基于响应面模型的电吹风外壳成型收缩率优化

基于响应面模型的电吹风外壳成型收缩率优化 基于响应面模型的电吹风外壳成型收缩率 优化 现代塑料加工应用2010年第22卷第3期 MoDERNPLASTICSPR0CESSINGANDAPPLICATIONS?53? 基于响应面模型的电吹风外壳成型收缩率优化 曹将栋 (南通航运职业技术学院,江苏南通,226010) 摘要:以电吹风外壳注射成型工艺设计作为研究对象,通过Moldflow软件显示的 主要缺陷为塑件的体积收缩率较大. 采用正交试验法可获得影响体积收缩率的重要因素,通过二阶响应面法中的等径 设计进行相关参数优化,并对设计的方案 进行了验证.结果表明,应用响应面模型进行优化设计是提高产品质量的一种有效 途径. 关键词:正交法响应面模型注塑模具收缩率计算机辅助工程 OptimizationforShrinkageinInjectionMouldofHairdryerShell BasedonResponseSurfaceModel CaoJiangdong (NantongShippingCollege,Nantong,Jiangsu,226010) Abstract:ThehairdryershellwastakenastheobiectofresearchandanalysisbyMold— flowsoftware.Theresultoftheanalysisshowthatshrinkageofproductsisbeyondthescale permitted.Theimportantfactorsinfluencingshrinkageofproductswereobtainedby orthogonalmethod.Andtheserelativeparameterswereoptimizedwithresponsesurface model(RSM).Thesolutionwastested.Theresultsdemonstratethatoptimizationadopting responsesurfacemodelisaeffectivewayofimprovingqualityofproducts. Keywords:orthogonalmethod;responsesurfacemodel;injection;mould;shrinkage; computeraidedengineering 近年来,遗传算法,梯度法,模拟退火算法和 响应面法等数值优化算法广泛应用于优化设计 中,每种方法均有其适用范围与优缺点.传统的 梯度法因其本身的局限性不能进行全局寻优;遗 传算法等启发式算法因其过多地时间消耗一时 也难以应用;而响应面模型是数学方法和统计方 法结合的一种算法,其基本思想是通过近似构造 一 个具有明确表达形式的多项式,来对所感兴趣 的响应受多个变量影响的问题进行建模和分析, 最终达到优化响应值的目的[1].这种算法简 单,省时,通过选取一定量的样本,构造近似函 数.其中以二阶响应面模型应用最为广泛,因其 含有线性项,二次项和交叉项,故在设计响应与 设计变量的关系描述上,比其他方法更准 确引.因此在注射成型过程中,如果能很好地 使用该方法,准确地确定注塑工艺参数,将可以 有效地提高产品的质量,缩短产品生产周期. 1塑件正交试验研究 该产品为吹风机的外壳,总体长度为 180mm,宽度为90him.高度为25mm.采用 收稿日期:2O10—01-15. 作者简介:曹将栋,1979年生,男,工学硕士,讲师,从事模 具设计与制造方面的教学与研究工作.E—mail:caojd@nt sc.edu.cn. 基金项目:南通航运职业技术学院院级课题(编号HYKJ/ 2009b07) 现代塑料加工应用2010年6月 ABS(丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物)塑料,成 型收缩率为0.4,0.7,综合性能较好,冲 击强度较高,化学稳定性,电性能良好.体积 为29.519cm.,壁厚为2mm,其质量为30.995 g,通过Moldflow软件,对该产品进行填充,流 动,冷却和翘曲分析.从分析结果看,主要变 形是由于收缩不均匀引起的.通过正交试验 法来获得在注射成型过程中的最优工艺参数. 试验采用Moldflow软件进行模拟,其模型如图 1所示. 图1Moldflow分析模型 正交试验实际就是使用正交表来安排试验 的方法,而正交表是按正交排列好的用于安排多 因素试验的表格,根据正交试验的要求,确定试 验因素的个数及每个因素变化的水平数,选用合 适的正交表,确定试验次数,安排试验_6】. 研究注塑压力,熔体温度,保压压力,保压时 间,模具温度以及冷却时间6个因素在3水平下 的电吹风外壳的成形性(如表1所示),选用全 因素的L18(3.)正交表.所有因素完全试验需 要进行3.(729)次试验,而选用正交试验只进行 18次,仅占2.47.具体试验方案与结果如表 2所示,其中最大成型收缩率为Y. 表1正交试验因素水平表 表2正交试验结果 各水平Y均值和极差如表3所示. 表3各水平y均值和极差 注:K1,K2,K3为各水平y均值,R为各因素的极差. 由表3可见,极差的大小排序为Rc>R> R.>尺>R>R.极差越大该因素对试 验结果Y值的影响越大,该因素越重要.作出 各因素与试验结果的关系图(见图2),即可看出 各因素水平值对试验结果的影响趋势. 2.5 斗<1.9 略1.8 1.7 Al躬m码c1C3优鹏丑弱凡忍同 工艺参数 图2工艺参数对最大体积收缩率的影响 曹将栋.基于响应面模型的电吹风外壳成型收缩率优化 2响应面模型 响应面方法(ResponsSurfaceMethod, RSM)是试验设计与数理统计相结合的优化方 法,可以全面观察响应变量在设计空间的变化, 最初用于物理试验数据分析以便得到模型. 由于该方法的易操作性,逐渐广泛应用于数值优 化设计中l.川. RSM中的等径设计是由均匀分布在圆(阶 数一2),球(rrl一3),超球体(>3)的一些设计 点组成.而这些点形成一种规则的多面体或者 正多边形,例如:IT/为2时的正五边形,正六边形 等.等径的意思是试验点均衡分布在以中心点 为心的等距圆周或球面上. 设影响质量评价指标的关键因素有个, 分别为k,k,…,是.它们之间存在一定函数关 系,表示为一(k,k.,…,k),根据试验数据, 可以计算出和k,忌,…,志之间近似的显式 函数关系表达式. 根据等径试验设计的要求,对关键因素k 的取值水平进行编码,变为编码后变量.假 设k的取值范围为[是…,忌…],它们之间的线性 编码公式为: 一(1)[7一——-一(1J 式中:i,——因素k的取值水平; k.——因素k在等径取值范围内的中心 点值,即k.一—km— m-I- , km~ ; ?——因素k在等径取值范围内离中心点 值的变化区问,A一是…一k 经过正交试验分析,得出参数中保压压力和 熔体温度对收缩率影响最大.考虑注塑过程中 的实际情况,取保压压力为110MPa,熔体温 度t为280?.因此,采用以P为110MPa,t为 280?为中心的八边形等径因子设计的试验计 划,试验的取值范围为:100MPa?P?120 MPa,260???300.C,如图3所示. 变量编码式子: 一(2)l一—(Z) 一?2一—一(3) 用二次多项式模型作为实际函数_厂(k, k.,…,k)的近似.由于二次函数在设计空问内 是二次曲面,即用二阶响应曲面逼近实际函数: ^^^^n^ = D.+?pXi+?Jj2+??(4)i=1i=1p<i 式中,J3为回归系数,为自然数. 烙何乩发/? (1lO,300) (1..',294) . 2so)Y(11o,28o)保压 Ifl(120~:103266l17 , 266 (110.26o) 图3m为2时响应面模型 表4为八边形等径试验结果. 表4八边形等径试验结果 试验 序号 试验组合变量编码 , , P/MPatCt,z 通过对以上数据的拟合,采用二阶响应面模 型,进行优化设计,,数据由表4可知. 由此可以计算出拟合系数: 船?%?坞 l10O11011 77,77 OOOOOOOl1 — 7777 00OOOl10O 一 4646OO0O0捌昌黝猢 【二【二m 鲫脚耋薹删11),^11,^11 一?一..... 9999?000. o..0o.,00OO ... 伽哪盯.oo ? 56?现代塑料加工应用2010年6月 A D==(xTx)Y= 1.1905 — 0.4598 — 0.0481 — 0.1573 0.0634 0.0065 一1.1905,0.4598xl一0.0487x2— 0.1573x;+0.0634xi+O.0065x12(5) 图4为二阶响应曲面网格. 2.O l_8 1.6 1.4 1.2 l_0 0.8 0.6 , 1. 图4二阶响应曲面网格 由图4可以看出,最大收缩率响应面的最小 值大致在画圈处,应用Matlab二元非线性约束 回归优化,可得出最优解一0.9887,z.一 0.5502,最小值Y一0.6757.可计算出保压压 力为119.887MPa,熔体温度为291.04?. 3优化结果 将上述优化所得的变量参数为保压压力 119.887MPa,熔体温度291.04.C,对其进行数 值模拟仿真,经过优化的工艺参数获得最大体积 收缩率为0.6905.由二阶响应面模型所求的 最优解0.6757与仿真结果0.6905接近,说 明该方法是可行的. 4结语 采用正交法进行试验,可以看出影响塑件成 型收缩率的重要因素为保压压力和熔体温度,同 时采用二阶响应面模型可以得出关键工艺参数 的最佳值组合,并通过Moldflow软件分析其塑 件成型收缩率在规定的范围内,说明这种方法是 可行,可以很好地在注塑工艺优化中利用,有实 际应用价值,亦可推广到其他工程优化领域. 参考文献 伊卫林,黄鸿雁,韩万金.基于模拟退火算法与响应面模型 的三维气动优化设计方法EJ].空气动力学,2008,6 (1):36,41. LiYuqiang,CuiZhenshan,ZhangDongiuaD.Sixsigma optimizationinsheetmetalformingbasedonauaire— sponsesurfacemodel[J].ChineseJournalofMechanical Engineering,2006,19(2):25O,255. 李玉强,崔振山,陈军,等.基于响应面模型的6稳健设计 LJ].机械强度,2006,28(5):69o,694. 张凯渊,胡洁,王伟明,等.基于响应面模型的多鲁棒设计 方法研究[J].机械设计与研究,2006,22(3):6,9. 董恩国,张蕾,申焱华.基于2阶响应面模型的汽车前轮 定位参数设计研究[J].设计?计算?研究,2007,(11): 23,25. 吴梦陵,张珑.基于正交法的汽车前罩板注塑工艺参数优 化研究[J].塑料,2009,38(1):5,8. 谢红梅,廖小平.用正交法分析注塑工艺参数对制品质量 的影响[J].合肥工业大学,2007,30(7):873,876. 文泽军,刘德顺.基于响应面模型的永磁直流微电机堵转 力矩稳健设计[j].机械设计与制造,2007,(3):16,18. 林忠钦,艾健,张卫刚,等.冲压稳健设计方法及其应用 [J].塑性工程,2004,11(4):56,59. 牙皇苫;主苕 下期主要信息 混沌场强化高分子材料的加工装备技术实 现…………………………………………………王玫瑰等 SiO.包覆石墨及其对PAl010复合材料摩擦学性能的影响…………………………………耿德英等 地热专用PE—RT管的化学材质检测方法研究………………………………………………王益龙等 PVC/ABS合金的热稳定性研 究………………………………………………………………张新华等 ?嘲跚嘲嘲嘲嘲