一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法及装置

1.本发明涉及生态环境材料设计及生产技术领域，特别是涉及一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法及装置。


背景技术：

2.目前，人类活动造成了诸多环境问题。如气候变暖，资源枯竭、空气污染、生物多样性减少等，破坏了自然的可持续性。工业是环境影响的主要来源。材料工业作为工业产品生产的上游，对环境影响贡献较大。传统材料设计主要考虑性能，性质，组成成分和加工工艺四要素，未将环境因素纳入设计之中。然而，将环境因素纳入材料设计体系，是从源头能够降低工业污染及材料生产环境影响的有力举措。生态设计方法能够将环境因素与传统材料设计因素相结合，从材料设计之初，在不损害材料性能的前提下，对材料的设计，制备和回收等一系列环节进行技术优化，降低材料生产全生命周期的资源能源消耗以及污染物排放的一种有效方法。应用该方法于材料设计之中有助于实现材料生产绿色化转型，提升材料及下游产品的国际竞争力。
3.传统铝合金材料设计过程中，合金成分及加工工艺是其研究的主要对象。然而，该类设计仅考虑了性能需求，缺乏对环境影响的进一步考虑。若将性能，资源能源消耗以及碳排放因素同时纳入设计范围，缺乏对其的定量化结果，并且无法将三种因素进行综合比较，决策者难以确定最优结果。因此，如何运用全生命周期思想，构建材料生态设计理论，确定组分设计与制备工艺的优化对性能的影响，综合考虑材料性能、资源能源消耗及碳排放因素间的科学关系，实现不同铝合金材料方案间的择优，对高性能低环境负荷的铝合金材料制备具有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法及装置。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，包括：
7.确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；
8.确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；
9.对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性
能参数范围”；
10.根据达标的原型方案进行实施阶段。
11.优选地，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案，包括：
12.确定多种材料设计方案，建立各材料设计方案的生命周期模型及参数，参数包括成分，制造装备，能源消耗，物料投入，力学性能、耐腐蚀性能，并将生命周期模型及参数记入存储器；
13.依据材料应用领域或应用场景，确定材料各性能对需求的权重以及各需求自身权重并记入存储器，并构建性能-需求矩阵；所述权重包括船舶铝合金的硬度、强度、耐腐蚀性等对抗变形需求的权重以及抗变形需求的自身权重；
14.调用存储器中的性能参数及性能-需求矩阵，利用处理器计算各项性能权重系数及综合性能指标值记入存储器；
15.调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算资源消耗数据并将其记入存储器；
16.调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算碳排放数据将其记入存储器；
17.调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器；
18.调用存储器中各方案结果并与参照对象进行识别比对，未满足要求方案返回步骤“确定多种材料设计方案”，重新设计直至满足要求。
19.优选地，所述确定多种材料设计方案，包括：
20.确定各材料设计方案中各类合金元素种类及投入量，确定具体加工工艺及装备，结合生产系统，调用物质投入量与能源投入量，确定生产方案，经实验室制备及测试确定各项性能参数；
21.建立可写入及读取的大容量存储器，将获得的各项参数指标记入大容量存储器，包括成分，装备，能源消耗，物料投入，材料各项性能。
22.优选地，还包括：
23.根据材料的使用需求，进一步明确细分需求的权重系数，包括抗变形能力，耐久性，易于加工成型；
24.将影响各需求的性能指标进行关联，并划分各项性能与对应需求的贡献程度；将使用需求类别，使用需求权重，性能类别，性能对使用需求的贡献程度写入建立的大容量存储器以备进一步读取调用。
25.优选地，调用存储器中的性能参数及性能-需求矩阵，利用处理器计算各项性能权重系数及综合性能指标值记入存储器，包括：
26.计算材料各项性能的权重系数及综合性能指标值，并将性能权重系数计算逻辑及性能综合指标值计算程序写入存储器；
27.调用存储器中的性能需求矩阵，性能参数及逻辑代码，通过处理器计算性能综合
指标值并将结果计入存储器；
28.其中，计算材料各项性能的权重系数及综合性能指标值的公式如下：
[0029][0030][0031]
pdj：性能需求；pwj：性能权重；n＝1,2
……
,最大性能种类数；
[0032][0033]
pi：性能指标值；pj为目标对象的第j类性能测试指标值；pj'为参考对象的第j类性能测试指标值。
[0034]
优选地，调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算资源消耗数据并将其记入存储器，包括：
[0035]
将cml资源能源消耗特征化处理方法写入存储器，调用存储器中输入的成分、装备、能源消耗及物料投入参数，调用存储器中cml方法的特征化因子adpi或自主输入特征化因子，利用处理器及调用存储器中的cml计算模型，计算资源能源消耗数据并将结果写入存储器；
[0036]
其中，计算资源能源消耗数据的公式为：
[0037]
adp＝∑adpi×
mi[0038]
adp表示资源耗竭的特征化参数结果，adpi表示不可再生资源的特征化因子，mi表示不可再生资源的消耗量。
[0039]
优选地，调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器，包括：
[0040]
构建将各参数因素考虑在内的碳排放核算特征化模型，包括能源种类、能源消耗量、能源排放系数、电力结构、不同发电方式的排放系数、各中间产品产量及最终产品产量；
[0041]
将逻辑代码写入存储器；
[0042]
将涉及的各类共通因子搜集整理后写入存储器或自主确定填写排放因子写入存储器；
[0043]
调用存储器中的参数指标，调用上述写入的计算逻辑代码及各类因子，通过处理器计算各方案的碳排放结果并记入存储器；逻辑代码的公式如下：
[0044][0045]
其中，f
p,i
：p产品单元过程i能源的消耗量；e
i,j
：i类能源j类温室气体排放因子；e
p
：p产品单元过程电力的消耗量；e
e,j
：电力生产j类温室气体排放因子；p
p
：p产品单元过程工艺排放量；m
p
：完整生产流程p产品消耗量；cij：j类温室气体特征化因子；j：温室气体；i：能源；p：产品；n：单元过程数量，mn＝1。
[0046]
优选地，调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方
案生态设计结果并记入存储器，包括：
[0047]
在获得资源影响、碳排放与材料性能的单一指标值后，将三者综合得到生态设计综合指标值，若对产品设计各项指标需求明确，采用矩阵综合评价模型，并将其写入存储器；矩阵综合评价模型的公式如下：
[0048][0049]
其中，w
pi
，w
ri
，w
gi
：性能、资源影响及碳排放的权重系数；pin：n产品的性能指标值；rin：n产品的资源影响指标值；gin：n产品的碳排放指标值；an：n产品或方案的综合结果；产品或设计方案个数为n；
[0050]
在进行综合决策前，将各个单一指标去量纲化处理，以实现各个指标的综合计算，将计算逻辑写入存储器；去量纲化处理的公式如下：
[0051][0052]
其中，index
n,k
,：n产品或方案k指标去量纲后结果，pin,rin,gin；indicator
n,k
：n产品或方案原始k指标结果；indicator
re,k
；n产品或方参考k指标结果；
[0053]
若对各指标需求不明确，采用去权重方法进行综合评价，将计算逻辑写入存储器；计算逻辑的公式如下：
[0054]
edi＝a
×
per+b
×
rci+c
×
cei；
[0055]
其中，edi：生态设计综合指标值；a：性能权重；per：性能指标值；b：资源消耗权重；rci：资源指标值；c：碳排放权重；cei：碳排放指标值。
[0056]
一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现装置，包括：
[0057]
策划模块，用于确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；
[0058]
方案制定模块，用于确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；
[0059]
方案验证模块，用于对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性能参数范围”；
[0060]
实施模块，用于根据达标的原型方案进行实施阶段。
[0061]
一种计算设备，所述设备用于数据的加工处理，能完成各种算术、逻辑运算及控制功能；与至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有一个或者一个以上的程序；所述程序包含用于执行如权利要求1-8中任一所述的环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法。
[0062]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0063]
本发明提供了一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法及装置，方法包括：确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性能参数范围”；根据达标的原型方案进行实施阶段。本发明能够有效地识别各种方案的优劣行及可行性，能够在多种方案与参照对象间进行对比，能够较为有效地将环境因素纳入材料设计之中，从而有助于实现从设计阶段出发的全生命周期铝合金材料生产绿色化转型，助力工业领域绿色化发展。
附图说明
[0064]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0065]
图1为本发明实施例提供的实现方法流程图；
[0066]
图2为本发明实施例提供的实施步骤示意图；
[0067]
图3为本发明实施例提供的在策划及方案制定阶段的生态设计方法的流程示意图；
[0068]
图4为本发明实施例提供的去权重最优化方法的算法图；
[0069]
图5为本发明实施例提供的生态设计计算装置的结构示意图。
具体实施方式
[0070]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0072]
本技术的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤、过程、方法等没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程、方
法、产品或设备固有的其它步骤元。
[0073]
本发明的目的是提供一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法及装置，能够实现从设计阶段出发的全生命周期铝合金材料生产绿色化转型。
[0074]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0075]
图1为本发明实施例提供的实现方法流程图，如图1所示，本发明提供了一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，包括：
[0076]
步骤100：确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；
[0077]
步骤200：确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；
[0078]
步骤300：对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性能参数范围”；
[0079]
步骤400：根据达标的原型方案进行实施阶段。
[0080]
可选地，参见图2，本实施例中的生态设计方法实施流程，包括：
[0081]
步骤s110：策划阶段，确定设计的目标与实施方案，主要分为4个步骤，包括确定设计目的，选择对象并确定特征，对参考对象的性能、资源强度及碳排放强度进行定量化评价，根据结果提出生态设计改进意见。
[0082]
步骤s120：方案制定阶段，制定材料设计或改进方案，确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，初步拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时可能引发的其他问题，对拟定方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，满足要求的方案则确定为原型方案。
[0083]
步骤s130：方案验证阶段，验证原型方案可行性并择优，包括对原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定方案是否达标，达标进入下一阶段，未达标返回方案制定阶段。
[0084]
步骤s140：实施阶段，方案验证完成后，可以进入实施阶段。但生态设计是一个反复的过程，在生产实践中可能发现之前没有考虑到的问题，需要对方案再次进行修改与评估。
[0085]
s110:策划阶段：确定设计目标与实施方案。首先确定设计的目的，选择参照对象并确定特征。如原材料投入，加工工艺及铝合金性能等。对参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，根据评价结果提出改进措施及建议。
[0086]
s120:方案制定阶段：制定材料设计或改进方案。确定材料设计目标的各项性能参数范围，
[0087]
根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，初步拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时可能引发的其他问题，对拟定方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，满足要求的方案则确定为原型方案。
[0088]
s130:方案验证阶段：验证原型方案可行性并择优。对方案进行实验室制备和测试，不满足要求的方案返回方案制定阶段再次进行设计。根据实验数据调整生命周期模型参数，进行综合评价。小规模试产收集实际工艺参数，调整生命周期模型参数，再次完成综合评价，判定是否达标。如未达标返回方案制定阶段，达标进入实施阶段。
[0089]
s140:实施阶段：进入实际生产过程，完成铝合金材料的生态设计。
[0090]
第一方面，本发明提供一种在策划及方案制定阶段，将多种因素融入材料设计的方法，其中所述方法包括：
[0091]
s210：确定多种材料设计方案(包括参照对象)，建立各方案的生命周期模型及参数，包括成分，制造装备，能源消耗，物料投入，力学性能、耐腐蚀性能等参数，并将其记入存储器。
[0092]
s220：依据材料应用领域或应用场景，确定材料各性能对需求的权重以及各需求自身权重并记入存储器。如船舶铝合金的硬度、强度、耐腐蚀性等对抗变形需求的权重以及抗变形需求的自身权重。构建性能-需求矩阵。
[0093]
s230：调用存储器中的性能参数及性能-需求矩阵，利用处理器计算各项性能权重系数及综合性能指标值记入存储器。
[0094]
s240：调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算资源消耗数据并将其记入存储器。
[0095]
s250：调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算碳排放数据将其记入存储器。
[0096]
s260：调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器。
[0097]
s270：调用存储器中各方案结果并与参照对象进行识别比对，未满足要求方案返回s210，重新设计直至满足要求。
[0098]
进一步的，步骤s210包括：
[0099]
s211：确定各材料设计方案中各类合金元素种类及投入量，确定具体加工工艺及装备，结合生产系统，调用物质投入量与能源投入量，确定生产方案，经实验室制备及测试确定各项性能参数。
[0100]
s212：建立可写入及读取的大容量存储器，将获得的各项参数指标记入存储器，包括成分，装备，能源消耗，物料投入，材料各项性能等。
[0101]
进一步的，步骤s220包括：
[0102]
s221：根据材料的使用需求，进一步明确细分需求的权重系数，如抗变形能力，耐久性，易于加工成型等。将影响各需求的性能指标进行关联，并划分各项性能对应需求的贡献程度。
[0103]
s222：将使用需求类别，使用需求权重(百分比)，性能类别，性能对使用需求的贡献程度(百分比)写入s212中建立的存储器以备进一步读取调用。
[0104]
性能-需求矩阵如下表所示：
[0105][0106]
进一步的，步骤s230包括：
[0107]
s231：材料多个性能与整体应用需求的对应关系及其重要程度，即性能权重系数，利用材料各项性能的权重系数与测试指标值，可以得到某种材料的综合性能指标值。将性能权重系数计算逻辑及性能综合指标值计算程序写入存储器：
[0108][0109][0110]
pdj:性能需求；pwj:性能权重；n＝1,2
……
,最大性能种类数。
[0111][0112]
pi:性能指标值；pj为目标对象的第j类性能测试指标值；p'j为参考对象的第j类性能测试指标值。
[0113]
s232：调用存储器中的性能需求矩阵，性能参数及逻辑代码，通过处理器计算性能综合指标值并将结果计入存储器。
[0114]
进一步的，步骤s240包括：
[0115]
s241：与铝合金生产过程碳排放产生有关的资源能源消耗强度可以采用特征化方法进行表征。采用cml方法可以有效的实现资源能源消耗的特征化处理。将资源能源消耗计算逻辑写入存储器：
[0116]
adp＝∑adpi×
mi[0117]
adp表示资源耗竭的特征化参数结果，adpi表示不可再生资源的特征化因子，mi表示不可再生资源的消耗量。
[0118]
s242：调用存储器中cml方法的特征化因子adpi或自主输入特征化因子。
[0119]
s243：调用存储器中在步骤s212写入的成分，装备，能源消耗，物料投入参数，调用s241写入的计算逻辑代码及s242中的特征化因子，通过处理器计算各方案的资源能源消耗
结果并写入存储器。
[0120]
进一步的，步骤s250包括：
[0121]
s251：铝合金生产碳排放来源主要包括各类能源燃烧消耗产生的温室气体排放、生产所需使用的二次能源电力产生的间接排放及工艺流程中由于各类反应所产生的直接温室气体排放。铝合金制造碳排放的核算与分析需要依据碳排放来源确定特定的特征化参数。主要包括能源种类、能源消耗量、能源排放系数(因子)、电力结构、不同发电方式的排放系数、各中间产品产量及最终产品产量等。依据这些参数，构建流程工业碳排放核算特征化模型，将逻辑代码写入存储器：
[0122][0123]fp,i
：p产品单元过程i能源的消耗量；e
i,j
：i类能源j类温室气体排放因子；e
p
：p产品单元过程电力的消耗量；e
e,j
：电力生产j类温室气体排放因子；p
p
：p产品单元过程工艺排放量；m
p
：完整生产流程p产品消耗量；cij：j类温室气体特征化因子；j：温室气体；i：能源；p：产品；n：单元过程数量，mn＝1。
[0124]
s252：将s251中所涉及的各类共通因子搜集整理后写入存储器。
[0125]
s253：调用存储器中在步骤s212写入的成分，工艺流程，能源消耗，物料投入参数，调用s251写入的计算逻辑代码及s252中的各类因子，通过处理器计算各方案的碳排放结果并记入存储器。
[0126]
进一步的，步骤s260包括：
[0127]
s261：在获得资源影响、碳排放与材料性能3项单一指标值后，可以将三者相综合得到生态设计综合指标值，如若对产品设计各项指标需求明确(方案a)，可采用矩阵综合评价模型，并将其写入存储器。
[0128][0129]wpi
，w
ri
，w
gi
：性能、资源影响及碳排放的权重系数；pin：n产品的性能指标值；rin：n产品的资源影响指标值；gin：n产品的碳排放指标值；an：n产品或方案的综合结果；产品或设计方案个数为n。
[0130]
受限于权重系数的影响，在进行综合决策前，需将各个单一指标去量纲化处理，以实现各个指标的综合计算，将计算逻辑写入存储器
[0131][0132]
index
n,k
,：n产品或方案k指标去量纲后结果，pin,rin,gin；indicator
n,k
：n产品或方案原始k指标结果；indicator
re,k
；n产品或方参考k指标结果。参考指标优先选择对比方案或产品中最大值，可将index介于0-1间，便于处理与结果展示。
[0133]
s262：如对各指标需求不明确(方案b)，则可以采用去权重方法进行综合评价。将
计算逻辑写入存储器：
[0134]
edi＝a
×
per+b
×
rci+c
×
cei
[0135]
edi：生态设计综合指标值；a：性能权重；per：性能指标值；b：资源消耗权重；rci：资源指标值；c：碳排放权重；cei：碳排放指标值
[0136]
无权重模型主要基于最优化思想，寻求最优因子集a：a＝{ai,bi,ci}(ai+bi+ci＝1,i＝1,2,3
…
,n)
[0137]
将算法逻辑写入存储器。
[0138]
s263：识别实际情景为s261或s262中的方案a或b，调用不同运算逻辑，同时调取步骤s232、s243及s253中的性能指标值，资源消耗结果及碳排放结果。通过处理器计算各方案生态设计结果，并将其记入存储器
[0139]
进一步的，步骤s270包括：
[0140]
s271：调用存储器中各方案结果并与参照对象进行识别比对。
[0141]
s272：满足要求，进入方案验证阶段。
[0142]
s273：未满足要求方案返回s210，重新设计直至满足要求。
[0143]
图3是本发明实施列示出的在策划及方案制定阶段的生态设计方法的流程示意图。图3相对图1，主要是就方案制定阶段的综合评价进行了进一步的细化。
[0144]
参见图3，一种不同铝合金间的生态设计综合评价实施方法，包括：
[0145]
在步骤s210中，确定参照对象及设计方案，依据方案得到各方案的生命周期模型参数，包括成分，工艺流程，能源消耗，物料投入，材料各项性能等参数，并将其记入存储器。其铝合金设计方案及测定性能结果如下：
[0146][0147][0148]
物料及能源投入量如下：
[0149][0150]
在步骤s220中，依据材料应用领域或应用场景，确定材料各性能对需求的权重以及各需求自身权重并记入存储器。如船舶铝合金的硬度、强度、耐腐蚀性等对抗变形需求的权重以及抗变形需求的自身权重。构建性能-需求矩阵：
[0151][0152][0153]
在步骤s230中，调用存储器中的性能参数及性能-需求矩阵，利用处理器计算各项性能权重系数及综合性能指标值记入存储器。
[0154]
计算公式：
[0155][0156][0157][0158]
性能指标值计算过程及结果如下所示：
[0159][0160][0161]
在s240中调用存储器中各方案的成分、工艺流程、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算资源消耗数据并将其记入存储器。
[0162]
计算公式：
[0163]
adp＝∑adpi×
mi[0164]
4种合金的资源消耗强度分别为2.48e-01，2.52e-01，2.62e-01，2.71e-01kg sbeq/t alloy。
[0165]
在步骤s250中，调用存储器中各方案的成分、工艺流程、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算碳排放数据将其记入存储器。
[0166]
计算公式：
[0167][0168]
4种合金的碳排放强度分别为1.95e+04，2.08e+04，2.22e+04，2.34e+04kg co2eq/t alloy
[0169]
在步骤s260和s270中，调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器。调用存储器中各方案结果并与参照对象进行识别比对，未满足要求方案返回s210，重新设计直至满足要求。
[0170]
计算方法：
[0171]
或
[0172]
edi＝a
×
per+b
×
rci+c
×
cei，a＝{ai,bi,ci}(ai+bi+ci＝1,i＝1,2,3
…
,n)(方法2)
[0173]
方法1需确定权重以及将各指标去量纲化处理。
[0174]
4种合金三种指标去量纲化结果为
[0175][0176]
假定权重为0.4,0.3,0.3(性能，资源消耗强度，碳排放)，则计算结果为：
[0177][0178]
结果表明在该权重下，#3号合金最优。
[0179]
方法二需将各指标去量纲化处理。
[0180]
采用python编程将方法二计算逻辑进行实现，结果为：
[0181]
共输出5150条数据，其中#32026条，#43124条，其余0条。因此去权重结果来看，4号合金成为最优的合金的可能性最大。
[0182]
图4是本发明实施列示出的去权重最优化方法的算法图。其基本逻辑为:
[0183]
步骤s310：输入不同方案的性能指标值，资源消耗指标值及碳排放指标值。性能，资源和碳排放权重系数分别为a,b,c。设定初始a＝101,b＝0。
[0184]
步骤s320：计算a＝a-1,j＝100-a，设定初始方案序号i＝0，k＝0，edi＝0。
[0185]
步骤s330：判断b是否小于j。
[0186]
若b《j，c＝100-a-b，计算方案i＝1,2,3,4下的同一权重的edi的值，判定何种方案的edi结果最大，输出最大的结果，方案代码，三个权重系数。然后b加1。
[0187]
如若b》j,则判定是否a＝0，若a＝0则结束代码，若a》0，则重复步骤ii和步骤iii。
[0188]
图5是本发明实施列示出的生态设计计算装置的结构示意图。
[0189]
参见图5，一种生态设计计算装置，包括第一计算模块s410，第二计算模块s420，第三计算模块s430和第四计算模块s440。
[0190]
第一计算模块s410，用于根据性能测试值及性能需求矩阵，根据所给出的计算逻辑，计算各铝合金性能方案的性能权重系数及性能综合指标值；
[0191]
第二计算模块s420，用于根据成分、工艺流程、能源消耗及物料投入等生命周期参数，根据所给出的计算逻辑，计算各铝合金设计方案的资源消耗强度。
[0192]
第三计算模块s430，用于根据成分、工艺流程、能源消耗及物料投入等生命周期参数，根据所给出的计算逻辑，计算各铝合金设计方案的碳排放强度。
[0193]
第四计算模块s440，用于根据第一、二、三计算模块所得到的性能综合指标值，资源消耗强度及碳排放强度，采用矩阵模型或去权重最优化方法计算材料生命周期综合性能指标值，即生态设计结果。
[0194]
对应上述方法，本实施例还提供了一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现装置，包括：
[0195]
策划模块，用于确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；
[0196]
方案制定模块，用于确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；
[0197]
方案验证模块，用于对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性能参数范围”；
[0198]
实施模块，用于根据达标的原型方案进行实施阶段。
[0199]
本发明的有益效果如下：
[0200]
本发明通过构建性能-需求矩阵计算性能权重系数并确定综合性能指标值；采用cml的资源耗竭特征化模型根据资源、能源投入计算不同方案铝合金的资源消耗强度；根据物料投入，能源投入，工艺流程等参数，计算不同方案铝合金的碳排放强度。采用矩阵模型或去权重方法计算各方案的生态设计结果。该方法能够有效地识别各种方案的优劣行及可行性，能够在多种方案与参照对象间进行对比，能够较为有效地将环境因素纳入材料设计之中，从而有助于实现从设计阶段出发的全生命周期铝合金材料生产绿色化转型，助力工业领域绿色化发展。
[0201]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。
[0202]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，包括：确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性能参数范围”；根据达标的原型方案进行实施阶段。2.根据权利要求1所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案，包括：确定多种材料设计方案，建立各材料设计方案的生命周期模型及参数，参数包括成分，制造装备，能源消耗，物料投入，力学性能、耐腐蚀性能，并将生命周期模型及参数记入存储器；依据材料应用领域或应用场景，确定材料各性能对需求的权重以及各需求自身权重并记入存储器，并构建性能-需求矩阵；所述权重包括船舶铝合金的硬度、强度、耐腐蚀性等对抗变形需求的权重以及抗变形需求的自身权重；调用存储器中的性能参数及性能-需求矩阵，利用处理器计算各项性能权重系数及综合性能指标值记入存储器；调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算资源消耗数据并将其记入存储器；调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算碳排放数据将其记入存储器；调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器；调用存储器中各方案结果并与参照对象进行识别比对，未满足要求方案返回步骤“确定多种材料设计方案”，重新设计直至满足要求。3.根据权利要求2所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，所述确定多种材料设计方案，包括：确定各材料设计方案中各类合金元素种类及投入量，确定具体加工工艺及装备，结合生产系统，调用物质投入量与能源投入量，确定生产方案，经实验室制备及测试确定各项性能参数；建立可写入及读取的大容量存储器，将获得的各项参数指标记入大容量存储器，包括成分，装备，能源消耗，物料投入，材料各项性能。
4.根据权利要求3所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，还包括：根据材料的使用需求，进一步明确细分需求的权重系数，包括抗变形能力，耐久性，易于加工成型；将影响各需求的性能指标进行关联，并划分各项性能与对应需求的贡献程度；将使用需求类别，使用需求权重，性能类别，性能对使用需求的贡献程度写入建立的大容量存储器以备进一步读取调用。5.根据权利要求2所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，调用存储器中的性能参数及性能-需求矩阵，利用处理器计算各项性能权重系数及综合性能指标值记入存储器，包括：计算材料各项性能的权重系数及综合性能指标值，并将性能权重系数计算逻辑及性能综合指标值计算程序写入存储器；调用存储器中的性能需求矩阵，性能参数及逻辑代码，通过处理器计算性能综合指标值并将结果计入存储器；其中，计算材料各项性能的权重系数及综合性能指标值的公式如下：其中，计算材料各项性能的权重系数及综合性能指标值的公式如下：pd
j
：性能需求；pw
j
：性能权重；n＝1,2
……
,最大性能种类数；pi：性能指标值；pj为目标对象的第j类性能测试指标值；p
j
'为参考对象的第j类性能测试指标值。6.根据权利要求2所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，调用存储器中各方案的成分、制造装备、能源消耗及物料投入参数，利用处理器计算资源消耗数据并将其记入存储器，包括：将cml资源能源消耗特征化处理方法写入存储器，调用存储器中输入的成分、装备、能源消耗及物料投入参数，调用存储器中cml方法的特征化因子adp
i
或自主输入特征化因子，利用处理器及调用存储器中的cml计算模型，计算资源能源消耗数据并将结果写入存储器；其中，计算资源能源消耗数据的公式为：adp＝∑adp
i
×
m
i
adp表示资源耗竭的特征化参数结果，adp
i
表示不可再生资源的特征化因子，m
i
表示不可再生资源的消耗量。7.根据权利要求3所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器，包括：构建将各参数因素考虑在内的碳排放核算特征化模型，包括能源种类、能源消耗量、能源排放系数、电力结构、不同发电方式的排放系数、各中间产品产量及最终产品产量；将逻辑代码写入存储器；
将涉及的各类共通因子搜集整理后写入存储器或自主确定填写排放因子写入存储器；调用存储器中的参数指标，调用上述写入的计算逻辑代码及各类因子，通过处理器计算各方案的碳排放结果并记入存储器；逻辑代码的公式如下：其中，f
p,i
：p产品单元过程i能源的消耗量；e
i,j
：i类能源j类温室气体排放因子；e
p
：p产品单元过程电力的消耗量；e
e,j
：电力生产j类温室气体排放因子；p
p
：p产品单元过程工艺排放量；m
p
：完整生产流程p产品消耗量；ci
j
：j类温室气体特征化因子；j：温室气体；i：能源；p：产品；n：单元过程数量，m
n
＝1。8.根据权利要求2所述的将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法，其特征在于，调用综合性能指标值、资源消耗数据及碳排放数据，利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器，包括：在获得资源影响、碳排放与材料性能的单一指标值后，将三者综合得到生态设计综合指标值，若对产品设计各项指标需求明确，采用矩阵综合评价模型，并将其写入存储器；矩阵综合评价模型的公式如下：其中，w
pi
，w
ri
，w
gi
：性能、资源影响及碳排放的权重系数；pi
n
：n产品的性能指标值；ri
n
：n产品的资源影响指标值；gi
n
：n产品的碳排放指标值；a
n
：n产品或方案的综合结果；产品或设计方案个数为n；在进行综合决策前，将各个单一指标去量纲化处理，以实现各个指标的综合计算，将计算逻辑写入存储器；去量纲化处理的公式如下：其中，index
n,k
,：n产品或方案k指标去量纲后结果，pi
n
,ri
n
,gi
n
；indicator
n,k
：n产品或方案原始k指标结果；indicator
re,k
；n产品或方参考k指标结果；若对各指标需求不明确，采用去权重方法进行综合评价，将计算逻辑写入存储器；计算逻辑的公式如下：edi＝a
×
per+b
×
rci+c
×
cei；其中，edi：生态设计综合指标值；a：性能权重；per：性能指标值；b：资源消耗权重；rci：资源指标值；c：碳排放权重；cei：碳排放指标值。9.一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现装置，其特征在于，包括：策划模块，用于确定设计目的，选择参考对象并确定特征，并对所述参考对象的性能、资源能源消耗及环境影响进行定量化评价，并根据评价结果提出生态设计改进意见；方案制定模块，用于确定材料设计目标的各项性能参数范围，根据现有材料成分、工艺和性能之间的联系，拟定多组目标材料的成分和工艺参数方案，对照所述参考对象分析当
前设计方案在达到设计目标的同时引发的问题，并对拟定的方案进行多要素综合评价，不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计，并将满足要求的方案确定为原型方案；方案验证模块，用于对所述原型方案进行实验室制备和测试，根据实验数据更新所述原型方案的全生命周期模型参数并再次评价指标，通过小规模生产获得实际生产数据，再次评价指标寻求改进空间，确定所述原型方案是否达标，若未达标则返回步骤“确定材料设计目标的各项性能参数范围”；实施模块，用于根据达标的原型方案进行实施阶段。10.一种计算设备，其特征在于，所述设备用于数据的加工处理，能完成各种算术、逻辑运算及控制功能；与至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有一个或者一个以上的程序；所述程序包含用于执行如权利要求1-8中任一所述的环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法。

技术总结
本发明提供了一种将环境因素纳入铝合金材料设计的实现方法及装置，涉及生态环境材料设计及生产领域。在策划及方案制定阶段，获得各方案生命周期参数并写入存储器。构建性能-需求矩阵并写入存储器。调用存储器中的性能参数及性能需求矩阵确定的综合性能指标并记入存储器。调用存储器中生命周期参数，运用处理器及存储器计算得到资源强度值及碳排放值。利用处理器计算各方案生态设计结果并记入存储器。调用存储器中各方案结果并进行识别比对，未满足要求的方案需重新设计直至满足要求。该发明针对缺乏综合权衡材料性能、资源能源消耗及环境影响三者之间量化关系的方法及装置的问题，为铝合金材料生态设计提供了有效的解决方案。方案。方案。


技术研发人员：高峰 李明阳 孙博学 刘宇 龚先政 李小青 陈文娟 郑焱 聂祚仁
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/10/5