仿生設(shè)計如今已成為重要的設(shè)計途徑，設(shè)計出的復(fù)合材料產(chǎn)品更具可持續(xù)性。然而，要想讓材料、結(jié)構(gòu)和原理，實現(xiàn)從自然層面到產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變，除了新材料和新產(chǎn)品性能，這還需要新生產(chǎn)架構(gòu)，以及新的產(chǎn)品開發(fā)、工藝和計劃。模型驅(qū)動的設(shè)計和分析可以作為一個強(qiáng)大的工具來促進(jìn)這種轉(zhuǎn)換，加入在產(chǎn)品的生命周期中，對復(fù)雜的相互依賴性進(jìn)行控制管理。

實現(xiàn)設(shè)計的平衡

輕量化結(jié)構(gòu)旨在通過減少組件的重量來提高應(yīng)用效率。然而，像纖維增強(qiáng)聚合物或高性能金屬合金（High-Performance Metal Alloys）這樣的輕量級材料，在生產(chǎn)和廢棄環(huán)節(jié)往往對生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響。為了實現(xiàn)總體的平衡，環(huán)境會計作為產(chǎn)品整個生命周期設(shè)計研究的一部分，是至關(guān)重要的，特別是在產(chǎn)品的制造、使用和壽命結(jié)束（End-of-Life）階段(圖1)。然而，由于這些階段之間復(fù)雜的依賴關(guān)系，以及每個階段都有一組不同的參數(shù)和優(yōu)化任務(wù)需進(jìn)行評估，實現(xiàn)平衡設(shè)計并非易事。

制造階段的結(jié)果很大程度上取決于對材料需求的準(zhǔn)確預(yù)測和有效制造過程模型（Valid Manufacturing Process Models）的可用性。對于使用階段，由任務(wù)場景（MissionScenario）、使用壽命（Service Life）和假定整體系統(tǒng)效率（AssumedOverall System Efficiency）以及系統(tǒng)能源消耗的分配公式?jīng)Q定。壽命結(jié)束階段取決于預(yù)期的處理或回收過程，以及是否授予回收價值流積分（Credits for Recycled Value Streams）。

為了在可持續(xù)性措施方面確定最優(yōu)的部件設(shè)計，必須評估所有相關(guān)的設(shè)計變體。一般通過結(jié)合生命周期評估（Life Cycle Assessment）和生命周期成本評估（LifeCycle Cost Assessment）工具，搭配模型驅(qū)動的輕量級組件設(shè)計合成來實現(xiàn)。具體來說，Fraunhofer IGCV在商業(yè)軟件工具套件Design Cockpit 43中實現(xiàn)的基于圖形的設(shè)計語言的幫助下，為輕量級設(shè)計開發(fā)了模型驅(qū)動的設(shè)計工作流。由工程公司IILS mbh開發(fā)。斯圖加特大學(xué)和IILS正在開發(fā)底層的設(shè)計方法。

鎖定每個目標(biāo)的最佳方案

以城市空中交通系統(tǒng)為例，采用模塊化設(shè)計方法，在物理或啟發(fā)式設(shè)計規(guī)則的驅(qū)動下，逐步細(xì)化部件模型。設(shè)計任務(wù)是通過一組功能和要求來指定的，例如機(jī)械載荷。此后，形狀選擇、材料選擇、尺寸和細(xì)節(jié)設(shè)計等設(shè)計步驟將自動執(zhí)行。由于設(shè)計序列的模塊化架構(gòu)，可以在每個步驟中實現(xiàn)不同的設(shè)計方面(圖2)。設(shè)計序列是自動執(zhí)行的，因此可以在不需要人工干預(yù)的情況下生成多個變體。

每種變體都根據(jù)輕量級設(shè)計的三個相互競爭的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行分析。

• 盡量減少結(jié)構(gòu)質(zhì)量以增加有效載荷和儲存能力。

• 盡量減少生命周期成本，以確保經(jīng)濟(jì)上的可行性。

• 盡量減少產(chǎn)品的環(huán)境足跡（PEF），以促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)性。

在根據(jù)CAD模型的體積和假定的材料密度計算結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時，生命周期成本因素中的材料和制造成本也從不同的生產(chǎn)模型中計算出來，以及使用階段的能源成本。一個更詳細(xì)的模型還可以考慮維護(hù)和處置成本。PEF是通過使用GaBi和OpenLCA軟件計算出的簡化、前瞻性的生命周期評估。這兩個模塊——生命周期評估和生命周期成本評估——都依賴于協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)，其輸入?yún)?shù)集包含設(shè)計參數(shù)和工藝參數(shù)。

結(jié)合自動設(shè)計和分析，所有生成的設(shè)計變體特征在帕累托分析（Pareto Analysis）中進(jìn)行比較，估計每個決策帶來的好處，然后向下選擇最優(yōu)的方案。有助于工程師在不同標(biāo)準(zhǔn)之間識別出最具平衡性的變體。這種分析被用來確定最有希望的變體。對于一個特定的變體的深入分析（圖3），所有的設(shè)計數(shù)據(jù)--如力和力矩、層壓板堆疊、CAD模型、工藝鏈、使用模型等--都可以隨時獲得。

掌控挑戰(zhàn)

雖然一般的方法相對簡單，并能自動生成不同的設(shè)計并對其進(jìn)行評估，但也有一些挑戰(zhàn)。首先，所涉及的每個模型都需要一組參數(shù)來描述參與該模型的材料、工藝、機(jī)器等。所討論的模型目前處理了50多個獨(dú)立的設(shè)計輸入和參數(shù)，而生命周期評估和生命周期成本評估模塊甚至要從特定的數(shù)據(jù)源中提取更多的參數(shù)。對于每一個設(shè)計變體的計算，所有這些參數(shù)都必須被檢索出來。然而，并不是所有的人都有足夠的信心。因此，對不確定性的分析可以幫助更好地了解計算的產(chǎn)品設(shè)計和評估結(jié)果的準(zhǔn)確性、精確性和敏感性。

為了逐步提高設(shè)計和評估過程的準(zhǔn)確性和可變性，需要越來越多的參數(shù)，因此，高效的數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵。這就是所提出的方法可以從其他數(shù)字化和工業(yè)4.0倡議中獲益的地方，如智能工廠和數(shù)字化雙胞胎，它們提供了大量的數(shù)據(jù)，可以用來更精確地模擬生產(chǎn)和使用這兩個階段。

收獲成果

這里提出的設(shè)計方法提供了一個框架，用于研究輕量級設(shè)計中與整個產(chǎn)品生命周期有關(guān)的復(fù)雜的相互依賴關(guān)系。通過這種方式，有可能評估各種生成的產(chǎn)品變體的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)影響，將仿生結(jié)構(gòu)、生物基材料或生物啟發(fā)的算法應(yīng)用于特定的設(shè)計問題。因此，所提出的方法和設(shè)計工具對制造業(yè)的生物轉(zhuǎn)化做出了重大貢獻(xiàn)，其目的是產(chǎn)生可持續(xù)的附加值和資源節(jié)約型經(jīng)濟(jì)，并盡量減少廢料的產(chǎn)生。

由此產(chǎn)生的變體可以與傳統(tǒng)變體在可持續(xù)性和性能措施方面進(jìn)行比較，而不需要大量的手工操作來驗證它們是否有積極的影響，并滿足公司的要求。這種方法可以轉(zhuǎn)移到不同部門所有類型的產(chǎn)品和制造過程中，包括商業(yè)航空、城市空中交通系統(tǒng)和地面運(yùn)輸。此外，它還可以衍生出一些列優(yōu)化項目，如降低聲學(xué)噪音和優(yōu)化傳熱性能等。

通過這種方法，人們可以衡量可持續(xù)輕量級結(jié)構(gòu)的諸多益處——無論是作為單一部件還是組裝系統(tǒng)。這種方法也使工程單位能夠在他們的開發(fā)設(shè)計中，做出更加明智的決定。