基于回收再利用的多材料車身部件選材研究*

崔 岸，李 彬，王學(xué)良，張士展

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130025)

基于回收再利用的多材料車身部件選材研究*

崔 岸，李 彬，王學(xué)良，張士展

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室,長春 130025)

為滿足汽車產(chǎn)品的綠色設(shè)計要求，基于輕量化設(shè)計思想，重點考慮回收再利用性指標(biāo)，研究一種多材料車身部件選材優(yōu)化方法。針對影響車身部件回收再利用性的主要因素，采用模糊推理技術(shù)求解回收再利用值R，提出回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價指數(shù)Rev，并將R和Rev，連同剛度和質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建車身部件多材料選擇的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并運用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得了車身部件的最佳材料組合方案。以某款轎車的車門為例，驗證了所采用方法的有效性。

多材料車身；回收再利用；材料選擇；多目標(biāo)優(yōu)化；遺傳算法

前言

隨著汽車保有量的迅猛增加，能源供給緊張和環(huán)境污染問題日益突出。車身輕量化成為汽車節(jié)能減排的有效手段之一[1-2]。新型輕量化材料的不斷涌現(xiàn)，推動了車身輕量化的進(jìn)程[3]，同時也帶來了困擾人們的環(huán)保和可持續(xù)性發(fā)展的難題。

面向回收再利用的設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計初期充分考慮與回收再利用有關(guān)的一系列問題，比如零部件材料的回收可能性、回收價值和回收處理的工藝性等，力求達(dá)到資源、能源的最大利用，實現(xiàn)最小的環(huán)境污染。如果在車身概念設(shè)計階段充分考慮選用材料的回收再利用性，即可使材料的生命周期進(jìn)一步延長，提高廢棄產(chǎn)品的再生利用率，減少甚至消除產(chǎn)品廢棄過程中直接或間接的污染，從而提升汽車產(chǎn)品的環(huán)境友好性。

傳統(tǒng)的車身材料選擇主要從產(chǎn)品的功能出發(fā)，考慮材料的成本、可靠性、可制造性和美學(xué)等[4]，多材料結(jié)構(gòu)作為一種設(shè)計策略，可以充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢，獲得更高的產(chǎn)品性能和輕量化效果。國內(nèi)外學(xué)者針對多材料車身選材，以及材料的回收再利用問題展開了相關(guān)研究。比如采用質(zhì)量功能部署法、層次分析法和模糊折衷決策等方法分別進(jìn)行材料選擇的研究[5-8]；針對不同材料，如磁性磨料、碳纖維復(fù)合材料(CFRP)等，總結(jié)并提出了回收再利用的主要方法，包括物理法、化學(xué)法和能量回收法[9-10]；建立評價矩陣來評價汽車零部件在回收階段回收材料與污染物排放的關(guān)系[11]；采用先進(jìn)的無損檢測技術(shù)檢測報廢汽車零部件的回收再利用性[12]；利用生命周期評估法評價材料的可回收性[13]。當(dāng)前的研究對材料選擇和材料的回收再利用性分別進(jìn)行了一定的闡述，但是缺乏基于回收再利用的選材方法的系統(tǒng)研究。面向回收再利用的設(shè)計是實現(xiàn)綠色制造的基礎(chǔ)，基于回收再利用的車身材料選擇研究有助于綠色設(shè)計理念的推廣，具有重要意義。

本文中綜合考慮影響車身部件回收再利用的主要因素，運用模糊推理系統(tǒng)對回收再利用值R進(jìn)行量化處理；提出回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價指數(shù)Rev，將R和Rev作為回收再利用性評價指標(biāo)，并結(jié)合輕量化及相關(guān)性能要求，構(gòu)建材料選擇的多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行求解，獲得最佳的材料組合方案，最后通過實例進(jìn)行驗證。

1 基于回收再利用的車身部件選材方法

不考慮材料的提煉過程，只考慮輕量化材料的使用和壽命周期環(huán)節(jié)。在概念設(shè)計階段考慮車身部件的回收再利用性，既要考慮連接類型對部件報廢后可拆解性的影響，還要考慮接頭數(shù)目和種類對部件回收人工成本[14]的影響，以及備選材料和現(xiàn)有回收再利用技術(shù)。本文中考慮5種影響回收再利用性的因素，分別是材料種類、連接類型、材料分離、回收再利用基礎(chǔ)和回收再利用利潤[15-17]。

1.1 回收再利用值R

材料種類、連接類型、材料分離和回收再利用基礎(chǔ)4個影響因素是非定量指標(biāo)，更適合采用模糊語言來表達(dá)。本文中采用調(diào)查問卷的形式，通過專家打分法，把材料種類(數(shù)量)、連接類型(可拆解性)、材料分離(難易程度)和回收再利用基礎(chǔ)(可回收性)4個定性影響因素進(jìn)一步細(xì)化進(jìn)行打分，作為計算回收再利用值R的依據(jù)，并通過模糊推理系統(tǒng)解決非定量因素的定量評估。選擇使用梯形模糊數(shù)進(jìn)行判斷，如式(1)所示。梯形模糊數(shù)定義為：{(n1,n2,n3,n4)│n1,n2,n3,n4∈R；n1

(1)

采用模糊推理系統(tǒng)的Takagi-Sugeno模型[18]進(jìn)行計算，此模型采用輸入模糊語言值，輸出真值參數(shù)的模糊規(guī)則。采用MATLAB軟件，通過輸入連接類型、材料種類、材料分離和回收再利用基礎(chǔ)4個模糊語言值，獲得回收再利用值R。其計算流程如圖1所示。

圖1 回收再利用值R的計算流程

1.2 回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價指數(shù)Rev

回收再利用利潤是指部件在回收再利用過程中所獲得的利潤，它是影響回收再利用性的主要因素之一，即

(2)

式中：Rp為回收再利用利潤；n為部件拆分的零件數(shù)量；i為材料數(shù)目；Prm為回收時材料i的價格；C為回收成本；Cm為材料成本；Co為拆解成本[19]；Wi為材料i的質(zhì)量；Pvm為材料i的原價；rsi為材料i的廢棄率；Pw為人員單位時間報酬；tp為拆解材料時間；np為人員數(shù)量。

鑒于上述計算比較復(fù)雜，計算量大，并考慮影響回收再利用利潤的最主要的因素是材料價格，為簡化計算，另外提出一個回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價指數(shù)Rev，并作為優(yōu)化目標(biāo)之一，其定義為

Rev(Mi)=Prm/Pvm

(3)

1.3 材料選擇多目標(biāo)優(yōu)化模型

考慮具有良好的回收再利用性，即回收再利用值R和回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價指數(shù)Rev要盡可能高，同時滿足輕量化的要求，構(gòu)建車身部件多材料選擇的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并將R，Rev，部件質(zhì)量和性能(主要考慮剛度)作為模型的優(yōu)化目標(biāo)。將材料的密度、彈性模量等材料屬性和部件的幾何參數(shù)作為設(shè)計變量，同時為了減少計算量，采用材料編碼代替材料屬性。備選材料編碼規(guī)則如圖2所示。

圖2 材料編碼與材料類型的映射關(guān)系示意圖

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，給出模型的約束條件，即對零件的厚度、長度、高度和零件拆解后的片數(shù)設(shè)定上下限。

因此，選材多目標(biāo)優(yōu)化模型為

(4)

式中：F，Rev，R和w分別為車門的剛度、回收再利用利潤RP、回收再利用值和質(zhì)量；ti，Li，hi為零件的厚度、長度、高度；tiL，LiL，hiL和tiU，LiU，hiU為厚度、長度、高度的下限和上限；Mi為第i個零件的材料標(biāo)識編碼；m為材料種類；n為部件的零件個數(shù)；Bi為零件拆解后的片數(shù)；BiL和BiU為拆解后片數(shù)的下限和上限。

2 方法的實例應(yīng)用

以某款轎車的左前車門為例進(jìn)行研究方法的應(yīng)用與仿真驗證，車門幾何模型如圖3所示。

圖3 車門幾何模型

備選材料參數(shù)及其編碼如表1所示。車門內(nèi)外板拆解片數(shù)及各部分厚度、長度和寬度上下限如表2所示。建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型為

(6)

式中：F，Rev，R和w分別為車門剛度、回收再利用利潤RP、回收再利用值和質(zhì)量。

表1 備選材料編碼和材料參數(shù)

表2 車門幾何變量范圍

采用非支配多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ進(jìn)行優(yōu)化求解，求解中種群規(guī)模為100，進(jìn)化代數(shù)為200，交叉概率為90%，交叉分布指數(shù)為5，變異分布指數(shù)為20。選擇R值較大的7組材料組合計算結(jié)果，并根據(jù)式(2)求得7組材料組合的回收再利用利潤RP，依次編號，如表3所示。

從表3可以看出，編號5是車門內(nèi)板采用BH鋼，外板采用Al5050鋁合金的組合，其R和Rev值是

表3 計算結(jié)果

注：表中M1，M2兩行中數(shù)字的含義為：1-AZ61A鎂合金；2-Al5050鋁合金；3-BH鋼；4-碳纖維復(fù)合材料。

最高的，同時車門質(zhì)量比編號1(內(nèi)外板均采用BH鋼)的車門質(zhì)量減少了33.3%，本文中重點考慮回收再利用性，并實現(xiàn)輕量化設(shè)計要求，因此編號5是最佳材料組合方案。同時，車門外板改換Al5050后，車輛外側(cè)的質(zhì)量將會減輕，從而使質(zhì)心內(nèi)移，因此還具備提高操控穩(wěn)定性的優(yōu)點。編號3和7都是車門內(nèi)板采用碳纖維復(fù)合材料、外板采用Al5050鋁合金，但材料厚度不同，這種材料組合的車門質(zhì)量是最輕的，尤其是編號7，不但質(zhì)量最輕，其R和Rev值也相對較高，如果重點考慮輕量化設(shè)計，并兼顧回收再利用性，編號7是不錯的解決方案。因此，設(shè)計者可以依據(jù)不同的設(shè)計要求，選擇相應(yīng)的材料組合結(jié)果。

3 結(jié)果仿真驗證

3.1 車門動靜態(tài)剛度分析

原有車門內(nèi)外板材料均為BH鋼，建立的車門有限元模型共有8 112個單元。現(xiàn)將車門外板材料替換為Al5050鋁合金，其它部分材料不變。對車門的下沉剛度、車門窗框側(cè)向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和低階模態(tài)進(jìn)行計算求解，車門剛度和模態(tài)求解結(jié)果見表4。從表4可以看出，車門的各項剛度指標(biāo)均在合理值范圍內(nèi)，表明剛度性能良好。車門1階模態(tài)頻率雖然偏低，但符合通常設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。因此，總體來看，外板選用Al5050鋁合金和內(nèi)板選用BH鋼的車門滿足動靜態(tài)剛度設(shè)計要求。

表4 車門剛度和模態(tài)求解結(jié)果

3.2 車門側(cè)面碰撞仿真

采用側(cè)面剛性柱碰撞試驗進(jìn)行車門碰撞仿真分析[20]。參考FMVSS214和Euro-NCAP要求，剛性柱只沿y方向的平動自由度。剛性柱速度為53km/h(14.7m/s)，整個碰撞時間為25ms。分別對材料改變前后的車門進(jìn)行碰撞仿真分析，結(jié)果見圖4。由圖可見，剛性柱碰撞車門過程中，沙漏能最大值為0.507kJ，車門吸收的能量即內(nèi)能最大值為36.21kJ，沙漏能與內(nèi)能的比值一直維持在較低范圍內(nèi)，最大沙漏能與內(nèi)能的比僅為1.4%，低于10%[21]。因此，認(rèn)為仿真結(jié)果合理。

圖4 車門內(nèi)能和沙漏能碰撞過程變化曲線

通過碰撞仿真分析獲得車門內(nèi)板的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)、內(nèi)能和剛性柱的減速度，進(jìn)行優(yōu)化前后對比，結(jié)果見表5。從表5可以看出，材料替換后車門耐撞性能明顯改善。

表5 車門材料替換前后參數(shù)對比

4 結(jié)論

面向輕量化設(shè)計同時，重點考慮回收再利用性，研究一種多材料的車身部件選材方法。在歸納整理了影響車身部件回收再利用性的5個因素基礎(chǔ)上，應(yīng)用模糊推理系統(tǒng)量化求解回收再利用值R，并提出了回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價指數(shù)Rev。綜合考慮性能、質(zhì)量、回收再利用性構(gòu)建了多材料車身部件選材的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并采用非支配多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ求解。通過對某款車門的實例應(yīng)用，獲得了最佳材料組合方案，即車門外板采用Al5050鋁合金和車門內(nèi)板采用BH鋼。該材料組合在滿足輕量化要求的前提下，具有更高的回收再利用性。通過性能仿真分析與對比，驗證了該方法的有效性。

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A Study on Material Selection for Multi-materialAutobody Components Based on Recycling

Cui An, Li Bin, Wang Xueliang & Zhang Shizhan

JilinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130025

To meet the requirements of green design of automotive product, an optimization scheme for the multi-material selection of car-body components is studied based on lightweight design with the key consideration of recyclability indicators. Aiming at the main factors affecting the recyclability of car-body components, the recycling value R is solved out by using fuzzy inference technique and a recycling economy evaluation index Rev is put forward, which are then taken as optimization objectives together with stiffness and mass to construct a multi-objective optimization model for the multi-material selection of car-body components, and an optimization is conducted by utilizing multi-objective genetic algorithm with the optimal scheme of material combination obtained. Finally with the door component of a car as example, the effectiveness of the method adopted is verified.

multi-material car body; recycling; material selection; multi-objective optimization; genetic algorithm

*國家科技支撐計劃項目(2011BAG03B01)資助。

2016240

原稿收到日期為2016年2月1日，修改稿收到日期為2016年4月19日。