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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130025)

為滿足汽車產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)要求，基于輕量化設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)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(jià)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(yùn)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(yàn)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(shí)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(jì)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jià)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(shí)現(xiàn)最小的環(huán)境污染。如果在車身概念設(shè)計(jì)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(jì)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(jià)矩陣來評價(jià)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(bào)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(jià)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(jì)是實(shí)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(jì)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(yùn)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(jià)指數(shù)Rev，將R和Rev作為回收再利用性評價(jià)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(shí)例進(jìn)行驗(yàn)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(jì)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(bào)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(gè)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(gè)定性影響因素進(jìn)一步細(xì)化進(jìn)行打分，作為計(jì)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(jì)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(gè)模糊語言值，獲得回收再利用值R。其計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 回收再利用值R的計(jì)算流程

1.2 回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價(jià)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(shí)材料i的價(jià)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(jià)；rsi為材料i的廢棄率；Pw為人員單位時(shí)間報(bào)酬；tp為拆解材料時(shí)間；np為人員數(shù)量。

鑒于上述計(jì)算比較復(fù)雜，計(jì)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(jià)格，為簡化計(jì)算，另外提出一個(gè)回收再利用經(jīng)濟(jì)性評價(jià)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(jià)指數(shù)Rev要盡可能高，同時(shí)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(jì)變量，同時(shí)為了減少計(jì)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(jì)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(gè)零件的材料標(biāo)識編碼；m為材料種類；n為部件的零件個(gè)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(shí)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(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)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(diǎn)考慮回收再利用性，并實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)要求，因此編號5是最佳材料組合方案。同時(shí)，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(diǎn)。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(diǎn)考慮輕量化設(shè)計(jì)，并兼顧回收再利用性，編號7是不錯(cuò)的解決方案。因此，設(shè)計(jì)者可以依據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，選擇相應(yīng)的材料組合結(jié)果。

3 結(jié)果仿真驗(yàn)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(gè)單元?，F(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(jì)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(xiàng)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(jì)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(jì)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(yàn)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(gè)碰撞時(shí)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(jì)同時(shí)，重點(diǎn)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(gè)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(jià)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(shí)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(yàn)證了該方法的有效性。

[1] GIRUBHA R J, VINODH S. Application of FUZZY VIKOR and environmental impact analysis for material selection of an automotive component[J]. Materials & Design,2012,37:478-486.

[2] 黃金陵.汽車車身設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[3] 李永兵,李亞庭,樓銘,等.轎車車身輕量化及其對連接技術(shù)的挑戰(zhàn)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012(18):44-54.

[4] ASHBY M F, BRéCHET Y, CEBON D. Selection strategies for materials and processes[J]. Adv Eng Mater,2002,4(6):327-334.

[5] CUI X, WANG S, HU S J. A method for optimal design of automotive body assembly using multi-material construction[J]. Mater Des,2008,29(2):381-387.

[6] MAYYAS A, SHEN Q, MAYYAS A, et al. Using quality function deployment and analytical hierarchy process for material selection of body-in-white[J]. Materials and Design,2011,32(5):2771-2782.

[7] 崔岸,王學(xué)良,王希閣,等.基于模糊折衷決策的車身輕量化材料選擇方法[J].汽車工程,2015,37(6):731-736.

[8] ZHOU C C, YIN G F, HU X B. Multi-objective optimization of material selection for sustainable products: artificial neural networks and genetic algorithm approach[J]. Mater Des,2009,30(4):1209-1215.

[9] 王海龍,李文輝,趙珂,等.磁性磨料的回收與再利用[J].磁性材料及器件,2014(4):1-3.

[10] 張東致,萬怡灶,羅紅林,等.碳纖維復(fù)合材料的回收與再利用現(xiàn)狀[J].中國塑料,2013(2):1-2.

[11] 殷仁述,成軍浩,楊沿平,等.汽車零部件報(bào)廢回收階段污染物排放評價(jià)研究——以汽車電動座椅為例[J].中國科技論文,2015(7):772-776.

[12] 龐林花,文桂林.報(bào)廢回收汽車零部件再利用的無損檢測技術(shù)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014(11):55-60.

[13] SAKUNDARINI N, TAHA Z, ABDUL-RASHID S H, et al. Optimal multi material selection for lightweight design of automotive body assembly incorporating recyclability[J]. Materials & Design,2013,50(17):846-857.

[14] FIKSEL J R. Design for environment: a guide to sustainable product development[M]. McGraw Hill,2009:410.

[15] MAHMUDI H, ABEDIAN A, MAHMUDI R. A novel method for materials selection in mechanical design: combination of non-linear normalization and a modified digital logic method[J]. Mater Des,2007,28(1):8-15.

[16] SARFARAZ KHABBAZ R, DEHGHAN MANSHADI B, ABEDIAN A, et al. A simplified fuzzy logic approach for materials selection in mechanical engineering design[J]. Mater Des,2009,30(3):687-697.

[17] Raja Ariffin Raja Ghazilla, Zahari Taha, Sumiani Yusoff, et al. Development of decision support system for fastener selection in product recovery oriented design[J]. Adv Manuf Technol,2014,70(5-8):1403-1413.

[18] 李合生,毛劍琴,代冀陽.基于遺傳算法的廣義Takagi-Sugeno模糊邏輯系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)辨識[J].自動化學(xué)報(bào),2002(4):581-586.

[19] 崔新濤.多材料結(jié)構(gòu)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D].天津:天津大學(xué),2007:50-51.

[20] 胡遠(yuǎn)志,曾必強(qiáng),謝書港.基于LS-DYNA和HyperWorks的汽車安全仿真與分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[21] 隋允康,宇慧平.響應(yīng)面方法的改進(jìn)及其對工程優(yōu)化的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011.

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(jì)劃項(xiàng)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。