基于可再生材料的汽车生态设计研究

沈玉洁

摘 要：改革开放以来，随着我国经济的快速发展，人们的物质生活水平越来越高，我国的家用汽车保有量呈现爆发式增长。汽车为人们提供了便捷的出行方式，促进了我国经济的快速发展，但汽车对自然环境的负面影响越来越大，尤其是在人类资源日益匮乏的大环境下，自然环境与经济发展的冲突已经人类社会的主要矛盾。可再生材料可以实现资源的循环利用，符合我国可续发展的需求，可再生材料在汽车生态设计中的应用已经成为汽车工业的发展趋势，近年来，我国关于汽车生态设计的研究已经取得了较大成果，但可再生材料在汽车生态设计中的应用仍然存在较大的问题。本文将深入地研究我国汽车生态设计的现状与问题，并结合实际需求建立汽车材料生态设计的理论模型，为我国汽车工业的可持续性发展提供参考。

关键词：可再生材料；汽车工业；生态设计；数学模型

随着全球经济一体化的快速发展，汽车工业的技术成本越来越低，庞大的市场需求促进了全球汽车工业的快速发展。但汽车与环境之间的冲突已经十分突出，汽车制造的原材料以及汽车的燃料都给自然环境带来了很大的压力，除此之外，汽车工业浪费的资源与造成的污染也是不可忽视的。汽车工业的可持续性发展已经成为困扰全球汽车工业的难题，很多汽车制造商已经在汽车的生态设计方面取得了一定的成果，以混合动力车与电动汽车为例，混合动力车与电动汽车从能源的角度降低了汽车对环境的影响。混合动力车与电动汽车仅仅从燃料的角度改进了汽车设计，并未进行汽车可再生材料生态设计的研究，本文将从汽车材料的角度深入地研究可再生材料在汽车生态设计中的应用。

1 汽车生态设计的概念与介绍

生态设计俗称绿色设计、环境设计或者生命周期设计，是指将环境保护因素融入到设计中，降低产品对自然环境与生态环境的影响。生态设计理念满足了人类可持续性发展的需求，将环境因素纳入了产品设计的各个环节，减少了产品生命周期内对环境的压力，汽车工业中的生态设计可以降低汽车工业材料的废弃率，提高资源的有效利用率。生态设计的主要优势体现在两个方面，一是生态环境的角度，生态设计可以减少资源消耗、实现可持续发展，通过生态设计建立新型的消费观念，确立以环境保护为基础的汽车工业体系，以预防为主，减少汽车工业中的资源浪费。二是经济发展的角度，生态设计可以降低企业的原材料成本，降低企业对消耗材料的依赖性，提高了企业的综合竞争力，生态设计的理念符合人类经济发展的长期战略。生态设计体系需要多种理念的支持，包括产品共享、产品功能优化、功能组合等。

目前，全球已经有很多汽车企业正在采用生态设计模式，现有的生态设计一般是中短期内的改进设计方案，在原有的产品开发的基础上进行优化，并未实现长期战略体系。汽车工业领域的生态设计需要从原材料、制造、燃料等多个环节运用环境保护的设计原则。汽车生态设计不仅需要满足人们当前的发展需求，还需要将人类的未来发展纳入设计范畴，因此，汽车生态设计是一项非常复杂的系统工程。一方面需要在汽车工业领域推广生态设计的理念，另一方面需要有关部门通过制度详细的发展规划，引导汽车领域的生态设计。

2 汽车可再生材料的简介

可再生材料与再生材料具有一定的差别，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，可再生材料属于再生材料的范畴，不包括燃料、水等资源，用于焚烧、堆肥等材料不属于可再生材料，目前，全球范围内已经出现很多可再生材料，包括纸制品、金属、塑料、橡胶、电子产品、建材等。汽车工业的可再生材料具备较高的技术标准，不仅需要满足汽车基本的强度要求，还需要具备很好的加工特性，现有的汽车可再生材料主要是指天然增强纤维，天然增强纤维具备较好的力学性能与加工性能，在汽车的碰撞测试中效果很好，天然增强纤维主要来源于农业种植，可以带动农业经济发展。除此之外，天然增强纤维对二氧化碳的减排作用很明显，作物通过光合作用吸收的碳元素转化为可利用的材料，对全球温室效应有着积极作用。

汽车工业中使用的天然植物纤维是经过人工处理之后的，需要向材料中加入其他的成分才能达到使用标准，天然增强纤维所需制造成本是传统玻璃纤维的20%，除此之外，天然增强纤维的质量很轻，可以有效减轻汽车的整体重量，降低了汽车燃料的消耗量，减少了对环境的危害，经过相关的实验，天然增强纤维可以承受紫外线辐射、雨水侵蚀或者石块碰撞，率先推出天然增强纤维车辆配件的是德国一家汽车企业，他们在材料中掺入了大麻纤维，最后通过磨具压制成型，经过长时间跟踪监测，天然增强纤维制成的汽车部件具备较好的抗温冲、抗载荷冲击、抗腐蚀等能力，除此之外，天然增强纤维还可以用于制作汽车座椅、气缸盖罩、仪表板支撑等汽车部件。

3 影响汽车材料回收利用的因素

根据相关研究，可以将影响汽车材料回收利用的因素归纳为五个方面，包括材料种类、连接类型、材料分离、材料回收再利用技术基础、材料回收再利用的利润等，除了上述五项因素外，还有其他因素制约着汽车材料的回收利用，比如材料成本、人力成本等。汽车材料的回收再利用价值评估的流程如图1所示。

图 1汽车材料的回收再利用价值评估的流程图

材料种类，汽车部件的材料很多，采用单一材料的汽车难以达到生产标准，主要原因是汽车制造工艺难以满足要求，但随着才来哦技术的不断突破，单一汽车使用多种材料的技术已经存在，以日本本田的钢材—铝合金组合门为例，可以有效减轻汽车重量，但单部件多材料技术的工艺很复杂，增加了汽车材料的回收成本，降低了材料的回收再利用价值。

连接类型，目前，汽车工业中的零部件连接方式主要有三种，包括胶水粘接、铆钉连接以及氩弧点焊，除此之外，一些连接强度要求不高的部分采用卡扣或者螺栓连接，汽车的连接类型直接决定着汽车的拆解难度，现有的拆除技术分为破坏性拆除与非破坏性拆除，而对于回收再利用的零部件，应该尽量采用非破坏性拆除，但非破坏性拆除降低了汽车零部件的连接强度，对汽车的安全性影响较大，因此，需要对车辆的连接类型进行量化评估。

材料分离，材料的分离对象是汽车的零件，汽车的材料分离是指将粉碎后的汽车材料进行分类，将其中不同材质的材料分离出来，材料分离的难度主要受零件直接的连接方式的影响，一体化成型的汽车技术可以有效减少汽车接头数量，降低分离成本。

材料回收再利用技术基础，材料回收再利用技术基础是影响材料回收的主要因素，材料回收再利用技术基础还包括了相关的设备，不同的材料有不同的回收方式，但对复合材料而言，材料回收再利用的技术最复杂，材料回收的成本也最高，因此，汽车材料的回收再利用需要有足够的技术基础。

材料回收再利用的利润，材料回收再利用的利润是直接制约材料回收的根本原因，企业是以利润最大化为根本目标的组织，如果企业不能通过材料回收获得相应的利润，很多企业就不会增加材料回收再利用的投入，材料回收再利用的利润空间直接决定了未来汽车材料发展的趋势。

4 汽车可再生材料生态设计的数学模型

汽车的材料轻量化有利于控制车辆的整体重量，随着材料技术研究的不断深入，复合材料车辆零部件的应用越来越多，复合材料的可以保证车辆具备足够的强度，同时最大限度地减轻车辆的重量，根据车辆的设计需求选择合适的材料，包括车保险杠、门外板、车门内板等。汽车可再生材料生态设计流程如下：明确设计模型 → 评估材料性能 → 备用材料选择 → 优化方案设计 → 实验检测。根据汽车可再生材料生态设计的流程，首先根据材料的性能要求设计方案，汽车材料的设计方案主要根据设计要求确定，按照制定的约束条件选择材料，同时做好备选方案，最后针对相应的部件进行检测。汽车可再生材料生态设计的流程如图2所示。

图2汽车可再生材料生态设计的流程

5 结语

可再生材料在汽车生态设计中的应用可以有效提高资源的使用效率，最大限度地降低了汽车工业对自然环境的负面影响，同时汽车可再生材料生态设计具有较高的经济潜力，可以降低企业的原材料成本，符合企业与经济的发展要求。汽车可再生材料生态设计为人类提供了新的发展思路，可以有效缓解人类发展与自然环境之间的矛盾，扩展了汽车工业的环保途径，我国关于汽车可再生材料生态设计的研究起步较晚，现有的汽车可再生材料生态设计理论难以用于实际工业生产，严重制约了可再生材料在汽车生态设计中的应用。本文从汽车生态设计、影响可再生材料的因素以及实际应用模型等多个角度分析了汽车的可再生材料生态设计，并根据汽车工业发展要求提出了可行的设计方案，希望本文的研究有利于我国汽车工业的可持续性发展。

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