LCA 與汽車開發協同路徑研究
——以客車輕量化為例

丁振森，方海峰，姚占輝，王佳，周怡博

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

近年來，我國的資源、能源短缺，環境污染等問題凸顯。大、中型客車保有量雖然僅占2%左右，卻是CO、碳氫化合物、NO和顆粒物的主要貢獻者，占比分別為12.2%、14.1%、21.3%和17.4%。WANG Qiang 等預計，中國2030 年石油的對外依存度將超過80%。此外，客車的生產需要消耗大量的鋼材、鋁材、橡膠等金屬及非金屬材料，LCA已作為評估和探尋解決上述問題的路徑的重要手段在汽車領域廣泛應用，面對發展與可持續的矛盾，汽車開發與LCA 協同路徑研究的重要性不言而喻。

當前，汽車輕量化技術已成為節能減排的重要途徑，是汽車開發的重要形式，對其進行LCA 協同路徑的研究意義重大。 20 世紀早期，MICHELL便論述了桁架理論，奠定了結構優化的基礎。隨后，結構優化方法的研究逐漸深入。SHIN 等采用形狀優化技術和尺寸優化技術對汽車門進行了優化；吉林大學陳吉清等和清華大學劉江等分別采用尺寸優化和拓撲優化的方法對大客車骨架進行了輕量化設計。隨著結構優化方法逐漸成熟，工藝輕量化與材料輕量化的手段逐漸涌現。GEORGE 等對B 柱沖壓件的加工工藝進行了改進，采用分區熱沖壓技術，通過不同部分的溫度變化調配B 柱不同部分的性能。朱梅云基于液壓成型工藝原理和特點對發動機蓋板沖壓件進行了模擬試驗，驗證了該工藝對輕量化設計的可行性。目前，為了更好解決多目標優化問題，多種智能優化算法在國外悄然誕生并成為未來的發展趨勢，KANE 等、YILDIZ 等和KHALKHALI等已經提出蟻群算法和遺傳算法，用于對金屬板、汽車地板結構和客車薄壁梁的優化；北京理工大學張軍等借鑒遺傳算法的模式對客車車身骨架進行了優化計算。

國內外對LCA 的研究相對較晚，汽車輕量化生命周期最早應用于汽車零部件，SUBIC 等利用LCA方法對輕量化前后的汽車座椅進行了評價。隨著LCA 的發展，汽車輕量化的綠色設計方法也在不斷成熟，SCH?GGL 等提出了一種綠色產品開發的路徑，將輕量化技術和生命周期緊密結合；SANTOS 等開發了一套體系，該體系重在能夠高效地用新材料或者新工藝替換原有部件或工藝，且已在重型商用車的輕量化領域中得到應用；劉海東對乘用車輕量化后的綠色效果進行了評價研究，提出了乘用車的輕量化綠色效應評價體系。

綜上所述，國外對汽車輕量化開發的研究較早，也較為深入，并將LCA 方法引入輕量化后產品的生態效益評價。然而，并沒有深入探究汽車開發與LCA 的協同路徑，以達到可持續開發的目標，國內的研究更是滯后于國外，對LCA 應用于汽車開發中的研究較少。本研究區別于目前國內外的相關研究，提出汽車開發與LCA 串行開發和并行開發兩種協同路徑，并以純電動客車底架輕量化開發為研究對象，采用LCA 串行開發路徑，對其資源、能源消耗和環境影響進行了評價，并行開發將在未來研究中繼續進行探討，本研究既可探究純電動客車輕量化節能減排的關鍵階段，也可為相關汽車開發與LCA有效協同提供借鑒。

1 汽車開發與生命周期協同路徑

傳統的汽車產品開發流程多是從需求分析開始，進而進行概念設計，設計完成后為保證其性能需要對其進行CAE 性能分析（借助軟件仿真模擬），當性能滿足安全使用條件后便可進行小批量試制，樣車試制完成后進行實車試驗，在試驗確定性能良好后便可批量生產，此種設計流程并未考慮其產品的節能環保屬性。近年來，隨著國家對節能減排的高度重視，產品的生態設計研究逐漸展開，LCA作為生態設計的重要方法得到了廣泛應用。

汽車產品開發與LCA串行開發方案如圖1所示，此種方案是在小批量試制階段后進行生命周期評價。此時，如果評價結果表明該產品不符合綠色標準，需再返回到概念設計階段進行改進，過程較繁瑣，且成本較高。

圖1 串行開發方案

目前，對汽車產品進行生態開發的研究較少，未來，為了降低成本，提高靈活性與前瞻性，并行開發方案將更加適用，并行開發方案的協同路徑如圖2所示。其在汽車開發的各個階段均進行生命周期評價，并實時反饋結果，每次優化均可在當前階段完成，具有反饋時效性高、調整成本低、優化顆粒度高等優點。

圖2 客車底架生態開發并行方案構想

本研究對客車底架的生態開發采用的是串行開發方案，并在計算模型中留有并行開發接口，未來可擴展研究并行開發協同路徑。此外，串行開發方案將是汽車產品生態開發的有效探索。

2 客車底架輕量化設計

本文客車底架的輕量化設計，是在對該底架對應的整個大客車車身骨架進行有限元分析和模態分析后，驗證了其車身結構靜態強度和剛度存在設計裕量且底架裕量較大，以及固有動態特性良好的基礎上進行的。

2.1 OptiStruct結構優化設計

OptiStruct 優化設計的理論基礎是數學規劃方法，設計變量、目標（最大/最小值）函數和約束條件為其三要素。設計變量是一組可變參數，它們在優化過程中通過值的改變來優化性能；目標函數是所要獲取某項性能的最小值或最大值，與設計變量之間具有函數關系；約束條件是對設計變量進行限制以使設計變量或其他性能滿足相應的要求。用數學模型可表示為：

式中：=(，，…，x)為設計變量，如骨架的長、寬、厚度等；u、σ、w、x分別為位移約束、應力約束、頻率約束和尺寸約束；為工況。在進行優化設計時可以根據需要選擇其中一個或者幾個進行約束。

OptiStruct的結構優化設計流程如圖3所示。

圖3 OptiStruct的結構優化設計流程

2.2 設計變量的選擇

對于大客車底架優化來說，設計變量取得越多，優化效果越好，但也存在一個問題就是工作量太大，計算時間太長，因此，設計變量取得越少越接近實際工作要求。由于既要保證底架性能，又要使其輕量化效果明顯，所以選擇的設計變量要滿足兩個要求：一是選擇的部件在底架結構件總質量中有較大的占比，二是選擇的部件參數的改變對底架的剛度和低階固有頻率影響不大。

將客車底架按結構分為前、中、后3 段，根據設計變量的選取原則，分別選取前段橫梁、前段縱梁、中段橫梁、中段縱梁、后段橫梁、后段縱梁為設計變量，變量的選取如圖4所示。

圖4 設計變量的選擇

車身骨架在具體的優化過程中需要給定所選9個變量的初值，為便于比較，以該純電動客車的原始設計為初始方案。

根據2.1 節建立的數學模型可知，在優化過程中必須給定設計變量的最大值和最小值的限制，這在OptiStruct 中可以通過給設計變量賦予最值約束來解決。各設計變量的名稱、初始值以及設計變量的最大值和最小限值見表1。

表1 設計變量賦值表

2.3 約束條件及目標函數

本研究純電動客車采用全板殼單元建立有限元模型，根據以前的計算經驗可知，該模型計算規模大，計算時間長，如果優化過程中設置過多的約束條件，則時間上很不經濟，因此只選擇靜態應力作為約束條件，然后再對優化后的整車剛度和模態進行校核，以保證結果的可靠性。

由于本研究采用的客車模型較大，選取的設計變量占整個模型的比例較低，為使目標函數對設計的改變更加敏感，只能選質量分數或者體積分數作為設計變量，而體積分數只針對設計區域進行計算，計算效率較高，所以選擇體積分數作為目標函數。

2.4 優化計算及結果分析

OptiStruct 輕量化設計模型搭建完成后便可進行求解計算，本次優化設計步長選擇默認為0.1 mm，在軟件中迭代5 次結束優化，最終得到設計變量的厚度見表2。

表2 優化前后各管件的厚度值

由于在實際生產工藝中所采用的型材都是有標準和特定規格的，根據優化結果來定制型材成本太高。因此，本研究還需要按照型材標準對所得結果進行圓整，圓整后的各管件厚度見表3。

表3 圓整后各管件的厚度值

圓整后，原設計變量骨架質量為266.3 kg，現質量為213.8 kg，質量減輕52.5 kg，占比為19.7%，對所選設計變量來說輕量化效果明顯。對底架來說質量減輕了4.2%（原底架質量為1 242 kg）。

優化完成后，對整車再次進行有限元分析和模態分析以驗證其是否滿足結構性能要求。結果表明，除扭轉工況下頂蓋和底架的最大強度略微超過了許用應力但遠小于屈服應力外，其他性能均良好，彎曲工況下強度甚至有所提高，認為優化后整車性能滿足要求。

3 純電動客車底架全生命周期評價研究

3.1 評價方法

LCA是指對一種產品或系統進行整個生命周期（從原料采集和處理、加工制作、運銷、使用復用、再循環，直至產品最終處置和廢棄等）中各個階段的資源耗竭和環境排放影響進行分析和評價，其本質是評估某種材料、某個生產過程、某種產品或系統在整個生命周期過程中對資源、能源和環境的影響。

3.1.1 系統邊界和功能單位

本文所選的研究對象為12 m 純電動客車底架部分，在建模過程中為了保證可操作性，根據一定規則進行了簡化。為了降低生命周期分析過程的復雜性，保證研究的可行性，將以簡化后的模型為對象進行分析，并忽略那些質量較小且對結果影響較小的零部件。本研究僅包括大客車底架，由于物流過程、銷售階段和維護過程情形比較復雜，數據準確度低，所以不將其考慮在系統邊界內，在其整個生命周期內不考慮維修，兩者的全生命周期共包括4 個階段，分別為：原材料獲取階段、制造階段、使用階段、報廢回收階段。系統邊界如圖5所示。

圖5 系統邊界

功能單位是指經過量化的產品功能或績效特征，選擇與其他類似研究相同的功能單位可確保不同LCA 研究結果之間具備相對可比性。因此，本文的功能單位為同一輛12 m 純電動客車的底架，客車的滿載質量為18 t，并且都在中國道路上行駛80 000 km，然后報廢回收的過程。

3.1.2 數據來源與評價指標

本研究中客車底架各階段所需的實景數據主要來源于上文所用的實際數據模型（材料和質量）以及參考文獻，一小部分來源于企業調研，而背景數據主要指上游過程數據，主要來源于GaBi ts數據庫中2020年的數據。

選用CML2001 模型對其進行影響評價，并結合萊頓環境科學中心（Centrum voor Milieuwetenschapen in Leiden，CML）的資源耗竭特征化法對數據進行修正，使其更符合中國目前的礦產資源采儲現狀，最后根據生態指數法的分類原則選取礦產資源消耗（ADP（e））、化石能源消耗（ADP（f））、全球變暖潛值（GWP）、酸化潛值（AP）、水體富營養化潛值（EP）、光化學煙霧潛值（POCP）和臭氧層損耗潛值（ODP）等7項影響評價指標。

3.2 評價模型

3.2.1 原材料獲取階段

原材料獲取階段的評價模型如圖6 所示。計算的數學模型如式（6）和式（7）所示。

圖6 原材料獲取階段評價模型

式中：為輕量化前制造底架所需的原材料的量；為輕量化后制造底架所需的原材料的量；為底架不同的矩形管；為輕量化前底架的質量；為輕量化后底架的質量；、分別為矩形管加工過程中的材料利用率對角矩陣和材料制備過程中的材料利用率對角矩陣。

3.2.2 制造階段

制造過程一般在制造廠內完成，主要消耗電能和熱能，少量的潤滑油在機加工過程中也是必要的。此過程主要考慮該階段的各種能源消耗，而忽略不計直接環境排放，間接排放主要來源于各能源上游。制造階段的評價模型如圖7 所示。數學計算模型如式（8）和式（9）所示。

圖7 制造階段評價模型

式中：為制造階段輕量化前電能和熱能消耗；為制造階段輕量化后電能和熱能消耗；為制造階段單位質量材料電能的消耗；為制造階段單位質量材料熱能的消耗。

3.2.3 使用階段

在客車的運行使用過程中，底架作為客車主要的承載和受力結構，其某部分發生損壞的概率極低，一旦出現問題將會極大影響該客車的行駛壽命。此外，底架部件的維修更換數據不易獲取，準確度不高。因此，本研究不考慮底架部件的維修和更換過程。使用階段的評價模型如圖8所示。

圖8 使用階段的評價模型

在客車運行使用的過程中，底架自身的質量會消耗一定的燃料并伴隨污染物的排放，查閱大量文獻資料可知，客車底架依附于客車，所以按客車底架質量占整車質量的比重來計算其燃料消耗和環境影響。由于所選研究對象為12 m 城市混合動力客車，在其行駛過程中，根據實際情況按照油電混合驅動行駛來計算。

對于底架在使用階段的耗油量，根據底架的質量與整車質量的比例進行分配，計算方法如式（10）所示。

式中：為該城市混合動力客車底架使用階段總的油耗；為客車百公里耗油量；為該客車全生命周期行駛的總里程；為底架質量；為整車質量。

對于底架在使用階段的耗電量，同樣根據底架質量與整車質量的比例進行分配，計算模型如式（11）所示。

式中：為百公里電能的消耗量；為電池充電的效率；為電池放電的效率。

3.2.4 報廢回收階段

報廢回收階段的評價模型如圖9 所示，計算的數學模型如式（12）和式（13）所示。

圖9 報廢回收階段的評價模型

式中：為底架輕量化前報廢回收階段節約的能量；為底架輕量化后報廢回收階段節約的能量；為輕量化前底架報廢回收需要消耗的能量；為輕量化后底架報廢回收需要消耗的能量；為材料的回收率。

3.3 影響評價與結果解釋

根據客車底架全生命周期的GaBi 計算模型和CML2001的特征化方法，可以得到所選7類資源環境影響指標全生命周期的特征化結果，見表4。

由表4 可知，在原材料獲取階段、制造階段和使用階段，輕量化前礦產資源和化石能源消耗均大于輕量化后，5 種環境影響也均大于輕量化后，只是各個階段差值略有差別。在報廢回收階段，資源消耗和環境排放都為負值的主要原因，是報廢回收階段對客車底架的廢舊鋼進行了回收，節約了原材料階段部分資源的消耗及其上游的排放，本研究將消耗設為正值而收益設為負值。輕量化前，客車底架通過報廢回收產生的礦產資源的收益大于輕量化后，而產生的化石能源的收益也大于輕量化后；對于5種環境排放，客車底架輕量化前減少的GWP大于輕量化后，AP、EP、POCP 和ODP 的收益均大于輕量化后。就其全生命周期而言，對于資源消耗，客車底架輕量化前的礦產資源消耗和化石能源消耗均大于輕量化后；對于環境影響，輕量化前，5種環境影響的特征化值也均大于特征化后。

表4 輕量化前后客車底架全生命周期指標特征化結果

為了進一步說明全生命周期各種環境影響類型的相對重要性并得出綜合環境影響值，將GWP、POCP、EP、AP、ODP 五種環境影響類型進一步進行歸一化和加權，其結果見表5。

由表5 可知，輕量化前全生命周期的礦產資源消耗大于輕量化后，原材料獲取階段差距較大，主要是原材料獲取階段是礦產資源消耗的主要階段，而輕量化后不但減少了鋼材消耗，還降低了制造過程的能耗，進一步降低了礦產資源的消耗，報廢回收階段輕量化前的收益大于輕量化后，主要是輕量化前報廢回收階段回收了更多鋼材。輕量化前全生命周期的化石能源消耗大于輕量化后，使用階段差距較大，主要是使用階段占生命周期比例較大，輕量化前由于質量較大，在使用階段消耗了更多燃料，燃料消耗差距在使用階段積累導致輕量化前使用階段化石能源消耗明顯大于輕量化后。

表5 輕量化前后客車底架全生命周期歸一化和加權值

輕量化前客車底架的各種環境類型影響潛值的大小順序為：GWP＞AP＞POCP＞EP＞ODP，輕量化后順序不變。輕量化前客車底架的全生命周期綜合環境影響值大于輕量化后，主要是制造階段輕量化后質量的降低以及部分焊接部位的減少導致了能耗的降低，這里的能耗主要指電耗，而我國電力又以煤電為主，因此輕量化后的各種環境排放物要低于輕量化前。

4 討論

本文以客車底架的串行LCA 開發為例，論述了輕量化后整車的節能減排效果，該方法只是LCA引入工程設計的初級階段，該方法仍存在調整成本高，前瞻性不足等問題，未來根據LCA 階段劃分的汽車并行設計方法將有效地在設計之初預見問題，甚至可以將環境影響計算模塊化嵌入CAD 等設計軟件，便于設計人員掌握材料的生態屬性。

5 結論

安全、節能、環保逐漸成為汽車工程領域研究的熱點，本文以客車底架的輕量化工程實際為例引入LCA法進行串行開發路徑研究，主要得出以下結論：

（1）通過尺寸優化，所選客車底架總共輕質量52.5 kg，且輕量化后的客車底架整車彎曲工況下強度略有提高，剛度略有降低，但符合設計要求，極限扭轉工況下的剛度、強度均有輕微降低，但都滿足設計要求。通過模態分析可知，輕量化后的客車靜態振動特性在各個工況下均為良好。

（2）由生命周期分析可知，輕量化后客車底架全生命周期的礦產資源消耗、化石能源消耗和環境影響綜合值分別為：1.01×10kg Sb-eq.、1.50×10MJ 和8.80×10。輕量化后各個階段的礦產資源消耗、化石能源消耗和環境排放均有減少，整個生命周期的礦產資源消耗減少0.4×10kg Sb-eq.，降低了3.81%，化石能源消耗減少0.7×10MJ，降低了4.46%，綜合環境影響值減少0.42×10，降低了4.56%。

（3）串行開發路徑適用于以輕量化為例的各種開發情景，但對于完整的汽車開發而言，由于其開發周期長（一般大于36 個月），開發結束后再進行生命周期評價雖能發現生態問題，但調整難度大、成本高，未來并行開發方案將能解決該問題，可通過預留接口進一步探究。