汽车用金属材料的生态设计实践(4)

3.3　零部件生态设计结果

3.3.1　基于模糊矩阵的生态设计结果

为了使3个矩阵能够在同一维度上进行定量比较与

图7　3种金属材料的综合性能指标值对比Fig.7　Comparison?of?the?integrated?performance?indicator?between?the?three?metals

加权求和，进行模糊化处理如下：对性能子矩阵进行归一化处理，得到矩阵U1=(U11,U12,U13)=(铝合金，钢铁，镁合金)=(0.320，0.347，0.333)；在生态设计中，环境负荷与经济成本属于“越小越好”的设计因素，因此需对二者进行取倒归一化处理(即对其倒数进行归一化)，得到环境影响矩阵U2=(U21,U22,U23)=(铝合金，钢铁，镁合金)=(0.374，0.292，0.334)，经济成本矩阵U3=(U31,U32,U33)=(铝合金材料，钢铁材料，镁合金材料)=(0.339，0.313，0.348)。3种材料的评价矩阵可统一表示为式(10)：

对于汽车前端部件这一应用情景，材料性能对部件需求的满足为设计的首要考虑因素，其次为环境负荷与经济成本。在这一总原则下，采用层次分析法对3项设计因素进行两两对比，其结果如表4所示。

表4　生态设计三要素之间的重要性标度Table?4　Importance?indicators?of?the?three?eco-design?essences?in?this?studyPhysicalperformanceEnviro

以表4中的标度为基础，按照公式(5)、(6)计算得到w1=(1×2×2)1/3=1.58，w2=(0.5×1×1)1/3=0.79，w3=(0.5×1×1)1/3=0.79，以及归一化结果A1=0.5，A2=0.25，A3=0.25。进而得到材料性能、环境影响、经济成本的权重值分别为0.5、0.25、0.25，相应综合评价结果可表示为式(11)：

式中，S1为铝合金材料生态设计综合评价结果，S2为钢铁材料生态设计综合评价结果，S3为镁合金材料生态设计综合评价结果。

依据最大隶属度原则可知，铝合金的生态设计评价结果优于镁合金与钢铁。此外，若采用等权重方法对各项设计要素进行加权求和，则计算结果为：S=(S1，S2，S3)=(0.345，0.317，0.338)，可知S1>S3>S2；这一结果同样显示出选用铝合金制造汽车零部件比选用镁合金与钢铁更符合生态设计的理念。

3.3.2　基于传统生态设计思想的设计结果

为了表现本研究结果对生态设计方法的敏感性，在不考虑经济成本的情况下，采用传统的生态设计方法对3种材料进行了定量分析，选取W=P/I为评价基准(其中，P表示材料的使用性能，I表示材料的环境影响)，其意义为单位环境负荷所产生的性能回报。

镁合金的综合评价指标W1=P1/I1=3.18E+09，铝合金的综合评价指标W2=P2/I2=3.42E+09，钢铁综合评价指标W3=P3/I3=2.88E+09。由此可见，与基于模糊矩阵的生态设计评价结果相一致，传统生态设计评价结果也支持了铝合金优于镁合金与钢铁这一趋势。两种设计思想结果的一致性，增加了选用铝合金制造汽车零部件最符合生态设计理念这一结论的可靠性。

通过对铝、钢、镁3种金属材料在典型汽车零部件中应用的性能-环境-经济多设计指标进行综合分析，本文尝试性地提出了面向实际应用的金属材料生态设计方法及其实践步骤，所得结论如下：

(1)?3种材料的性能对比结果显示，钢铁的综合性能优于铝合金与镁合金，其性能单一化指标分别比铝合金与镁合金高8.25%和3.89%。

(2)?在所设定的系统边界内，钢铁的生命周期环境负荷最高，其次是镁合金，铝合金的环境负荷最低，分别比镁合金与钢铁低10.68%和22.59%。

(3)?与钢铁和镁合金相比，将铝合金应用于汽车前端部件制造更符合生态设计的理念。

专栏特约编辑聂祚仁

特约撰稿人龚先政

特约撰稿人高　峰

特约撰稿人周和敏

特约撰稿人孙博学

聂祚仁:男，1963年生，博士，教授，博士生导师。1997年于中南大学材料系获博士学位，2002年9月～2004年3月为日本东京大学、名古屋大学客员教授。“长江学者”特聘教授，现任任北京工业大学副校长。兼任国家“863”新材料技术领域主题组专家，国家自然科学基金委专家评审组专家；Int.?J.?LCA(德国)中国区编委和全球LCA中心联盟中方委员，稀贵金属国家重点实验室学术委员会主任，中国材料研究学会常务理事等。获国家杰出青年科学基金并“特优”验收，入选国家百千万工程领军人才，被授予“全国五一劳动奖章”等。主要从事有色金属冶金材料加工及其循环再造研究。先后主持国际合作和国家“973”课题、“863”重点项目课题、重点基金等20余项，获国家技术发明二等奖2项(第1、4)、国家科技进步二等奖2项(第1、2)和国家科技进步一等奖1项(第10)；授权发明专利和软件著作权50余件；出版专著、教材4部，论文被SCI/EI收录百余篇、他引两千多次。

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