汽车用金属材料的生态设计实践(2)

C=Ce+Cr+Co

式中，Ce——能源消耗总成本；

Cr——资源消耗总成本；

Co——其他消耗总成本。

2.2　功能单位与系统边界

2.2.1　功能单位的选取

本研究的功能单位选取为整车重为1?445?kg汽车的前端部件，设定汽车的报废公里数为200?000?km；以铝合金、镁合金和钢铁生产该汽车前端部件的材料消耗量分别为：61?kg、45.2?kg、82.2?kg。

2.2.2　系统边界的规范

如图2所示，不同金属材料的系统边界可统一规范为开采阶段、生产阶段、使用阶段与回收阶段；其中，不考虑汽车前端部件在行驶过程中的部件损耗与更换。

图2　本研究系统边界Fig.2　System?boundary?of?this?study

2.3　数据来源

2.3.1　材料生产、回收阶段的清单数据

本研究中，材料生产阶段与回收阶段的清单数据源自北京工业大学自主开发的材料生命周期工程数据库[16]；清单数据均为企业调研数据，质量较高，能够反映我国材料工业的真实生产水平。

镁合金锭的生产工艺选取为气体保护法，数据范围涵盖原镁生产、合金制备以及能源生产，镁合金铸锭的成材率约为30%～40%，取其平均值35%；铝合金生产工艺选取为锻造，数据范围涵盖原铝生产、铝合金熔铸以及能源生产，铝合金铸锭的成材率约为60%～70%，取其平均值65%；钢铁生产的清单数据范围包括铁矿石开采、矿石精选、铁矿石烧结、高炉炼铁、炼钢、轧钢以及能源生产，钢铁材料的成材率取为97%。

2.3.2　材料使用阶段清单计算方法

汽车行驶过程的耗油量与汽车部件的重量呈线性关系，其解析式如式(4)所示[17]：

F(L)=L×FE(0)×[(1+SW)×(MPO-MPL)/MVO×

df/dm]-1×[MPL(MVO-(1+SW)×(MPO-MPL))]

式中，F(L)——汽车零部件行驶一定距离所消耗的汽油量(l)；

L——汽车行驶距离(km)；

FE(O)——燃油消耗因子(L/100?km)；

SW——二次轻量化，即由于某种零部件质量的减轻或材料的变动所引起的其它零部件变化(无量纲)；

MPO——零部件的原质量，即使用替代材料前的质量(kg)；

MPL——零部件的质量(kg)；

MVO——车辆的总质量(kg)；

df/dm——燃油效率与质量变化的关系。

根据设定的功能单位，行驶距离L为200?000?km，FE(O)选取为普通轿车燃油因子的平均值10.6?L/100?km，SW选取为0.5，MVO为1?445?kg；在汽车行驶过程中汽车质量每减少10%，平均燃油消耗率降低6.5%，相应的df/dm值为0.65。

2.4　性能-环境-经济指标的统一

2.4.1　模糊矩阵评价原理

模糊综合评价法是运用模糊变换原理，对某一对象进行全面客观的分析，从而解决传统评价方法难以统一多维度指标的问题[18]。

构建评价对象的因素集合U=(U1,U2,…Un)，评价集合V=(V1,V2,…Vn)。集合V中的元素是对集合U中相应评价标准的分级，即参与评价的n个因子的数值指标。依据集合因素中的模糊信息，建立模糊矩阵，见式(5)：

式中，rij为元素vj对元素ui的隶属度,?Ri为因素集合Ui的单因素评价矩阵。

相应一级模糊综合评价结果可表示为式(6)：

Si=Ai×Ri

式中，Ai表示U1,U2……Un中各因素的权重。

依据最大关联度原理，最终评价结果中的最大值Smax即为最优实施效果。

2.4.2　因素间权重因子的确定

对于不同设计要素之间的相互重要程度，本文采用层次分析法(The?Analytic?Hierarchy?Process,?AHP)[19]确定几种生态设计要素的权重因子。该方法可以紧密地和决策者的主观判断与客观推理相结合，确保最终设计方案的客观性与合理性。

通过对研究目标的理解与认识，建立一个可将系统分为若干个层次的多级递阶结构。一般而言，每一层次所包含元素的数量不超过9个，如表2所示。

表2　AHP中各标度的含义Table?2　Implication?of?each?indicator?in?AHPIndicatorImplication1Equallyimportant3Slightlymoreimportant5Significantlymoreimportant7Absolutelymoreimportant9Extremelymoreimportant2Gradebetween1and34Gradebetween3and56Gradebetween5and78Gradebetween7and9

基于元素间两两比较的标度，可进一步确定相应的权重系数。本研究选用连乘法对其进行计算，具体过程如式(7)～(9)所示：

式中，bij——第i行，第j列的矩阵因子；

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