基于可再生材料的汽車生態(tài)設(shè)計研究

沈玉潔

摘 要：改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平越來越高，我國的家用汽車保有量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。汽車為人們提供了便捷的出行方式，促進了我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，但汽車對自然環(huán)境的負(fù)面影響越來越大，尤其是在人類資源日益匱乏的大環(huán)境下，自然環(huán)境與經(jīng)濟發(fā)展的沖突已經(jīng)人類社會的主要矛盾。可再生材料可以實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，符合我國可續(xù)發(fā)展的需求，可再生材料在汽車生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)成為汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢，近年來，我國關(guān)于汽車生態(tài)設(shè)計的研究已經(jīng)取得了較大成果，但可再生材料在汽車生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用仍然存在較大的問題。本文將深入地研究我國汽車生態(tài)設(shè)計的現(xiàn)狀與問題，并結(jié)合實際需求建立汽車材料生態(tài)設(shè)計的理論模型，為我國汽車工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：可再生材料；汽車工業(yè)；生態(tài)設(shè)計；數(shù)學(xué)模型

隨著全球經(jīng)濟一體化的快速發(fā)展，汽車工業(yè)的技術(shù)成本越來越低，龐大的市場需求促進了全球汽車工業(yè)的快速發(fā)展。但汽車與環(huán)境之間的沖突已經(jīng)十分突出，汽車制造的原材料以及汽車的燃料都給自然環(huán)境帶來了很大的壓力，除此之外，汽車工業(yè)浪費的資源與造成的污染也是不可忽視的。汽車工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展已經(jīng)成為困擾全球汽車工業(yè)的難題，很多汽車制造商已經(jīng)在汽車的生態(tài)設(shè)計方面取得了一定的成果，以混合動力車與電動汽車為例，混合動力車與電動汽車從能源的角度降低了汽車對環(huán)境的影響。混合動力車與電動汽車僅僅從燃料的角度改進了汽車設(shè)計，并未進行汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計的研究，本文將從汽車材料的角度深入地研究可再生材料在汽車生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用。

1 汽車生態(tài)設(shè)計的概念與介紹

生態(tài)設(shè)計俗稱綠色設(shè)計、環(huán)境設(shè)計或者生命周期設(shè)計，是指將環(huán)境保護因素融入到設(shè)計中，降低產(chǎn)品對自然環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的影響。生態(tài)設(shè)計理念滿足了人類可持續(xù)性發(fā)展的需求，將環(huán)境因素納入了產(chǎn)品設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，減少了產(chǎn)品生命周期內(nèi)對環(huán)境的壓力，汽車工業(yè)中的生態(tài)設(shè)計可以降低汽車工業(yè)材料的廢棄率，提高資源的有效利用率。生態(tài)設(shè)計的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個方面，一是生態(tài)環(huán)境的角度，生態(tài)設(shè)計可以減少資源消耗、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，通過生態(tài)設(shè)計建立新型的消費觀念，確立以環(huán)境保護為基礎(chǔ)的汽車工業(yè)體系，以預(yù)防為主，減少汽車工業(yè)中的資源浪費。二是經(jīng)濟發(fā)展的角度，生態(tài)設(shè)計可以降低企業(yè)的原材料成本，降低企業(yè)對消耗材料的依賴性，提高了企業(yè)的綜合競爭力，生態(tài)設(shè)計的理念符合人類經(jīng)濟發(fā)展的長期戰(zhàn)略。生態(tài)設(shè)計體系需要多種理念的支持，包括產(chǎn)品共享、產(chǎn)品功能優(yōu)化、功能組合等。

目前，全球已經(jīng)有很多汽車企業(yè)正在采用生態(tài)設(shè)計模式，現(xiàn)有的生態(tài)設(shè)計一般是中短期內(nèi)的改進設(shè)計方案，在原有的產(chǎn)品開發(fā)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，并未實現(xiàn)長期戰(zhàn)略體系。汽車工業(yè)領(lǐng)域的生態(tài)設(shè)計需要從原材料、制造、燃料等多個環(huán)節(jié)運用環(huán)境保護的設(shè)計原則。汽車生態(tài)設(shè)計不僅需要滿足人們當(dāng)前的發(fā)展需求，還需要將人類的未來發(fā)展納入設(shè)計范疇，因此，汽車生態(tài)設(shè)計是一項非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。一方面需要在汽車工業(yè)領(lǐng)域推廣生態(tài)設(shè)計的理念，另一方面需要有關(guān)部門通過制度詳細(xì)的發(fā)展規(guī)劃，引導(dǎo)汽車領(lǐng)域的生態(tài)設(shè)計。

2 汽車可再生材料的簡介

可再生材料與再生材料具有一定的差別，可再生材料指的是再生材料中可以再次回收加工原材料的部分，可再生材料屬于再生材料的范疇，不包括燃料、水等資源，用于焚燒、堆肥等材料不屬于可再生材料，目前，全球范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)很多可再生材料，包括紙制品、金屬、塑料、橡膠、電子產(chǎn)品、建材等。汽車工業(yè)的可再生材料具備較高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不僅需要滿足汽車基本的強度要求，還需要具備很好的加工特性，現(xiàn)有的汽車可再生材料主要是指天然增強纖維，天然增強纖維具備較好的力學(xué)性能與加工性能，在汽車的碰撞測試中效果很好，天然增強纖維主要來源于農(nóng)業(yè)種植，可以帶動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。除此之外，天然增強纖維對二氧化碳的減排作用很明顯，作物通過光合作用吸收的碳元素轉(zhuǎn)化為可利用的材料，對全球溫室效應(yīng)有著積極作用。

汽車工業(yè)中使用的天然植物纖維是經(jīng)過人工處理之后的，需要向材料中加入其他的成分才能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)，天然增強纖維所需制造成本是傳統(tǒng)玻璃纖維的20%，除此之外，天然增強纖維的質(zhì)量很輕，可以有效減輕汽車的整體重量，降低了汽車燃料的消耗量，減少了對環(huán)境的危害，經(jīng)過相關(guān)的實驗，天然增強纖維可以承受紫外線輻射、雨水侵蝕或者石塊碰撞，率先推出天然增強纖維車輛配件的是德國一家汽車企業(yè)，他們在材料中摻入了大麻纖維，最后通過磨具壓制成型，經(jīng)過長時間跟蹤監(jiān)測，天然增強纖維制成的汽車部件具備較好的抗溫沖、抗載荷沖擊、抗腐蝕等能力，除此之外，天然增強纖維還可以用于制作汽車座椅、氣缸蓋罩、儀表板支撐等汽車部件。

3 影響汽車材料回收利用的因素

根據(jù)相關(guān)研究，可以將影響汽車材料回收利用的因素歸納為五個方面，包括材料種類、連接類型、材料分離、材料回收再利用技術(shù)基礎(chǔ)、材料回收再利用的利潤等，除了上述五項因素外，還有其他因素制約著汽車材料的回收利用，比如材料成本、人力成本等。汽車材料的回收再利用價值評估的流程如圖1所示。

圖 1汽車材料的回收再利用價值評估的流程圖

材料種類，汽車部件的材料很多，采用單一材料的汽車難以達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是汽車制造工藝難以滿足要求，但隨著才來哦技術(shù)的不斷突破，單一汽車使用多種材料的技術(shù)已經(jīng)存在，以日本本田的鋼材—鋁合金組合門為例，可以有效減輕汽車重量，但單部件多材料技術(shù)的工藝很復(fù)雜，增加了汽車材料的回收成本，降低了材料的回收再利用價值。

連接類型，目前，汽車工業(yè)中的零部件連接方式主要有三種，包括膠水粘接、鉚釘連接以及氬弧點焊，除此之外，一些連接強度要求不高的部分采用卡扣或者螺栓連接，汽車的連接類型直接決定著汽車的拆解難度，現(xiàn)有的拆除技術(shù)分為破壞性拆除與非破壞性拆除，而對于回收再利用的零部件，應(yīng)該盡量采用非破壞性拆除，但非破壞性拆除降低了汽車零部件的連接強度，對汽車的安全性影響較大，因此，需要對車輛的連接類型進行量化評估。

材料分離，材料的分離對象是汽車的零件，汽車的材料分離是指將粉碎后的汽車材料進行分類，將其中不同材質(zhì)的材料分離出來，材料分離的難度主要受零件直接的連接方式的影響，一體化成型的汽車技術(shù)可以有效減少汽車接頭數(shù)量，降低分離成本。

材料回收再利用技術(shù)基礎(chǔ)，材料回收再利用技術(shù)基礎(chǔ)是影響材料回收的主要因素，材料回收再利用技術(shù)基礎(chǔ)還包括了相關(guān)的設(shè)備，不同的材料有不同的回收方式，但對復(fù)合材料而言，材料回收再利用的技術(shù)最復(fù)雜，材料回收的成本也最高，因此，汽車材料的回收再利用需要有足夠的技術(shù)基礎(chǔ)。

材料回收再利用的利潤，材料回收再利用的利潤是直接制約材料回收的根本原因，企業(yè)是以利潤最大化為根本目標(biāo)的組織，如果企業(yè)不能通過材料回收獲得相應(yīng)的利潤，很多企業(yè)就不會增加材料回收再利用的投入，材料回收再利用的利潤空間直接決定了未來汽車材料發(fā)展的趨勢。

4 汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計的數(shù)學(xué)模型

汽車的材料輕量化有利于控制車輛的整體重量，隨著材料技術(shù)研究的不斷深入，復(fù)合材料車輛零部件的應(yīng)用越來越多，復(fù)合材料的可以保證車輛具備足夠的強度，同時最大限度地減輕車輛的重量，根據(jù)車輛的設(shè)計需求選擇合適的材料，包括車保險杠、門外板、車門內(nèi)板等。汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計流程如下：明確設(shè)計模型 → 評估材料性能 → 備用材料選擇 → 優(yōu)化方案設(shè)計 → 實驗檢測。根據(jù)汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計的流程，首先根據(jù)材料的性能要求設(shè)計方案，汽車材料的設(shè)計方案主要根據(jù)設(shè)計要求確定，按照制定的約束條件選擇材料，同時做好備選方案，最后針對相應(yīng)的部件進行檢測。汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計的流程如圖2所示。

圖2汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計的流程

5 結(jié)語

可再生材料在汽車生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用可以有效提高資源的使用效率，最大限度地降低了汽車工業(yè)對自然環(huán)境的負(fù)面影響，同時汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計具有較高的經(jīng)濟潛力，可以降低企業(yè)的原材料成本，符合企業(yè)與經(jīng)濟的發(fā)展要求。汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計為人類提供了新的發(fā)展思路，可以有效緩解人類發(fā)展與自然環(huán)境之間的矛盾，擴展了汽車工業(yè)的環(huán)保途徑，我國關(guān)于汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計的研究起步較晚，現(xiàn)有的汽車可再生材料生態(tài)設(shè)計理論難以用于實際工業(yè)生產(chǎn)，嚴(yán)重制約了可再生材料在汽車生態(tài)設(shè)計中的應(yīng)用。本文從汽車生態(tài)設(shè)計、影響可再生材料的因素以及實際應(yīng)用模型等多個角度分析了汽車的可再生材料生態(tài)設(shè)計，并根據(jù)汽車工業(yè)發(fā)展要求提出了可行的設(shè)計方案，希望本文的研究有利于我國汽車工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

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