放, 采用先进的动力学设计的制造工艺控制噪音污染、合理设计降低电磁污染, 等等。
全生命周期设计中环境保护的主要方面有: 环境的化学污染、废弃物污染、噪声污染、大气污染、大气层温室效应、辐射污染、电磁污染等的控制。
人机效应 改善设备使用人员的工作环境,创造宜人的人机交互界面, 提高工作效率和质量、降低事故发生率。
2.8、事故-安全设计
任何设施和设备在使用过程中总有出现事故的可能性。在全生命周期设计中一方面应优化设计降低安全使用寿命内事故的发生概率和人致错误的几率, 另一方面针对具体的系统实行事故-安全设计, 以避免恶性事故的发生或降低其危害程度。以事例说明如下: 随着经济的发展, 小汽车越来越成为普遍的交通工具, 但交通事故也随之急剧上升。在设计时就考虑事故-安全性, 通过有限元分析模拟优化设计可以显著提高车辆在撞车时抵抗破坏的能力, 保障人身安全。在竞争日益激烈的汽车领域,许多公司已经采用事故-安全设计来提高市场竞争力。
随着现代能源的发展, 高压输气管道在人类生存和社会发展中起着重要作用。然而高压管道的破裂事故时常发生, 并且一个点的破坏总是引起数百米甚至几千米的爆破, 造成惨重的损失。如何将爆破控制在最小范围就成为事故-安全设计要求的又一典型事例。
高压容器设计中的爆破前泄漏(Leak-Before-Break, 简记为LBB)设计方法也是一种典型的事故-安全设计思想。
因此, 事故-安全设计与损伤容限设计有同样的指导思想。
3、全生命周期优化设计
相对于传统的局部优化、单一性能优化和仅对细节结构设计过程的优化设计思想, 全生命周期优化设计顾名思义应是一种机械系统全局的、面向全部性能和全生命周期过程的广义优化设计。
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。由于涉及的因素太多, 优化目标相互交织、相互制约甚至相互矛盾, 对产品进行设计方案的全生命周期优化是十分困难的, 严格的数学寻优很难实现。因此除了采用更为先进的优化方法或融合多种优化算法的特点于一体外, 更为重要的是按照图3所列的现代产品的特征进行多约束决策。
例如, 对等寿命设计目标, 考虑到经济维修性只需要将不可维修和更换的部分按等寿命进行优化设计, 可维修更换的部分由经济性设计目标来要求。
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。例如计算机的整机优化可以变为如何更合理地配置电源、CPU、主板、硬盘、内存等满足不同客户的个性化要求。而芯片、硬盘由国际上各专业厂家的产品提供有限种选择。子结构化了的产品的全生命周期优化设计变得十分简洁明了。采用知识共享、分工合作, 子结构化的产品设计还可以促进快速的产品创新。在子结构化产品设计中, 下一级子结构是上一级结构的组件, 其性能、价格等指标可以作为上一级结构优化设计的初始变量。相应的, 上一级结构优化的结果就是下一级子结构的优化目标。依次形成层层关联的优化分层优化决策。子结构的划分应依据产品功能、生产工艺和相关子领域产品的模块化、标准化、集成化情况, 基于相关知识和丰富的信息进行。
图5 产品子结构分级优化设计
4、全寿命周期的安全保障设计
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。还有一个更为重要的问题是, 产品设计所基于的物理模型中有许多影响因素, 其间的关系无论以理论分析、数值分析抑或试验方法都难于确定。因此仅通过安全性设计和可靠性设计是不能杜绝事故发生的。
现代智能材料与结构技术、测控技术、微电子技术、信息处理技术、结构健康诊断技术以及设备的故障诊断技术的发展为机械系统全寿命期安全保障设计提供了基础。系统的安全保障体系是采用分布于系统或结构内的传感系统感知系统出现故障或危险时的异常的信息, 如局部大的变形、动力学参量的变化等, 预报可能出现的危险, 由安全保障系统自动作用制止事故的发生或通过人-机系统制止事故的发生。
除了传统的感知元件如应变片、动力学传感器外, 智能材料如压电陶瓷、铁电体、形状记忆合金、光纤维等作为感知元件和作动元件的研究应用日益广泛。尤其是将这些传感和作动元件埋入复合材料结构从而制成智能结构, 不仅可以自感知损伤和不良振动, 而且可以自修复损伤、自抑制振动等, 从而实现安全保障和控制。这类智能结构是非常昂贵的, 在一般产品的设计中不便使用。
全寿命安全保障设计的另一类方法是将结构损伤容限设计与故障诊断技术融合, 在安全分析指导下进行设备运行状态的监测设计。
5、全生命周期设计的前沿问题
全生命周期设计基于知识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解决的方式方法, 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, 目前对全生命周期设计仍处于见仁见智的阶段, 有许多前沿问题需要研究解决。
(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。
(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。
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