汽车用金属材料的生态设计实践

在当代“绿色”与“循环”的发展宗旨下，“选材革命”已经成为汽车行业实现可持续发展的必经之路。汽车前端部件制造的耗材以钢铁材料为主，而铝合金和镁合金也正在逐步被视为可应用于汽车前端部件制造的轻型金属材料[1-4]。

若以物理性能为设计因素，则钢铁的强度较高，铝合金的可加工性较好，而镁合金以密度最低为其优势[5-8]；若以环境表现为设计因素，相关研究表明[9-12]，钢铁在生产阶段的环境负荷最低，镁合金在使用阶段的环境负荷最低，而铝合金的环境优势则体现在部件的回收阶段。由此可知，即使参照单一因素(性能与环境)，设计过程已涉及难以在物理层面或其它学科层面统一的多元化指标(如，材料强度、可加工性、密度)，如若综合考虑不同设计因素以满足实际应用中的各项基本需求，设计情况将更为复杂。对这种复杂性的解决体现了生态设计的核心思想与关键技术。

本文的研究目的是建立轻量化金属材料生态设计的规范模式，以对不同设计指标与设计因素进行综合统筹，从而实现环保性、实用性、经济性并存的选材设计。

2.1　金属材料生态设计方法

2.1.1　材料性能指标的表征

性能是材料满足实际应用需求的最根本保证；设计的实质即是将产品对性能的需求“明确化”，而具体的各类材料则是对产品性能需求的满足或者说是性能需求的“实体化”。材料的各种性能在不同应用情景下所发挥的作用亦不相同，其相互间的重要程度也会随之发生变化；例如，铝合金在用作断桥门窗框架时，应当选取耐腐蚀性能作为首要设计指标，而将其应用于汽车制造时，则应首先考虑力学性能。此外，对材料性能的需求程度也因应用情境不同而异，例如道路建设与大坝建设对混凝土材料的强度需求(即需求程度)间存在明显差异。综上所述，对材料性能的表征应当以实际应用情景为导向。

本研究通过构建需求-性能矩阵表示二者间的相互关系。如表1所示，Wij为性能Pj对需求Ri的贡献，如果某种性能对某种需求并无贡献(如材料的耐腐蚀性能与产品对材料力学性能的需求)，则Wij=0；aPj为性能Pj对产品需求的标准化数值，wRi表示不同性能需求在具体生态设计中的权重因子(相对重要程度)。公式(1)与公式(2)为各参数的计算过程。

aPj=W1j·wR1+W2j·wR2+…+Wnj·wRn

(2)表1　材料的性能-需求矩阵Table?1　Performance-requirement?matrix?of?materialsWeightingfactorPerformance1(P1)Performance2(P2)Performance3(P3)…PerformanceN(PN)Demand1(R1)wR1W11W12W13…W1NDemand2(R2)wR2W21W22W23…W2NDemand3(R3)wR3W31W32W33…W3N…………………DemandN(RN)wRNWN1WN2WN3…WNN

2.1.2　材料环境负荷指标的表征与生产成本

生命周期评价(Life?Cycle?Assessment,?LCA)是国际上通用的材料环境负荷量化工具，也是生态设计的重要依托方法。LCA起源于上世纪60年代，发展至90年代时，逐渐出现若干国际标准(ISO-)，使其成为确定产品环境影响潜力的权威方法[13]。国际标准化组织(ISO)与国际环境毒物学和化学学会(SETAC)对LCA的定义是：汇总和评估产品、服务在整个生命周期内的资源投入与污染排放所造成的潜在环境影响的方法，其中生命周期的含义是与产品或服务相关的，从原材料获取、加工制造、投入使用直至最终废弃的前后衔接的一系列生产消费过程。根据ISO所定义的技术框架，一项完整的LCA研究应包括目标与范围的确定、清单分析、影响评价以及结果解释4个阶段[14]，如图1所示。

图1　LCA的实施过程及技术框架Fig.1　Implementation?procedure?and?technical?framework?of?LCA

开展生命周期评价研究意在通过量化材料从?“摇篮”到“坟墓”过程的环境影响，识别出重点污染类型与污染环节，从而为制定相关环境政策提供理论依据与数据支持。与此不同，在生态设计中，除了要确定环境负荷指标外，还要综合分析材料的使用性能与经济成本因素，从而做出面向应用的最优选择[15]。由此可见，生态设计在利用“生命周期”这一概念的同时也对其进行了拓展：传统材料的生命周期包括从制造到投入使用以及报废的各个阶段，而生态设计将材料的生命周期延伸到了使用结束后对设计方案的改进，通过对生态设计方案的不断反馈来完善产品的前端设计，最终得到最可行的生态设计实施方案。

除环境指标与性能指标外，产品的生产成本亦应在产品设计阶段予以考虑。经济成本的核算项主要包括材料生命周期过程所消耗的矿物、能源以及其它工业中间产品，如公式(3)所示。此外，在进行生命周期成本核算时无需考虑与环境影响相关的经济成本，以避免与环境负荷指标的重复考虑。

文章来源：《钢铁》 网址: http://www.gtbjb.cn/qikandaodu/2021/0319/708.html