大型塑料檢查井多目標參數優化研究*

師彩云，譚文勝，孟憲凱，紀海賓

(1.徐州生物工程職業技術學院 生物裝備學院，江蘇 徐州 221006；2.常州信息職業技術學院 常州市大型塑料件智能化制造重點實驗室，江蘇 常州 213164；3.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013；4.徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

目前大型塑料檢查井是市政管網建設的重要產品[1，2]，在市政工程中得到廣泛應用。大型塑料檢查井埋于地下，工作環境復雜，導致塑料檢查井在交通載荷等不可控因素下出現井蓋下沉、井蓋周圍路面開裂破損及基礎塌陷等問題。而穩健設計能夠確保產品在可控和不可控因素的雙重干擾下具有較好的穩定性。由此，利用穩健設計研究大型塑料檢查井的結構，保證大型塑料檢查井在不可控因素的干擾下具有較高的剛度、強度，從而減少大型塑料檢查井導致的經濟損失具有重要的意義。目前，國內外針對大型塑料檢查井和穩健設計做了許多技術開發和應用研究工作，如：Tobita Tetsuo等對井筒在土壤下曳力作用下的沉降機理進行研究，提出了一種預測塑料檢查井土壤回填沉降的方法，對塑料檢查井的安裝具有一定的指導意義[3]；Rudy Gargano等探討了水流沖擊力對塑料檢查井井筒變形的影響和塑料檢查井井口的超臨界流體水力特性，提出為了保證水流能夠進行自由表面流動，修訂塑料檢查井井口的通用設計標準的建議[4]；師彩云等通過試驗對大型塑料檢查井剛強度進行了分析并進行了結構優化[5]；譚文勝等利用軟件Moldflow分析了大型檢查井的注塑流動性[6]；魏春良在對塑料檢查井結構剛強度分析的基礎上進行了檢查井模具結構的優化設計[7]；黃風立等通過多目標下的穩健設計模型及其算法對注塑工藝進行研究，并在此工藝條件下獲得了成型質量較好的塑件制品[8]；婁天祥等通過穩健設計研究了醫用盒的翹曲變形和體積收縮率，并獲得了其主要影響因素[9]；師彩云等采用雙目標穩健設計方法對塑料檢查井注塑模進行了穩健設計分析，為檢查井注塑模具型腔結構優化設計提供了參考[10]。目前為止，還未有基于穩健設計的大型塑料檢查井結構研究。本文采用應力、應變雙目標穩健設計方法，進行塑料檢查井井座壁厚、主管直徑、主管高度、子管直徑和子管位置高度的最優參數設計，研究五個尺寸因素的參數優化組合，從而優化大型塑料檢查井的結構。

1 建立大型塑料檢查井模型

1.1 建立分析模型

大型塑料檢查井主要由井座、井蓋和井室三部分組成，如圖1所示。井座連通各管道，因此井座的設計對大型塑料檢查井的穩定性至關重要。根據市政某排水井要求，大型塑料檢查井井座尺寸為：主管直徑1 200 mm、主管高度1 200 mm、子管位置高度100 mm、子管直徑600 mm和壁厚6 mm。采用Pro/E軟件建立井座的三維模型，如圖2所示，采用ANSYS建立其有限元模型，如圖3所示。

圖1 檢查井 圖2 井座的三維模型 圖3 井座的有限元模型

1.2 模型試驗方案

穩健設計是使可控因素和不可控因素在與設計值發生變差時盡可能消除和減小不確定因素源，并且減小不確定因素對目標品質影響的一種工程方法，其主要通過信噪比和正交試驗來評價產品穩定性[11]。在本次試驗中，采用正交試驗的方法。試驗過程中應力和應變數值越小越好，因此采用望小特性；信噪比是指有效信號的大小與噪波信號大小的比值，其作為衡量應力、應變的特性值，則信噪比越大試驗效果越好。最終，本試驗通過多指標綜合加權評分法來確定參數值的最優水平組合。

本次設計以應力(目標1)和應變(目標2)作為品質目標，以對大型塑料檢查井井座的受力變形產生影響的5個因素即壁厚(A)、主管直徑(B)、主管高度(C)、子管直徑(D)和子管位置高度(E)作為研究目標。根據實際生產經驗，對每個研究目標選取4個水平。正交試驗表如表1所示：

表1 正交試驗表(54)

2 試驗結果與討論

2.1 有限元分析

采用Pro/E軟件建立井座立體模型，將三維模型以.x_t格式導入ANSYS軟件中，井座所選材料為聚乙烯，其材料屬性為：彈性模量300 GPa，泊松比0.32，密度938 kg/m3。采用自動網格劃分和局部優化的方法建立井座有限元模型；考慮到大型塑料檢查井的工作環境可通過重達3噸卡車，故對其施加垂直載荷30 000 N。有限元分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 垂直載荷作用下井座的應力云圖

圖5 垂直載荷作用下井座的應變云圖

2.2 正交試驗分析結果

利用L16正交表， 運用ANSYS軟件模擬分析并在此基礎上運用Origin軟件進行不同參數水平組合下的信噪比分析，從而確定各因素在不同水平情況下的影響程度以獲得優選方案。正交試驗結果如表2所示。

表2 正交試驗結果

2.3 分析和討論

在各目標參數的優化過程中，根據均值分析進行最優試驗組合的預測。應力(目標1)的各因素在4個水平下的均值見表3,應變(目標2)的各因素在5個水平下的均值見表4。

表3 應力均值表(54)

表4 應變均值表(54)

由表3分析可知：各因素對應力影響順序為：D>E>A>B>C，當井座尺寸參數為A1B2C2D2E3時信噪比最大，此時應力值最小。根據表3對模擬結果進行變量分析，得出各參數對應力的影響程度排序為：D(24.21%)>E(23.46%)>A(20.84%)>B(18.45%)>C(13.04%)。

由表4分析可知：各尺寸參數對應變影響順序為：D>C>E>B>A，當井座尺寸參數為A3B3C4D2E3時信噪比最大，此時應變值最小。根據表4對模擬結果進行變量分析，得出各因素對應變的影響程度排序為：D(25.78%)>C(24.02%)>E(19.56%)>B(19.46%)>A(11.18%)。

2.4 多目標優化

綜合加權評分法是基于評價指標的評分,然后根據影響因素的重要程度加權相加,最后求得總分。本試驗通過綜合加權評分法來確定參數值的最優水平組合。

2.4.1 評價矩陣模型的建立

本試驗選擇評價矩陣X為54試驗矩陣，為消除量綱和統一各目標趨勢，將評價矩陣X處理為標準化矩陣Y：

X=Xij=Y=Yij.

(1)

其中：Xij為在i個指標下第j組試驗數據；Yij為標準化矩陣。本次試驗的應力、應變信噪比越大越好，因此綜合加權評分值越大越好。

標準化評價矩陣為：

Zij=100×(yij-yjmin)/(yjmax-yjmin).

(2)

其中：yij為矩陣中第i行第j列的數值;yjmax、yjmin分別為矩陣中第j列的最大值和最小值；i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

2.4.2 權重值的確定

本文權重值的確定采用組合賦權法，根據實踐經驗，應力和應變的主觀權重分別取值為α1=0.4，α2=0.6，綜合權重公式為：

wj=μαj+(1-μ)βj0<μ<1.

(3)

其中：wj為綜合權重；μ為偏好系數，取0.4；αj為主觀權重；βj為客觀權重。

利用熵值法確定客觀權重：

(4)

(5)

其中：Pij為第j項指標下第i個方案占該指標的權重;n為Pij矩陣的行數。

經計算β1=5.505，β2=0.495。從而得出：w1=0.463，w2=0.537。由此計算綜合加權評分值：

(6)

其中：wj為第j項指標的綜合權重。

評價矩陣計算結果如表5所示。

表5 綜合加權評分結果

由表5計算結果可知：第3組試驗的分值最高，其尺寸參數組合為 A1B3C3D3E3。因此，檢查井井座尺寸參數最優組合為：壁厚為5 mm、主管直徑為1 000 mm、主管高度為1 200 mm、子管直徑為700 mm、子管位置高度為300 mm。

3 結論

本文運用有限元軟件分析結合雙目標穩健設計方法和綜合加權評分法，研究了影響大型塑料檢查井剛強度的五個可控因素對井座應力和應變的影響，研究結果表明：

(1) 大型塑料檢查井子管直徑對應力的影響較大，主管高度對應變的影響較大，因此子管直徑和主管高度均對大型塑料檢查井的變形影響較大。

(2) 本文研究的大型塑料檢查井井座尺寸參數最優組合為：A1B3C3D3E3。

(3) 各尺寸因素對大型塑料檢查井應力、應變的影響有待進一步試驗研究驗證。