汽车用金属材料的生态设计实践(3)

m——选取的类别个数；

i——评价得分；

wi——归一化结果，即权重；

B——n×n阶判断矩阵；

Wi——权重向量；

(BW)i——矩阵B与向量W相乘所得列向量中的第i个元素；

λmax——最大特征值。

3.1　环境负荷指标分析

3.1.1　材料生产阶段环境负荷的对比

就生产阶段而言，不可再生资源耗竭潜力(ADP)、全球变暖潜力(GWP)、酸化效应(AP)最大的是镁合金，铝合金与钢铁材料所造成的上述3环境影响分别比镁合金低98.90%和99.21%、59.41%和94.87%、64.25%和99.50%；光化学烟雾(POCP)、人体健康损害(HTP)最大的是铝合金，镁合金与钢铁材料所造成的这两类环境影响分别比铝合金低36.06%和99.62%、48.13%和99.92%。总体而言，在材料生产阶段，镁合金所造成的环境负荷最高，其次是铝合金，钢铁最低分别比镁合金、铝合金低97.17%与57.20%，如图3所示。

图3　金属材料生产阶段环境负荷对比Fig.3　Comparison?of?environmental?load?between?the?three?metals?in?the?manufacturing?phase

3.1.2　部件使用阶段环境负荷的对比

由于钢铁制部件的重量大于铝合金和镁合金部件，所以在部件使用(即汽车行驶)阶段，钢铁制部件的耗油量高于铝合金制和镁合金制部件的耗油量，由此造成的环境负荷也高于铝合金制和镁合金制部件，如图4所示。

图4　3种金属材料使用阶段环境负荷对比Fig.4　Comparison?of?environmental?load?between?the?three?metals?in?the?use?phase

由图4可知，钢铁制部件在使用阶段所造成的各单一类型环境影响与总环境影响均最大。镁合金制与铝合金制部件在使用阶段所造成的POCP、ADP、GWP、AP、HTP分别比钢铁制部件低43.86%和25.01%、44.02%和24.94%、43.85%和24.71%、42.54%和24.89%、44.61%和24.89%；此外，钢铁制部件在使用阶段所造成的总环境影响比铝合金制与镁合金制部件分别高78.40%和33.10%。

3.1.3　部件回收阶段环境负荷的对比

回收阶段环境负荷最高的是镁合金制部件，这是因为镁合金中含有氧化物成分，因此，在镁合金废料再使用前必须进行成分调整，以满足相应的使用需求。在回收处理过程中，无论是熔剂法熔炼还是无熔剂法熔炼都需要使用SF6、SO2等含硫保护气体防止熔体氧化，而这些防护物质的使用会对环境产生极大的损害。总体而言，镁合金的回收再生过程比铝合金和钢铁更为复杂，其相应环境负荷也远高于二者。铝合金与钢铁在回收阶段所造成的环境负荷分别比镁合金低80.44%和89.82%，如图5所示。

图5　3种金属材料回收阶段环境负荷对比Fig.5　Comparison?of?environmental?load?between?the?three?metals?in?the?recycling?phase

3.1.4　部件全生命周期环境影响分析

如图6所示，在整个生命周期过程中，钢铁制部件的环境负荷最大，其次是镁合金制部件，铝合金制部件的环境负荷最小，分别比镁合金和钢铁低10.68%和22.59%。

几种环境影响类型的大小有如下关系：POCP>GWP>AP>ADP>HTP。在镁合金的生命周期环境影响中，POCP占总环境影响的56.84%，GWP占总环境影响的22.78%，AP占总环境影响的15.30%，ADP总环境影响的4.57%，其余部分是HTP。在铝合金的生命周期环境影响中，POCP占总环境影响的82.77%，GWP占总环境影响的7.84%，AP占总环境影响的9.33%，ADP与HTP均较小。在钢铁材料的生命周期环境影响中，POCP占总环境影响的84.44%，GWP占总环境影响的7.19%，AP占总环境影响的8.22%，ADP与HTP均较小。

图6　不同环境影响类型间的对比Fig.6　Comparison?of?different?environmental?impact?categories

3.2　性能指标分析

3.2.1　性能-需求矩阵的建立

根据汽车对材料性能的基本需求，确定了汽车前端部件的不同需求Ri及其在生态设计中的相对重要程度wRi，从而建立了可表示二者间相互关联的需求-性能矩阵，如表3所示。

表3　汽车前端部件需求与材料性能的对应权重Table?3　Weighting?factors?between?requirement?and?performance?towards?automobile?front?partWeightingfactorDensityElasticitymodulusTensilestrengthYieldstrengthPoissonratioExtensibilityDeformationresistance50%-20%30%30%10%10%Light-weighting20%100%-----Durability15%60%--20%20%Machine-shaping15%-20%--40%40%Performancefactor100%20%22%15%15%14%14%

3.2.2　单一化性能指标的对比

通过由性能-需求矩阵所获得的权重因子对模糊化后的各项性能数据进行加权求和，得到铝、钢、镁3种金属材料用于汽车前端部件的单一化性能指标分别为0.715、0.774、0.745，如图7所示。就应用于汽车前端部件而言，钢铁材料的综合性能优于铝合金和镁合金，其单一化的性能指标分别比铝合金和镁合金高8.25%和3.89%。

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