人工智能技術(shù)在輪胎硫化優(yōu)化中的應(yīng)用

殷允鋒（青島科技大學(xué),山東　青島　266042）

人工智能技術(shù)在輪胎硫化優(yōu)化中的應(yīng)用

殷允鋒
（青島科技大學(xué),山東青島266042）

摘要：為了提升輪胎硫化程度的均勻性，本文在利用相關(guān)軟件的基礎(chǔ)上對(duì)11R22.5載重子午線輪胎的硫化仿真有限元模型進(jìn)行建立，對(duì)輪胎硫化實(shí)際過(guò)程進(jìn)行有效結(jié)合進(jìn)而仿真分析溫度場(chǎng)。以阿累尼烏斯方程為依據(jù)對(duì)輪胎硫化程度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行有效利用，進(jìn)而使得輪胎硫化數(shù)字優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有效建立。將輪胎硫化過(guò)程中以外溫蒸汽邊界條件作為設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化輪胎硫化程度均勻性，改善輪胎硫化時(shí)間和硫化程度。最終得出結(jié)論：輪胎硫化程度均勻性因優(yōu)化后的外溫蒸汽邊界的采用而得到提高，性能得到改善。此外，硫化時(shí)間被有效降低并保證了輪胎的硫化性能。

關(guān)鍵詞：輪胎;硫化;優(yōu)化

輪胎是汽車(chē)的重要組成部件之一，汽車(chē)的舒適性、安全性很大程度上取決于輪胎的性能，輪胎的質(zhì)量與硫化過(guò)程息息相關(guān)。因此，提升輪胎硫化程度均勻性是本研究的主要目的，將輪胎硫化過(guò)程中的外溫蒸汽作為設(shè)計(jì)變量，在對(duì)人工智能技術(shù)和有限元進(jìn)行結(jié)合的基礎(chǔ)上建立數(shù)字優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。這種數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理作為依據(jù)安排實(shí)驗(yàn)方案，并將有限元分析作為虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程的基礎(chǔ)，自身訓(xùn)練樣本通過(guò)提取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而獲得，進(jìn)而構(gòu)建優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量的非線性映射關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，外溫蒸氣最優(yōu)歷程通過(guò)運(yùn)用進(jìn)化算法得出。

1　硫化程度分析

正硫化時(shí)間由確定溫度下橡膠的最佳硫化時(shí)間決定。將在某一基準(zhǔn)溫度下的工資正硫化時(shí)間同膠料的實(shí)際等效硫化時(shí)間相比得到的值就是橡膠的硫化程度。在一定的溫度下，單位時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到的硫化程度就是硫化強(qiáng)度，其計(jì)算主要通過(guò)阿累烏斯方程式

不同時(shí)刻相對(duì)于溫度的相對(duì)硫化速度用v標(biāo)示；參比熱力學(xué)溫度用T0表示；硫化反應(yīng)活化能用E表示；氣體常數(shù)是R。

不同時(shí)刻各部位溫度不相等是輪胎這種厚制品的正要特點(diǎn)，對(duì)已知某點(diǎn)溫度時(shí)間歷程和基準(zhǔn)溫度選定后，可對(duì)硫化程度進(jìn)行計(jì)算

硫化結(jié)束的時(shí)間是te.應(yīng)用數(shù)值積分公式將以上公示離散化為

第m個(gè)時(shí)間間隔的相對(duì)硫化速度用vm表示，分析以上公式可得出結(jié)論，1s-1是基準(zhǔn)溫度下的相對(duì)硫化速度，膠料的正硫化時(shí)間（t90）等于到達(dá)正硫化時(shí)的硫化程度EV90的數(shù)值,硫化程度等于：

對(duì)膠料經(jīng)過(guò)某一硫化歷程后所獲得的相對(duì)硫化程度進(jìn)行衡量，用來(lái)對(duì)不同膠料的硫化程度進(jìn)行比較。

2　優(yōu)化問(wèn)題描述

2.1對(duì)有限元分析模型進(jìn)行建立

11R22.5型全鋼載重子午線輪胎是本文的研究重點(diǎn)，通過(guò)ABAQUS軟件建立的三維輪胎硫化溫度場(chǎng)分析模型，鋼模和膠囊是升溫模型的主要部分，空氣中的冷卻過(guò)程是降溫模型。

2.2建立優(yōu)化模型

第一，選取設(shè)計(jì)變量。硫化程度直接影響輪胎硫化后的性能，外溫蒸汽會(huì)嚴(yán)重影響硫化程度，設(shè)計(jì)變量選擇外溫蒸汽變化歷程。第二，選取目標(biāo)函數(shù)。在充分考慮實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，將膠料硫化程度作為評(píng)估的角度，用硫化程度的偏值表征硫化程度均勻性，也就是

第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的硫化結(jié)束時(shí)的硫化程度是si;輪胎斷面節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)用n代表;斷面所有節(jié)點(diǎn)的硫化程度的平均值用s代表。現(xiàn)階段，要想控制成本并使得生產(chǎn)效率有效提高，就應(yīng)使硫化時(shí)間盡量降低并保證的硫化均勻性，所以優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為斷面硫化均勻程度，將硫化時(shí)間盡可能降低。

3　優(yōu)化過(guò)程

（1）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案的安排以正交表L9(34)為依據(jù)，在408.15～418.15之間對(duì)T1進(jìn)行選取，在424.15～434.15之間對(duì)T2進(jìn)行選取，在960～1060s之間對(duì)t1進(jìn)行選取，在2480～2580之間對(duì)t2進(jìn)行選取，選取3作為各因素的水平數(shù)，劃分選定的范圍為三等分，各因素的水平取值即可獲得。

（2）數(shù)值擬合。以函數(shù)逼近理論為基礎(chǔ)構(gòu)造是徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)的特征之一，在多維空間中尋找訓(xùn)練數(shù)據(jù)的最佳擬合平面是這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)的本質(zhì)。相對(duì)于BP網(wǎng)絡(luò)而言，徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)具有較大規(guī)模，但學(xué)習(xí)速度也快于前者，并優(yōu)于后者的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)逼近能力。因此擬合硫化程度和外溫蒸汽歷程的偏度值之間的映射關(guān)系時(shí)應(yīng)采用RBF網(wǎng)絡(luò)[1]。

為促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力的提升，將測(cè)試集和訓(xùn)練集作為樣本數(shù)據(jù)的分類(lèi)組成部分。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)使用訓(xùn)練集，以學(xué)習(xí)算法為依據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；評(píng)價(jià)已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)性能則采用測(cè)試集。訓(xùn)練樣本是從九組樣本點(diǎn)中提取而來(lái)的任意八組樣本點(diǎn)，測(cè)試樣本為剩下的一組樣本點(diǎn)。

（3）優(yōu)化搜索。不同于傳統(tǒng)算法，一個(gè)單一的度量函數(shù)的梯度或較高此統(tǒng)計(jì)是大多數(shù)古典的優(yōu)化算法的基礎(chǔ)，一個(gè)確定性的試驗(yàn)解序列由此產(chǎn)生。遺傳算法的適應(yīng)性好串的重組以有組織、隨機(jī)的信息交換為基礎(chǔ)，新串的群體由此生成[2]。

4　結(jié)果分析和討論

以搜尋出的最優(yōu)解為依據(jù)，修改外溫蒸汽邊界條件，同時(shí)重分析有限元，優(yōu)化了的蒸汽邊界和原始的蒸汽邊界對(duì)比,0.6994是原始外溫蒸汽條件下輪胎斷面硫化程度偏度值，0.4216是優(yōu)化后的偏度值。可以看出，硫化程度因優(yōu)化而變得更加均勻，并提升了輪胎性能；嚴(yán)重過(guò)硫和欠硫的現(xiàn)象在優(yōu)化后得到解決，原始時(shí)間比外溫蒸汽時(shí)間長(zhǎng)3min，并減少了單條輪胎的生產(chǎn)周期，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提升，提高了能源的利用率[3]。

5　結(jié)論

以輪胎硫化的工藝過(guò)程為基礎(chǔ)，對(duì)遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合，對(duì)外溫蒸汽歷程進(jìn)行優(yōu)化和分析。這種優(yōu)化方法的應(yīng)用前景很好，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字?jǐn)M合進(jìn)行科學(xué)利用，排除了按照具體有話要求對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行構(gòu)建這一過(guò)程。使樣機(jī)試驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槔糜邢拊治觯宫F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際試驗(yàn)次數(shù)大大減少。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張建,王國(guó)林,傅乃霽,王小娟.硫化介質(zhì)溫度對(duì)輪胎硫化特性的影響[J].橡膠工業(yè),2014,(09):364-368.

[3]楊其,王海,馮彥龍,李可萌,蘇巨橋,吳世見(jiàn).橡膠輪胎硫化測(cè)溫技術(shù)[J].輪胎工業(yè),2013,(07):496-499.

作者簡(jiǎn)介：殷允鋒（1982-），男，山東棗莊人，助理工程師，青島科技大學(xué)研究生在讀，主要從事輪胎硫化工藝研究和管理工作。