模型驱动设计和分析 助力可持续轻量化设计

仿生设计如今已成为重要的设计途径，设计出的复合材料产品更具可持续性。然而，要想让材料、结构和原理，实现从自然层面到产品、产业的系统性转变，除了新材料和新产品性能，这还需要新生产架构，以及新的产品开发、工艺和计划。模型驱动的设计和分析可以作为一个强大的工具来促进这种转换，加入在产品的生命周期中，对复杂的相互依赖性进行控制管理。

实现设计的平衡

轻量化结构旨在通过减少组件的重量来提高应用效率。然而，像纤维增强聚合物或高性能金属合金（High-Performance Metal Alloys）这样的轻量级材料，在生产和废弃环节往往对生态环境造成负面影响。为了实现总体的平衡，环境会计作为产品整个生命周期设计研究的一部分，是至关重要的，特别是在产品的制造、使用和寿命结束（End-of-Life）阶段(图1)。然而，由于这些阶段之间复杂的依赖关系，以及每个阶段都有一组不同的参数和优化任务需进行评估，实现平衡设计并非易事。

制造阶段的结果很大程度上取决于对材料需求的准确预测和有效制造过程模型（Valid Manufacturing Process Models）的可用性。对于使用阶段，由任务场景（MissionScenario）、使用寿命（Service Life）和假定整体系统效率（AssumedOverall System Efficiency）以及系统能源消耗的分配公式决定。寿命结束阶段取决于预期的处理或回收过程，以及是否授予回收价值流积分（Credits for Recycled Value Streams）。

为了在可持续性措施方面确定最优的部件设计，必须评估所有相关的设计变体。一般通过结合生命周期评估（Life Cycle Assessment）和生命周期成本评估（LifeCycle Cost Assessment）工具，搭配模型驱动的轻量级组件设计合成来实现。具体来说，Fraunhofer IGCV在商业软件工具套件Design Cockpit 43中实现的基于图形的设计语言的帮助下，为轻量级设计开发了模型驱动的设计工作流。由工程公司IILS mbh开发。斯图加特大学和IILS正在开发底层的设计方法。

锁定每个目标的最佳方案

以城市空中交通系统为例，采用模块化设计方法，在物理或启发式设计规则的驱动下，逐步细化部件模型。设计任务是通过一组功能和要求来指定的，例如机械载荷。此后，形状选择、材料选择、尺寸和细节设计等设计步骤将自动执行。由于设计序列的模块化架构，可以在每个步骤中实现不同的设计方面(图2)。设计序列是自动执行的，因此可以在不需要人工干预的情况下生成多个变体。

每种变体都根据轻量级设计的三个相互竞争的设计目标进行分析。

• 尽量减少结构质量以增加有效载荷和储存能力。

• 尽量减少生命周期成本，以确保经济上的可行性。

• 尽量减少产品的环境足迹（PEF），以促进环境的可持续性。

在根据CAD模型的体积和假定的材料密度计算结构质量的同时，生命周期成本因素中的材料和制造成本也从不同的生产模型中计算出来，以及使用阶段的能源成本。一个更详细的模型还可以考虑维护和处置成本。PEF是通过使用GaBi和OpenLCA软件计算出的简化、前瞻性的生命周期评估。这两个模块——生命周期评估和生命周期成本评估——都依赖于协调的数据，其输入参数集包含设计参数和工艺参数。

结合自动设计和分析，所有生成的设计变体特征在帕累托分析（Pareto Analysis）中进行比较，估计每个决策带来的好处，然后向下选择最优的方案。有助于工程师在不同标准之间识别出最具平衡性的变体。这种分析被用来确定最有希望的变体。对于一个特定的变体的深入分析（图3），所有的设计数据--如力和力矩、层压板堆叠、CAD模型、工艺链、使用模型等--都可以随时获得。

掌控挑战

虽然一般的方法相对简单，并能自动生成不同的设计并对其进行评估，但也有一些挑战。首先，所涉及的每个模型都需要一组参数来描述参与该模型的材料、工艺、机器等。所讨论的模型目前处理了50多个独立的设计输入和参数，而生命周期评估和生命周期成本评估模块甚至要从特定的数据源中提取更多的参数。对于每一个设计变体的计算，所有这些参数都必须被检索出来。然而，并不是所有的人都有足够的信心。因此，对不确定性的分析可以帮助更好地了解计算的产品设计和评估结果的准确性、精确性和敏感性。

为了逐步提高设计和评估过程的准确性和可变性，需要越来越多的参数，因此，高效的数据采集是关键。这就是所提出的方法可以从其他数字化和工业4.0倡议中获益的地方，如智能工厂和数字化双胞胎，它们提供了大量的数据，可以用来更精确地模拟生产和使用这两个阶段。

收获成果

这里提出的设计方法提供了一个框架，用于研究轻量级设计中与整个产品生命周期有关的复杂的相互依赖关系。通过这种方式，有可能评估各种生成的产品变体的生态和经济影响，将仿生结构、生物基材料或生物启发的算法应用于特定的设计问题。因此，所提出的方法和设计工具对制造业的生物转化做出了重大贡献，其目的是产生可持续的附加值和资源节约型经济，并尽量减少废料的产生。

由此产生的变体可以与传统变体在可持续性和性能措施方面进行比较，而不需要大量的手工操作来验证它们是否有积极的影响，并满足公司的要求。这种方法可以转移到不同部门所有类型的产品和制造过程中，包括商业航空、城市空中交通系统和地面运输。此外，它还可以衍生出一些列优化项目，如降低声学噪音和优化传热性能等。

通过这种方法，人们可以衡量可持续轻量级结构的诸多益处——无论是作为单一部件还是组装系统。这种方法也使工程单位能够在他们的开发设计中，做出更加明智的决定。