产品全寿命周期设计和CAE

产品全寿命周期设计和CAE

杨生华

煤炭科学研究总院上海分院

产品全寿命周期设计和CAE

Entire life cycle design of products and CAE

杨生华

煤炭科学研究总院上海分院

摘要:本文论述了产品全寿命周期设计的概念和内涵，说明了产品全寿命周期设计与其它现代设计方法(如设计虚拟产品开发和并行工程)的关系。介绍了CAE技术的在产品全寿命周期设计中的作用以及一些应用经验，研究了MSC的CAE产品对全寿命周期设计虚拟产品开发的影响。

关键词：产品全寿命周期设计、虚拟产品开发、并行工程、CAE

Abstract:In this paper the conception and connotation of entire life cycle design of products is discussed, the relations of entire life cycle design with other modern design methods such as virtual product development (VPD) and parallel engineering are showed. And the roles of CAE techniques in it as well as some application experiences are introduced. The influence of CAE product of MSC.software on VPD of the entire life cycle design is investigated.

Keywords:entire life cycle design of product; VPD; parallel engineering; CAE

0前言

为了设计高性能、长寿命、高可靠性产品（例如采煤机、掘进机），产品全寿命周期设计的概念产生。要设计具有一定寿命而且在使用期（产品寿命）内不产生任何故障的并具有安全性和经济性的高可靠性高性能产品，必须考虑产品全寿命周期，因此产品全寿命周期设计的特点设计周期长、成本高。由于计算机的发展，虚拟产品开发已经能够实现，产品的性能（可靠性、寿命）在设计时能够正确评价。使用并行工程和CAE技术可以迅速提高设计周期和大大减少设计成本，因而产品全寿命周期设计可以实现。产品全寿命周期设计虚拟产品开发逐渐形成，CAE技术在产品全寿命周期设计中的重要性越来越得到认识和重视。

1产品全寿命周期设计的概念和内涵

产品全寿命周期设计是考虑了产品可制造（加工）性、可装配性、可使用性、可维修性和可回用性等产品全寿命周期中影响使用的诸因素的设计方法，它是面向制造、维修和使用的产品有限寿

命设计。在产品全寿命周期设计中，除了考虑产品功能外，还要考虑方案和技术因素（如性能）；除了考虑产品性能参数外，还要考虑结构参数和制造过程；除了考虑产品结构参数外，还要考虑加工方案和工艺参数。除了考虑加工工艺外，还要考虑产品使用过程中的维护和维修。机械产品设计技术的发展已经经过三代：第一代为类比设计、仿形设计或功能设计，第二代为静设计、强度或刚度设计，第三代为有限寿命设计、动态设计，第四代将是产品全寿命周期设计。

机械产品设计方法从强度方面考虑，从有静强度设计发展到动强度设计，动强度设计包括无限寿命设计和有限寿命设计。产品全寿命周期设计包括有限寿命设计和动态设计，但它不是仅仅考虑一个或几个有限的强度，而是考虑产品使用过程中所有的强度。象采煤机齿轮过去仅仅考虑静强度、接触和弯曲疲劳强度、胶合强度，现在还要考虑断裂和磨损强度以及冲击强度。同时强度公式不是过去经验或半科学的公式，而是更加科学更加准确的计算公式，即机械强度寿命由定性设计提高到定量设计。这种定量设计除了考虑结构参数外，必须考虑材料和工艺参数。既考虑了可靠性又考虑了经济性。如采煤机齿轮的弯曲疲劳强度，除了载荷和应力更加准确外，材料和工艺性能数据更加准确，考虑齿根表面的硬度强化和喷丸工艺产生的残余应力的影响并将其公式化，而且材料工艺可以优化选择。对喷丸工艺进行优化控制，设计要求可靠的残余应力大小。在强度计算中甚至要考虑残余应力在使用过程中的消失的影响。动态分析精确计算每一个零件的载荷和系统的固有性质，动态设计充分减少并精确计算动载荷和冲击大小，提高了设计可靠性。如采煤机齿轮传动中通过使用柔性轴减少了齿轮所受载荷冲击大小，动态设计精确计算柔性轴结构参数和齿轮载荷，动态分析将分析使用过程中由于齿轮磨损对载荷的影响和齿根裂纹对系统的响应，通过检测控制和监视齿轮运行状态，及时诊断故障并发出维修警报。为了保证齿轮润滑的有效性，传动系统密封必须考虑，密封的寿命和可靠性是计算机仿真的重要课题。这样才能提高并保证了齿轮的寿命和可靠性。同时由于维修会带来噪声和油的污染，设计时也应该考虑。一方面减少噪声，另一方面，减少维修。这样才能保证采煤机齿轮传动的可靠性和使用性能。

机械产品设计方法从计算机辅助设计方面考虑，从CAD发展到CAE。产品全寿命周期设计将充分应用建立在有限寿命设计基础上的CAE技术，彻底摒弃了以强度为指标的传统机械设计的理论、方法和手段，它以产品寿命设计为目标，对影响机械产品寿命的载荷、几何尺寸及使用材料和工艺的机械特性等参数进行测试、定量分析和优化、仿真及预测产品零件的寿命，确定产品机械强度的最佳设计参数，达到机械产品有限寿命设计的目的。CAE技术是CAT（计算机辅助测试），CAD、CAM和FEM等技术的综合和高级应用形式。过去采煤机齿轮CAD仅仅编制结构设计、特性计算和图形显示及绘制程序，现在开始使用有限元法和疲劳计算程序，齿轮设计CAD专家系统在简单的圆柱中已经实现，齿轮CAE系统也能够实现。它能够计算齿轮的应力和变形，仿真齿轮运转过程中的应力和刚度变化，精确评价寿命和可靠性。

机械产品设计方法从力学知识应用方面考虑，从材料力学到弹性力学，从静力学到动力学。现代设计要应用到断裂力学、接触力学、弹塑性力学和冲击动力学方面的知识，制造工艺力学也要应用到设计当中来。产品全寿命周期设计离不开力学的进步，它将充分应用现代力学各方面的知识，特别是计算力学的应用大大促进了设计技术的发展。采煤机齿轮设计现在就要用到断裂力学、接触力学方面的知识，而弹塑性力学和冲击力学方面的知识也将应用。有限元为代表的数值分析方法和结构分析技术，不仅能够计算各种力学性能参数，而且能够优化设计、可靠性设计和动态设计。现代力学是产品全寿命周期设计基础，随着力学的进一步发展和完善，产品全寿命周期设计能够充分实现，非线性设计和动态设计是它的特征。

产品全寿命周期设计是现代设计方法，由于是周期设计，优化设计必不可少。不仅优化设计能考虑到产品全寿命，而且意义更广，能够在全寿命中优化性能和成本。产品全寿命周期设计与产品广义优化设计、分布式协同设计和并行设计的关系是相互依靠的孪生兄弟，它们相互依存共同发展。采煤机齿轮的优化设计不仅仅是过去的参数优化，优化设计还将在齿轮结构、齿形和齿廓，材料和工艺进行。可靠性设计是产品全寿命周期设计的目的，只有考虑了产品全寿命，可靠性设计才真正有实际意义。未来将是产品全寿命主动可靠性设计和失效和故障智能在线预示。产品全寿命周期设计与其它现代设计方法如：绿色设计、并行设计等共同发展，互相促进。

产品全寿命周期设计方法是产品设计方法发展的必然趋势，计算机的发展使它成为可能。由于设计和制造从分离走向集成，设计面向制造与装配及维修。在详细设计前预测产品所需的制造与装配及维修成本，从而设计制造出更经济实用易用的产品，提高产品的竞争性。由于计算机的发展，从制造方面看，出现了计算机集成制造CIM，敏捷制造（AM）；从设计方面看，出现了虚拟产品开发（VPD），并行工程CE。产品全寿命周期设计依靠并行CAE，并行CAE技术在产品全寿命周期设计中将发挥巨大作用。由于产品市场全球化，用户要求多样化，导致产品生产低量化，要求充分降低产品开发成本和提高产品性能。因此产品全寿命周期设计方法是产品使用和全球竞争的要求，全寿命周期VPD是CAE发展的必然趋势。