基于結(jié)構(gòu)輕量化的城市客車車身生命周期評(píng)價(jià)*

王 童，杜軼群，陳軼嵩，韓日美

（1. 長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，西安 710064；2. 長(zhǎng)安大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，西安 710064；3. 西安軌道交通集團(tuán)，西安 710021）

前言

生態(tài)問(wèn)題日益突出，國(guó)家越來(lái)越重視生態(tài)文明建設(shè)，強(qiáng)調(diào)綠色驅(qū)動(dòng)發(fā)展。對(duì)于汽車產(chǎn)業(yè)，國(guó)家政策重點(diǎn)支持并積極推動(dòng)綠色發(fā)展，尤其對(duì)質(zhì)量大、排放多的客車產(chǎn)業(yè)。大量研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，輕量化可有效節(jié)能減排，且已取得一定成效。

近年來(lái)，輕量化發(fā)展已逐漸趨于成熟，但對(duì)其實(shí)際節(jié)能減排效果的量化評(píng)價(jià)研究還很少。隨著生態(tài)問(wèn)題日益凸顯，輕量化技術(shù)發(fā)展越來(lái)越須與生態(tài)評(píng)價(jià)相結(jié)合。國(guó)外對(duì)輕量化的研究較早，發(fā)展較成熟，已提出了一些生態(tài)效益評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)輕量化技術(shù)發(fā)展較晚，現(xiàn)在更注重發(fā)展輕量化技術(shù)，對(duì)生命周期評(píng)價(jià)研究還處于起步階段，且僅限于理論研究。俞寧構(gòu)建了汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)框架，并提出了產(chǎn)品生態(tài)價(jià)值的概念，從微觀的角度深入剖析汽車產(chǎn)品生命周期過(guò)程，理清了汽車產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)的研究思路，概括了整個(gè)評(píng)價(jià)過(guò)程所需要的關(guān)鍵技術(shù)和步驟，給出了綜合評(píng)價(jià)框架模型。陳志林以汽車前端模塊為研究對(duì)象，從汽車全生命周期視角，對(duì)輕量化前的純鋼前端模塊和輕量化后的鋁鋼前端模塊進(jìn)行生態(tài)評(píng)價(jià)。徐建全等在輕量化設(shè)計(jì)階段協(xié)同考慮了輕量化后的全生命周期能耗、環(huán)境排放和成本的變化，并進(jìn)行了輕量化全生命周期多目標(biāo)優(yōu)化研究，達(dá)到了在輕量化的同時(shí)，不增加汽車全生命周期的能耗、環(huán)境排放和成本的目標(biāo)。之后，他們又應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Vensim 建立了基于中國(guó)數(shù)據(jù)的汽車產(chǎn)品輕量化全生命周期綜合效益動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型，對(duì)汽車產(chǎn)品輕量化（主要是選用輕量材料）從材料、能耗、排放和成本4 個(gè)方面造成的影響進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與分析。

現(xiàn)在客車制造材料主要以鋼鐵為主，占比高達(dá)65%以上，隨著材料制造技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵材料在客車所用總材料占比逐漸下降，陸續(xù)出現(xiàn)高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金甚至碳纖維材料，近年來(lái)這些材料在客車上應(yīng)用比例逐漸提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)用途和形式分為6 種，有3 種用于概念設(shè)計(jì)階段，分別為拓?fù)鋬?yōu)化（確定材料最優(yōu)布置）、形貌優(yōu)化（確定肋板或加強(qiáng)筋位置）和自由尺寸優(yōu)化（確定本身鈑件的厚度分布），另外3 種用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，分別為尺寸優(yōu)化（確定零件的截面尺寸）、形狀優(yōu)化（確定零件的幾何形狀）和自由形狀優(yōu)化（確定研究區(qū)域的最合適形狀）。隨著材料輕量化與結(jié)構(gòu)輕量化技術(shù)成熟，相應(yīng)的加工工藝技術(shù)也不斷改進(jìn)，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)車身骨架輕量化。

本文以某12 m 全承載混合動(dòng)力城市客車為研究對(duì)象，首先通過(guò)有限元分析，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化和安全性分析。接著，對(duì)模型做生命周期量化評(píng)價(jià)，分析了客車優(yōu)化前后對(duì)資源、能源消耗和環(huán)境的影響，彌補(bǔ)了先前研究的不足。研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

車型具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 車型主要技術(shù)指標(biāo)

有限元模型主要采用殼單元?jiǎng)澐?，具體各部位單元類型如表2所示。

表2 各部位單元類型

根據(jù)以往諸多分析經(jīng)驗(yàn)和網(wǎng)格尺寸敏感性分析結(jié)論，本次車身采用10 mm 的單元對(duì)模型進(jìn)行離散，離散后有限元模型單元數(shù)量為493 397個(gè)，其中三角形單元5 987 個(gè)、四邊形單元487 410 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量378 517 個(gè)?？蛙囍饕考d荷質(zhì)量與形式如表3所示。

表3 主要載荷質(zhì)量與加載形式

1.2 強(qiáng)度分析

1.2.1 彎曲工況強(qiáng)度分析

首先，對(duì)載荷與邊界約束進(jìn)行處理。約束兩后輪的3 個(gè)方向平動(dòng)自由度，約束兩前輪2 個(gè)方向平動(dòng)自由度，對(duì)整車施加重力，對(duì)整車的乘員、動(dòng)力總成和其他集中載荷的部位施加集中載荷，使整車處于滿載工況。接著，用HyperWorks 自帶RADIOSS求解器進(jìn)行求解計(jì)算，得到的應(yīng)力云圖如圖2 所示，最大應(yīng)力168.8 MPa，位于客車后門(mén)左側(cè)立柱與頂蓋縱梁連接部位，應(yīng)力較高部位主要集中在車身中后部。車身側(cè)圍采用Q345 鋼，許用應(yīng)力265.38 MPa，客車整體滿足強(qiáng)度要求。

圖2 客車彎曲強(qiáng)度應(yīng)力云圖

接著，分析客車強(qiáng)度裕量。客車車身一般分為6 大片：頂蓋、前圍、后圍、左側(cè)圍、右側(cè)圍和底架。分別分析6 大片應(yīng)力分布情況，均滿足強(qiáng)度要求，且低應(yīng)力區(qū)域（應(yīng)力小于80 MPa）占比均超過(guò)80%，說(shuō)明該客車有較大的強(qiáng)度裕量，優(yōu)化潛力很大。

1.2.2 極限扭轉(zhuǎn)工況強(qiáng)度分析

此處的極限扭轉(zhuǎn)工況是指單輪懸空的極限載荷工況。與彎曲工況分析相同，首先施加載荷及邊界約束。約束兩后輪3 個(gè)方向的平動(dòng)自由度，約束左前輪/2個(gè)方向的平動(dòng)自由度，約束右前輪方向的平動(dòng)自由度，對(duì)右前輪施加方向的強(qiáng)迫位移。接著用HyperWorks 自帶RADIOSS 求解器進(jìn)行求解計(jì)算，得到扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度應(yīng)力云圖，如圖3 所示，最大應(yīng)力223.6 MPa，位于左側(cè)圍第1個(gè)乘客窗下部橫梁與右邊縱梁連接處。車身側(cè)圍采用Q345鋼，許用應(yīng)力265.38 MPa，滿足強(qiáng)度要求。深入分析6 大片應(yīng)力范圍分布，可得6 大片結(jié)構(gòu)均滿足強(qiáng)度要求，且除左側(cè)圍骨架外，其他低應(yīng)力區(qū)域（應(yīng)力小于80 MPa）均超過(guò)90%，尤其是底架，高達(dá)96.6%。極限扭轉(zhuǎn)工況下，該客車強(qiáng)度也有較大裕量，優(yōu)化潛力很大。

圖3 客車扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度應(yīng)力云圖

1.3 剛度分析

本文中通過(guò)對(duì)變形的分析，間接反映客車的剛度。

1.3.1 彎曲工況剛度分析

彎曲工況下，車身整體最大變形量15.25 mm，如圖4 所示。車身整體變形量控制在20～30 mm 以內(nèi)，符合剛度要求，變形較大區(qū)域位于后圍。

圖4 客車彎曲剛度云圖

根據(jù)開(kāi)口變形情況分析，彎曲工況下，該客車主要開(kāi)口變形量均未超過(guò)0.2%，且80%左右開(kāi)口變形量不超過(guò)0.15%，局部剛度裕量大，有利于輕量化。

1.3.2 極限扭轉(zhuǎn)工況剛度分析

極限扭轉(zhuǎn)工況下，該客車最大變形量在與駕駛員相近的左側(cè)圍區(qū)域，為25.57 mm，如圖5所示。整車變形量符合經(jīng)驗(yàn)要求。底架最大變形量21.75 mm，經(jīng)驗(yàn)值20 mm，底架變形偏大，但也基本滿足要求。

圖5 客車扭轉(zhuǎn)剛度云圖

對(duì)開(kāi)口變形進(jìn)行分析，前窗對(duì)角線及左側(cè)圍前部對(duì)角線變形較大，變形比均超過(guò)0.2%，但超出不多，其他部位變形量較小，小于0.2%，整體而言，82%以上部位變形比低于0.2%，裕量仍較大。

1.4 模態(tài)分析

對(duì)客車進(jìn)行自由模態(tài)分析可得，該客車前10 階頻率在9.01～23.94 Hz之間，如表4所示。滿足車身低階振動(dòng)頻率要求，且前10 階振型整體基本平順，沒(méi)有突變或局部振型出現(xiàn)，車身固有動(dòng)態(tài)特性良好，總體符合要求。

表4 客車前10階頻率

2 車身骨架結(jié)構(gòu)輕量化

2.1 輕量化分析

主要從3 個(gè)方面實(shí)現(xiàn)輕量化：材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化和工藝輕量化。

2.1.1 材料輕量化

表5為幾種車用輕型材料特性。

表5 幾種材料特性對(duì)比

2.1.2 工藝輕量化

常見(jiàn)工藝優(yōu)化方式與特點(diǎn)見(jiàn)表6。

表6 各種先進(jìn)工藝介紹

本文中所研究的客車骨架質(zhì)量2 692 kg，底架質(zhì)量1 242 kg，采用OptiStruct 優(yōu)化軟件對(duì)客車結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，包括客車前圍、后圍、左右側(cè)圍和頂蓋以及底架各桿件的連接位置、桿件長(zhǎng)度、各桿件截面尺寸截面厚度等參數(shù)，通過(guò)減小截面尺寸和厚度來(lái)降低車身質(zhì)量。

2.1.3 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化主要就是采用OptiStruct 軟件對(duì)車身骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文中選取前段橫梁、前端縱梁、中段橫梁、中段縱梁、后段橫梁、后段縱梁的厚度為設(shè)計(jì)變量。作為優(yōu)化的約束條件，各設(shè)計(jì)變量的變化范圍如表7所示。

表7 設(shè)計(jì)變量賦值

選擇體積分?jǐn)?shù)作為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過(guò)OptiStruct優(yōu)化設(shè)計(jì)，將厚度圓整后得到車身骨架質(zhì)量為266.3 kg，比原骨架質(zhì)量213.8 kg 減輕52.5 kg，占比19.7%，輕量化效果明顯，對(duì)底架而言，減質(zhì)量4.2%。

2.2 輕量化后結(jié)構(gòu)分析對(duì)比

2.2.1 靜態(tài)分析對(duì)比

經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后，以和前面相同的方法進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度、剛度分析，對(duì)比結(jié)果如圖6 和圖7 所示。彎曲工況和極限扭轉(zhuǎn)工況車身6 大片強(qiáng)度和剛度仍基本符合要求。彎曲工況下客車車身骨架強(qiáng)度甚至稍有提高，但剛度稍有降低；極限扭轉(zhuǎn)工況下車身骨架強(qiáng)度和剛度有明顯降低，但整體符合剛度要求。

圖6 彎曲扭轉(zhuǎn)工況優(yōu)化前后強(qiáng)度對(duì)比

圖7 彎曲扭轉(zhuǎn)工況優(yōu)化前后剛度對(duì)比

2.2.2 模態(tài)分析對(duì)比

優(yōu)化后該客車前10 階固有頻率在8.66～22.15 Hz 之間，各階頻率均比優(yōu)化前小，如圖8 所示，但滿足車身低階振動(dòng)頻率要求，優(yōu)化后固有頻率合格。優(yōu)化后車身振型不可避免發(fā)生了一些變化，但前10 階車身振型仍較圓滑，沒(méi)有突變和局部振型，因此，模型振型符合要求。

圖8 優(yōu)化前后各階模態(tài)對(duì)比

3 大客車輕量化生命周期評(píng)價(jià)

生命周期評(píng)價(jià)（life cycle assessment，LCA）包括4 個(gè)步驟：目標(biāo)與范圍確定、清單分析、影響評(píng)價(jià)和結(jié)果解釋，4 個(gè)步驟相互連接構(gòu)成生命周期評(píng)價(jià)框架，如圖9所示。

圖9 生命周期評(píng)價(jià)各個(gè)環(huán)節(jié)

3.1 目標(biāo)與范圍確定

3.1.1 研究目標(biāo)

（1）通過(guò)定量計(jì)算輕量化前后全生命周期物質(zhì)與能量的消耗和環(huán)境影響，對(duì)比輕量化前后生態(tài)影響差異，確定大客車優(yōu)化的真實(shí)節(jié)能減排效果，繼而推斷出大客車整車輕量化實(shí)際資源能源節(jié)約和環(huán)保情況。

（2）為客車企業(yè)綠色輕量化技術(shù)路徑的選擇提供參考和借鑒。

（3）將生命周期的理論和方法推廣應(yīng)用到汽車行業(yè)，使政府、行業(yè)和企業(yè)對(duì)該方法有一定認(rèn)識(shí)，并利用該方法有效解決爭(zhēng)議，也可用來(lái)輔助決策。

3.1.2 系統(tǒng)邊界

客車生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)的邊界如圖10所示。由于客車整個(gè)生命周期不考慮物流過(guò)程、銷售階段和維護(hù)，故只包括4 個(gè)階段：原材料獲取階段、制造階段、使用階段和報(bào)廢回收階段。

圖10 系統(tǒng)邊界

3.1.3 功能單位

功能單位確定是全生命周期評(píng)價(jià)研究基礎(chǔ)，只有基于同一功能單位下的LCA 才具有相對(duì)可比性，因此，也是輕量化前后大客車生命周期分析的基準(zhǔn)。本文中功能單位為同一12 m 混合動(dòng)力城市客車，滿載質(zhì)量18 t，且都在我國(guó)道路上行駛8 萬(wàn)km，然后報(bào)廢回收。

3.2 清單數(shù)據(jù)收集與建模

這個(gè)環(huán)節(jié)主要記錄系統(tǒng)輸入輸出，旨在通過(guò)清單分析捋順產(chǎn)品、過(guò)程或服務(wù)在生命周期每個(gè)階段或全生命周期內(nèi)的資源與能源需求量和污染物排放量。按照上述客車整個(gè)生命周期劃分的4 個(gè)階段進(jìn)行數(shù)據(jù)收集建模。

3.2.1 原材料獲取階段

原材料獲取階段是指將開(kāi)采的礦產(chǎn)資源通過(guò)特定加工工序轉(zhuǎn)變?yōu)檐囉迷牧稀⒃摽蛙嚱M成材料相關(guān)數(shù)據(jù)輸入軟件GaBi 中即可對(duì)其原材料獲取階段進(jìn)行建模計(jì)算。整個(gè)客車車身骨架使用材料主要是Q235 和Q345 鋼，利用這些數(shù)據(jù)就能進(jìn)行建模計(jì)算。

3.2.2 制造階段

制造階段是指將上一步所獲的車用原材料根據(jù)實(shí)際功能需求轉(zhuǎn)變?yōu)檐囉貌考倪^(guò)程。這一過(guò)程忽略直接環(huán)境排放，主要考慮該階段各種能源消耗。此階段工作主要是生產(chǎn)制造Q345冷拔矩形管，并根據(jù)不同結(jié)構(gòu)所需大小將冷拔管組焊在一起。計(jì)算該過(guò)程能耗和排放須清楚了解客車骨架制作工藝流程，并收集其制造過(guò)程的電力消耗數(shù)據(jù)。

Q345 冷拔矩形管生產(chǎn)過(guò)程主要包括切斷、熱處理、矯直、酸洗、烘干、打頭、冷拔、切頭尾和矯直等工藝。表8 為Q345 冷拔矩形管生產(chǎn)制造過(guò)程所需設(shè)備和能耗。

表8 Q345冷拔矩形管加工過(guò)程使用的主要設(shè)備和能耗

生產(chǎn)后要對(duì)冷拔矩形管進(jìn)行工藝加工組裝和耗能分析。切割和焊接過(guò)程消耗的主要是電能。根據(jù)文獻(xiàn)，切割時(shí)消耗電能為0.696 MJ/kg，焊接消耗電能為0.61 MJ/kg。上述清單數(shù)據(jù)收集完成后，即可在GaBi軟件中進(jìn)行建模。

3.2.3 使用階段

本文中不考慮維修和更換過(guò)程，在客車運(yùn)行使用過(guò)程會(huì)消耗一定燃料，并伴隨污染物排放。查閱文獻(xiàn)［13］可知，12 m 混合動(dòng)力城市客車混合模式行駛時(shí)百公里柴油消耗量為30 L，節(jié)油率取25%，百公里耗電量為20.8 kW·h，充電效率取96%，放電效率取90%。因此，輕量化前后該客車使用階段能耗數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 使用階段能耗

根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行GaBi模型建立。

3.2.4 報(bào)廢回收階段

本文中研究客車的材料為Q345鋼，具有較高回收價(jià)值，由于材料回收節(jié)省了原材料獲取階段的材料和間接排放，因此，該階段消耗和排放等于該階段消耗材料和產(chǎn)生排放與原材料獲取階段消耗材料和產(chǎn)生排放之差。當(dāng)前鋼回收率在91%左右，查閱文獻(xiàn)［14］可知，1 kg鋼報(bào)廢回收能源消耗見(jiàn)表10。

表10 單位質(zhì)量鋼報(bào)廢回收階段各種能耗值

根據(jù)此清單數(shù)據(jù)，即可建立輕量化前后GaBi模型。

3.2.5 全生命周期模型

將前面4個(gè)階段GaBi模型連接起來(lái)即構(gòu)成全生命周期評(píng)價(jià)GaBi模型。

3.3 影響評(píng)價(jià)

3.3.1 特征化、歸一化和加權(quán)

（1）特征化

特征化就是將客車全生命周期物料消耗、能源消耗和環(huán)境排放清單數(shù)據(jù)按照所選7 類影響指標(biāo)轉(zhuǎn)化和匯總為統(tǒng)一單元和量綱。

首先，需要確定對(duì)環(huán)境影響的類型。查閱已有LCA 研究，目前應(yīng)用較多的一種影響評(píng)價(jià)方法是荷蘭Leiden 大學(xué)CML 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的CML2001 方法，也是本文采用的評(píng)價(jià)方法。這種方法把環(huán)境影響分為：礦產(chǎn)資源消耗、化石能源消耗、全球變暖、水體富營(yíng)養(yǎng)化、酸化、臭氧層損耗、光化學(xué)煙霧、人類毒性、海水生態(tài)毒性、淡水生態(tài)毒性和土壤生態(tài)毒性等11類。本文只選取研究較多的前7 類影響指標(biāo)并依據(jù)國(guó)際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會(huì)的方法進(jìn)行分類，如表11所示。

表11 環(huán)境影響類型與清單數(shù)據(jù)劃分

（2）歸一化

特征化后所得環(huán)境量化指標(biāo)在量綱和級(jí)數(shù)上均存在差異，不能進(jìn)行簡(jiǎn)單匯總與比較。例如，礦產(chǎn)資源消耗（ADP）的單位為kg Sb-eq.、化石能源消耗（ADP）單位為MJ、全球變暖潛值（GWP）的單位為kg CO-eq.。歸一化正是為了解決這一問(wèn)題。本文歸一化基準(zhǔn)值采用目前適合我國(guó)基本國(guó)情的CML2001 方法。歸一化基準(zhǔn)值來(lái)源于相關(guān)文獻(xiàn)，如表12所示。

表12 5種影響類型歸一化基準(zhǔn)值

（3） 加權(quán)

歸一化結(jié)果只說(shuō)明潛在環(huán)境影響相對(duì)大小，為得到綜合環(huán)境影響指標(biāo)，須根據(jù)國(guó)情計(jì)算不同種類環(huán)境影響相對(duì)于最終環(huán)境指標(biāo)的重要程度差異，然后對(duì)歸一化環(huán)境影響指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)，環(huán)境影響指標(biāo)權(quán)重即為不同環(huán)境影響重要度，5 種環(huán)境影響類型權(quán)重系數(shù)如表13所示。

表13 各環(huán)境影響類型權(quán)重系數(shù)

須要說(shuō)明的是，未列于表11和表12中某些環(huán)境影響類型，如礦產(chǎn)資源消耗（ADPe）由設(shè)置了‘歸一化基準(zhǔn)值’和‘權(quán)重系數(shù)’的軟件自定義的模型自動(dòng)算出。

3.3.2 全生命周期特征化、歸一化和加權(quán)結(jié)果

根據(jù)客車全生命周期GaBi 計(jì)算模型和CML2001 特征化方法，即可得到所選7 類資源環(huán)境影響指標(biāo)全生命周期特征化結(jié)果和經(jīng)過(guò)歸一化與加權(quán)的結(jié)果，如表14和表15所示。

表14 輕量化前后客車全生命周期評(píng)價(jià)指標(biāo)特征化結(jié)果

表15 輕量化前后客車全生命周期歸一化和加權(quán)量

3.4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3.4.1 資源消耗對(duì)比分析

（1） 礦產(chǎn)資源消耗對(duì)比分析

根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，輕量化前后客車礦產(chǎn)資源消耗對(duì)比如圖11所示。

由圖11可知：

圖11 全生命周期礦產(chǎn)資源消耗對(duì)比

①在原材料獲取階段，輕量化后客車礦產(chǎn)資源消耗小于輕量化前。

②在制造階段和使用階段，輕量化后客車礦產(chǎn)資源消耗均略小于輕量化前。

③在報(bào)廢回收階段，輕量化后客車礦產(chǎn)資源收益小于輕量化前。

④就整個(gè)生命周期而言，輕量化后客車礦產(chǎn)資源消耗小于輕量化前，其主要原因是，輕量化后原材料獲取階段節(jié)省了更多的鋼材。

（2） 化石能源消耗對(duì)比分析

根據(jù)前面計(jì)算結(jié)果，輕量化前后客車化石資源消耗對(duì)比如圖12所示。

由圖12可知：

圖12 全生命周期化石能源消耗對(duì)比

①在原材料獲取階段，輕量化前后客車化石能源消耗較為接近，但輕量化后略小于輕量化前。

②在制造階段和使用階段，輕量化后客車化石能源消耗小于輕量化前（比原材料獲取階段差距略大）。

③在報(bào)廢回收階段，輕量化后客車化石能源收益略小于輕量化前。

④就整個(gè)生命周期而言，輕量化后客車化石能源消耗明顯小于輕量化前。

3.4.2 環(huán)境影響對(duì)比分析

（1） 全球變暖潛值對(duì)比分析

輕量化前后客車全球變暖潛值（GWP）對(duì)比如圖13所示。

圖13 全生命周期全球變暖潛值對(duì)比

由圖13可知：

①在原材料獲取階段和運(yùn)行使用階段，輕量化后客車全球變暖潛值小于輕量化前。

②在制造階段，輕量化后客車全球變暖潛值小于輕量化前（差異比原材料獲取階段和使用階段稍微明顯）。

③在報(bào)廢回收階段，輕量化后客車全球變暖潛值略小于輕量化前。

④在全生命周期過(guò)程中，輕量化后客車全球變暖潛值明顯小于輕量化前，主要是因?yàn)橹圃祀A段輕量化前客車質(zhì)量過(guò)大，焊接部位較多，消耗了大量能量，產(chǎn)生了較多溫室氣體。

（2） AP、EP、POCP、ODP 環(huán)境影響潛值對(duì)比分析

輕量化前后客車AP（酸化潛值）、EP（水體富營(yíng)養(yǎng)化潛值）、POCP（光化學(xué)煙霧潛值）和ODP（臭氧層損耗潛值）的對(duì)比如圖14所示。

圖14 全生命周期AP、EP、POCP、ODP環(huán)境影響潛值對(duì)比

由圖14可知：

①輕量化前后客車各種環(huán)境類型影響潛值大小順序不變，均為：AP＞POCP＞EP＞ODP。由此可知，輕量化前后客車就這4 種環(huán)境影響類型而言，其對(duì)環(huán)境影響相對(duì)程度不變。

②輕量化后客車整個(gè)生命周期這4 種環(huán)境影響歸一化值均小于輕量化前。

（3） 全生命周期綜合環(huán)境影響值對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可對(duì)輕量化前后客車全生命周期綜合環(huán)境影響潛值進(jìn)行對(duì)比，如圖15所示。

由圖15 可知，就全生命周期而言，輕量化后客車綜合環(huán)境影響值小于輕量化前，主要由于：①制造階段因輕量化后質(zhì)量的降低和部分焊接部位的減少導(dǎo)致能耗降低，這里能耗主要指電耗，而我國(guó)電力又以煤電為主，因此輕量化后各種環(huán)境排放物要低于輕量化前；②使用階段在生命周期中占比較大，輕量化后，降低了柴油和電能的消耗，導(dǎo)致輕量化后各種環(huán)境排放物要低于輕量化前。

圖15 全生命周期綜合環(huán)境影響潛值對(duì)比

4 結(jié)論

以12 m 全承載混合動(dòng)力城市客車為研究對(duì)象，在HyperMesh 中建立了車身骨架有限元模型，對(duì)最惡劣的彎曲工況和極限扭轉(zhuǎn)工況下客車車身骨架靜態(tài)強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析，采用模態(tài)分析，對(duì)客車車身骨架固有振動(dòng)特性進(jìn)行了分析，并采用優(yōu)化軟件OptiStruct，對(duì)客車車身骨架進(jìn)行了優(yōu)化，最后，運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)方法，對(duì)輕量化前后客車資源、能源消耗和環(huán)境影響進(jìn)行全生命周期量化分析，得出以下結(jié)論。

（1）不論彎曲工況還是極限扭轉(zhuǎn)工況，該客車都滿足靜態(tài)強(qiáng)度和剛度要求，且有較大裕量。

（2）采用尺寸優(yōu)化方法對(duì)客車9 個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)厚度圓整最終減質(zhì)量52.5 kg，對(duì)優(yōu)化后客車進(jìn)行了靜態(tài)分析和模態(tài)分析。結(jié)果表明，輕量化后客車仍符合靜態(tài)強(qiáng)度和剛度要求，且具有良好的固有振動(dòng)頻率，振型平順、無(wú)突變或局部振型。

（3）經(jīng)過(guò)對(duì)客車全生命周期評(píng)價(jià)，輕量化后客車在整個(gè)生命周期礦產(chǎn)資源消耗減少了0.4E04 kg Sb-eq.，降低了3.81%，化石能源消耗減少了0.7E04MJ，降低了4.46%，綜合環(huán)境影響值減少0.42E11，降低了4.56%。

通過(guò)有限元分析方法對(duì)客車進(jìn)行了結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，由于客車生產(chǎn)工藝限制，無(wú)法進(jìn)行材料輕量化設(shè)計(jì)，加工工藝輕量化與當(dāng)前技術(shù)水平嚴(yán)格相關(guān)，因此本文也未對(duì)其進(jìn)行深入研究，故對(duì)客車輕量化設(shè)計(jì)尚有改進(jìn)余地，未來(lái)將在兩點(diǎn)繼續(xù)深入工作：一是建立本土化數(shù)據(jù)庫(kù)和普適客車車身骨架輕量化全生命周期評(píng)價(jià)體系方法，并隨著輕量化方法的發(fā)展對(duì)其不斷進(jìn)行補(bǔ)充和完善；二是可采用與本文串行方案不同的并行方案，有利于改進(jìn)方案節(jié)能環(huán)保性和降低改進(jìn)成本。