仿生設計如今已成為重要的設計途徑，設計出的復合材料產品更具可持續性。然而，要想讓材料、結構和原理，實現從自然層面到產品、產業的系統性轉變，除了新材料和新產品性能，這還需要新生產架構，以及新的產品開發、工藝和計劃。模型驅動的設計和分析可以作為一個強大的工具來促進這種轉換，加入在產品的生命周期中，對復雜的相互依賴性進行控制管理。

實現設計的平衡

輕量化結構旨在通過減少組件的重量來提高應用效率。然而，像纖維增強聚合物或高性能金屬合金（High-Performance Metal Alloys）這樣的輕量級材料，在生產和廢棄環節往往對生態環境造成負面影響。為了實現總體的平衡，環境會計作為產品整個生命周期設計研究的一部分，是至關重要的，特別是在產品的制造、使用和壽命結束（End-of-Life）階段(圖1)。然而，由于這些階段之間復雜的依賴關系，以及每個階段都有一組不同的參數和優化任務需進行評估，實現平衡設計并非易事。

制造階段的結果很大程度上取決于對材料需求的準確預測和有效制造過程模型（Valid Manufacturing Process Models）的可用性。對于使用階段，由任務場景（MissionScenario）、使用壽命（Service Life）和假定整體系統效率（AssumedOverall System Efficiency）以及系統能源消耗的分配公式決定。壽命結束階段取決于預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）。

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

鎖定每個目標的最佳方案

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

每種變體都根據輕量級設計的三個相互競爭的設計目標進行分析。

• 盡量減少結構質量以增加有效載荷和儲存能力。

• 盡量減少生命周期成本，以確保經濟上的可行性。

• 盡量減少產品的環境足跡（PEF），以促進環境的可持續性。

在根據CAD模型的體積和假定的材料密度計算結構質量的同時，生命周期成本因素中的材料和制造成本也從不同的生產模型中計算出來，以及使用階段的能源成本。一個更詳細的模型還可以考慮維護和處置成本。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——都依賴于協調的數據，其輸入參數集包含設計參數和工藝參數。

結合自動設計和分析，所有生成的設計變體特征在帕累托分析（Pareto Analysis）中進行比較，估計每個決策帶來的好處，然后向下選擇最優的方案。有助于工程師在不同標準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），所有的設計數據--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

雖然一般的方法相對簡單，并能自動生成不同的設計并對其進行評估，但也有一些挑戰。首先，所涉及的每個模型都需要一組參數來描述參與該模型的材料、工藝、機器等。所討論的模型目前處理了50多個獨立的設計輸入和參數，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據源中提取更多的參數。對于每一個設計變體的計算，所有這些參數都必須被檢索出來。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品設計和評估結果的準確性、精確性和敏感性。

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

收獲成果

這里提出的設計方法提供了一個框架，用于研究輕量級設計中與整個產品生命周期有關的復雜的相互依賴關系。通過這種方式，有可能評估各種生成的產品變體的生態和經濟影響，將仿生結構、生物基材料或生物啟發的算法應用于特定的設計問題。因此，所提出的方法和設計工具對制造業的生物轉化做出了重大貢獻，其目的是產生可持續的附加值和資源節約型經濟，并盡量減少廢料的產生。

由此產生的變體可以與傳統變體在可持續性和性能措施方面進行比較，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。這種方法可以轉移到不同部門所有類型的產品和制造過程中，包括商業航空、城市空中交通系統和地面運輸。此外，它還可以衍生出一些列優化項目，如降低聲學噪音和優化傳熱性能等。

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