課程設(shè)計(jì)----現(xiàn)代橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、<p>　　現(xiàn)代橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　1 現(xiàn)代橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)概念</p><p>　　所謂橡膠配方設(shè)計(jì), 是根據(jù)產(chǎn)品的性能要求和工藝條件, 通過(guò)試驗(yàn)、優(yōu)化、鑒定、合理地選用原材料, 確定各種原材料的用量配比關(guān)系。過(guò)去橡膠配方設(shè)計(jì)主要依賴(lài)于人們?cè)谏a(chǎn)當(dāng)中積累的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，通過(guò)大量而繁復(fù)的試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化配方，造成大量人力、物力的浪費(fèi)。隨著合成橡膠的出現(xiàn)，硫化、老化、補(bǔ)強(qiáng)、

2、共混等高分子理論的發(fā)展，特別是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和儀器測(cè)試方面開(kāi)展了大量的工作，使橡膠配合技術(shù)有了很大的提高。借助CAD 技術(shù), 配方人員可以根據(jù)橡膠制品設(shè)計(jì)需求，自動(dòng)安排試驗(yàn)方案，處理數(shù)據(jù)以確定一系列變量對(duì)橡膠各項(xiàng)性能的定性或定量的影響，進(jìn)而預(yù)測(cè)和優(yōu)選配方, 縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期, 更好地滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。</p><p>　　對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)的配方體系，配方的設(shè)計(jì)理論和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法就顯得尤為重要。試

3、驗(yàn)設(shè)計(jì)可分為單因素變量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多因素變量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化選擇分為單目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題和多目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題。</p><p>　　橡膠的配方設(shè)計(jì)理論，必須具備的兩個(gè)基本條件：一、能揭示客觀存在的橡膠配方設(shè)計(jì)的一般性規(guī)律；二、能指導(dǎo)橡膠膠料配方設(shè)計(jì)實(shí)踐。目前，配方設(shè)計(jì)的基本理論是相關(guān)性原理。根據(jù)相關(guān)性原理，橡膠膠料配方設(shè)計(jì)的途徑為：首先，利用硫化膠的性能與性能之間的相關(guān)關(guān)系，尋找并確定與制品使用性能相關(guān)的膠料性

4、能；其次，根據(jù)配方組分與硫化膠與混煉膠的性能之間的相關(guān)關(guān)系，尋找并確定與所需膠料物理機(jī)械性能與工藝性能相關(guān)的膠料配合組分；最后完成配方試驗(yàn)。</p><p>　　生膠原材料和配合劑的種類(lèi)繁多, 若按其功能、品種、等級(jí)、牌號(hào)等分類(lèi)則可達(dá)數(shù)萬(wàn)種以上。橡膠配方設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是如何保持制品的使用性能及加工性能的平衡, 包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模、配方優(yōu)化及質(zhì)量成本控制等內(nèi)容。</p><p><b&

5、gt;　　1. 1試驗(yàn)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　試驗(yàn)設(shè)計(jì)是配方設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是在試驗(yàn)域內(nèi)最有效地選擇試驗(yàn)點(diǎn), 通過(guò)試驗(yàn)得到響應(yīng)的觀測(cè)值, 然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析求得達(dá)到最優(yōu)響應(yīng)值的試驗(yàn)條件。運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的目的是對(duì)試驗(yàn)因素作合理的、有效的安排，最大限度地減少試驗(yàn)誤差，使之達(dá)到高效、快速、經(jīng)濟(jì)的目的。理想的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案應(yīng)當(dāng)是以盡可能少的試驗(yàn)次數(shù)反映盡可能多的信息，試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)空間中的分布要合理，既有一

6、定的均勻性，又便于試驗(yàn)結(jié)果的分析與模型的建立。橡膠配方優(yōu)化研究中最早使用的實(shí)驗(yàn)方法是單因子實(shí)驗(yàn)，后來(lái)是正交設(shè)計(jì)、正交回歸設(shè)計(jì)。它們?cè)趦?yōu)化設(shè)計(jì)中的地位與作用是毋庸置疑的[ 1 ] 。近年來(lái)，又出現(xiàn)了許多新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，如均勻設(shè)計(jì)法、信噪比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等新型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[ 2 ] 。</p><p>　　試驗(yàn)設(shè)計(jì)可分為單因素變量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多因素變量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化選擇分為單目標(biāo)

7、最優(yōu)化問(wèn)題和多目標(biāo)最優(yōu)化問(wèn)題。</p><p><b>　　1. 2數(shù)學(xué)模型</b></p><p>　　應(yīng)用計(jì)算機(jī)及專(zhuān)用輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行配方設(shè)計(jì)和分析是一門(mén)把數(shù)理統(tǒng)計(jì)的分析方法橡膠物理化學(xué)理論和橡膠工藝學(xué)技術(shù)結(jié)合在一起的復(fù)合學(xué)科，它不僅要求熟練掌握系統(tǒng)的橡膠物理化學(xué)理論基礎(chǔ)，而且還要求掌握牢固的數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)及計(jì)算機(jī)的操作與應(yīng)用。而計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及軟、硬件技術(shù)

8、的飛速發(fā)展，為橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。面向信息時(shí)代，橡膠工業(yè)應(yīng)該建立新的橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)概念，充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)配方設(shè)計(jì)的信息化、智能化與網(wǎng)絡(luò)化。</p><p>　　實(shí)踐證明, 在一定范圍內(nèi), 制品性能與配方因子之間的關(guān)系可用完全二次多項(xiàng)式來(lái)表示, 這有力地推動(dòng)了對(duì)配方過(guò)程的數(shù)學(xué)研究與模擬。</p><p><b>　　1. 3目的</b&g

9、t;</p><p>　　尋求制品性能、工藝可行性和經(jīng)濟(jì)效益的綜合平衡是目的。由于用于配方優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型是從生產(chǎn)數(shù)據(jù)中得到的統(tǒng)計(jì)模型, 應(yīng)選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算( 如逐步回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等) , 方可獲得整個(gè)試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)配方。此外, 最優(yōu)配方應(yīng)具有穩(wěn)定性, 即實(shí)際生產(chǎn)中配方用量在偏離最佳用量后性能值不會(huì)有很大變化。</p><p>　　2.橡膠配方的原則和程序</p>

10、<p><b>　　2.1配方原則</b></p><p>　　橡膠配方設(shè)計(jì)的原則[3]可以概括如下：</p><p>　?。?）保證硫化膠具有指定的技術(shù)性能，使產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)；</p><p>　　（2）在膠料和產(chǎn)品制造過(guò)程中加工工藝性能良好，使產(chǎn)品達(dá)到高產(chǎn)；</p><p>　?。?）成本低，價(jià)格便宜；</

11、p><p>　?。?）所用的生膠、聚合物和各種原材料容易得到；</p><p>　　（5）勞動(dòng)生產(chǎn)率高，在加工制造過(guò)程中能耗少；</p><p>　?。?）符合環(huán)境保護(hù)及衛(wèi)生要求。</p><p>　　任何一個(gè)橡膠配方都不可能在所有性能指標(biāo)上達(dá)到全優(yōu)。在許多情況下，配方設(shè)計(jì)應(yīng)遵循如下基本原則：</p><p>　　一、在不

12、降低質(zhì)量的情況下，降低膠料的成本；</p><p>　　二、在不提高膠料成本的情況下，提高產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p>　　要使橡膠制品的性能、成本和工藝可行性三方面取得最佳的綜合平衡而用最少物質(zhì)消耗、最短時(shí)間、最小工作量，通過(guò)科學(xué)的配方設(shè)計(jì)方法，掌握原材料配合的內(nèi)在規(guī)律，設(shè)計(jì)出實(shí)用配方。</p><p><b>　　2.2配方程序</b><

13、;/p><p><b>　?。?） 基礎(chǔ)配方</b></p><p>　　基礎(chǔ)配方又稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)配方，一般是以生膠和配合劑的鑒定為目的。當(dāng)某種橡膠和配合劑首次面世時(shí)，以此檢驗(yàn)其基本的加工性能和物理性能。其設(shè)計(jì)的原則是采用傳統(tǒng)的配合量，以便對(duì)比；配方應(yīng)盡可能地簡(jiǎn)化，重現(xiàn)性較好?；A(chǔ)配方僅包括最基本的組分，由這些基本的組分組成的膠料，既可反映出膠料的基本工藝性能，又可反映硫化膠的基

14、本物理性能?？梢哉f(shuō)，這些基本組分是缺一不可的。在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上，再逐步完善、優(yōu)化，以獲得具有某些特性要求的性能配方。不同部門(mén)的基礎(chǔ)配方往往不同，但同一膠種的基礎(chǔ)配方基本上大同小異。如下表1、表2中天然橡膠和三元乙丙膠的ASTM基本配方[3]。</p><p>　　表1.天然橡膠的基礎(chǔ)配方（ASTM） 單位質(zhì)量份</p><p>　　表2.三元乙丙膠的基礎(chǔ)配方（ASTM） 單位質(zhì)量

15、份</p><p>　　在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)配方時(shí)，ASTM規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)配方和合成橡膠廠提出的基礎(chǔ)配方是很有參考價(jià)值的?；A(chǔ)配方最好是根據(jù)本單位的具體情況進(jìn)行擬定，以本單位積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。還應(yīng)該注意分析同類(lèi)產(chǎn)品和類(lèi)似產(chǎn)品現(xiàn)行生產(chǎn)中所用配方的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)也要考慮到新產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中和配方改進(jìn)中新技術(shù)的應(yīng)用。</p><p><b>　?。?） 性能配方</b></p>

16、;<p>　　又稱(chēng)技術(shù)配方。為達(dá)到某種性能要求而進(jìn)行的配方設(shè)計(jì)，其目的是為了滿足產(chǎn)品的性能要求和工藝要求，提高某種特性等。性能配方應(yīng)在基礎(chǔ)配方的基礎(chǔ)上全面考慮各種性能的搭配，以滿足制品使用條件的要求為準(zhǔn)。通常研制產(chǎn)品時(shí)所作的試驗(yàn)配方就是性能配方，是配方設(shè)計(jì)者用得最多的一種配方。</p><p><b>　?。?）實(shí)用配方</b></p><p>　　又稱(chēng)

17、生產(chǎn)配方。在試驗(yàn)室條件下研制的配方，其試驗(yàn)結(jié)果并不是最終的結(jié)果，往往在投入生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些工藝上的困難，如焦燒時(shí)間短、壓出性能不好、壓延黏輥等，這就需要在不改變基本性能的條件下，進(jìn)一步調(diào)整配方。</p><p>　　實(shí)用配方即是在前兩種配方（基本配方、性能配方）試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件所作的實(shí)用投產(chǎn)配方。實(shí)用配方要全面考慮使用性能、工藝性能、體積成本、設(shè)備條件等因素，最后選出的實(shí)用配方應(yīng)能夠滿足工業(yè)化生產(chǎn)條

18、件，使產(chǎn)品的性能、成本、長(zhǎng)期連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)工藝達(dá)到最佳的平衡。</p><p>　　圖 1介紹了制定普通實(shí)用配方的過(guò)程[4]。</p><p><b>　　圖1、配方制定過(guò)程</b></p><p>　　2.3 配方組成及表示方法</p><p>　　橡膠配方簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是一份表示生膠、聚合物和各種配合劑用量的配比表。但

19、生產(chǎn)配方則包含更詳細(xì)的內(nèi)容，其中包括：膠料的名稱(chēng)及代號(hào)、膠料的用途、生膠及各種配合劑的用量、含膠率、相對(duì)密度、成本、膠料的工藝性能和硫化膠的物理性能等。同一個(gè)橡膠配方，根據(jù)不同的需要可以用4 種不同的形式來(lái)表示，見(jiàn)表3 所示。</p><p>　　表3.橡膠配方的表示形式</p><p>　?。?）基本配方 以質(zhì)量份來(lái)表示的配方，即以生膠的質(zhì)量為100份，其他配合劑用量都以相應(yīng)的質(zhì)量份數(shù)表

20、示。這種配方稱(chēng)為基本配方，常用于實(shí)驗(yàn)室中。</p><p>　?。?）質(zhì)量分?jǐn)?shù)配方 以質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示的配方，即以膠料總質(zhì)量為100%，生膠及各種配合劑都以質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)表示。這種配方可以直接從基本配方導(dǎo)出。</p><p>　　（3）體積分?jǐn)?shù)配方 以體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示的配方，即以膠料的總體積為100%，生膠及各種配合劑都以體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示。這種配方也可從基本配方導(dǎo)出，其算法是將基本配方中生膠及各種配

21、合劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別除以各自的相對(duì)密度，求出它們的體積分?jǐn)?shù)，然后以膠料的總體積分?jǐn)?shù)為100%，分別求出它們的體積分?jǐn)?shù)。體積分?jǐn)?shù)配方計(jì)算示例見(jiàn)表4。</p><p>　　表4. 體積分?jǐn)?shù)配方計(jì)算示例</p><p>　?。?）生產(chǎn)配方 符合生產(chǎn)使用要求的質(zhì)量配方，稱(chēng)為生產(chǎn)配方。生產(chǎn)配方的總質(zhì)量常等于煉膠機(jī)的容量，例如使用開(kāi)煉機(jī)混煉時(shí)，煉膠的容量Q 用下列經(jīng)驗(yàn)公式[3]計(jì)算：</p>

22、<p><b>　　Q=DLγK</b></p><p>　　式中 去Q———煉膠機(jī)裝膠量，kg；</p><p>　　D———輥筒直徑，cm；</p><p>　　L———輥筒長(zhǎng)度，cm；</p><p>　　γ———膠料相對(duì)密度；</p><p>　　K———系數(shù)（0.0065~

23、0.0085）。</p><p>　　Q 除以基本配方總質(zhì)量即得換算系數(shù)：a=Q/(基本配方總質(zhì)量)</p><p>　　用換算系數(shù)a 乘以基本配方中各組分的質(zhì)量份，即可得到生產(chǎn)配方中各組分的實(shí)際用量。</p><p><b>　　3.橡膠CAD技術(shù)</b></p><p><b>　　3.1簡(jiǎn)介</b&

24、gt;</p><p>　　目前橡膠工程領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)應(yīng)用已趨于普及，不僅廣泛地應(yīng)用在財(cái)務(wù)及管理上，而且在技術(shù)領(lǐng)域中如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、配方設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)等方面也得到廣泛的應(yīng)用，一般涉及到的是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD技術(shù)。近十年來(lái)，CAD技術(shù)在橡膠工程領(lǐng)域的研究中已形成了眾多風(fēng)格不同的應(yīng)用軟件系統(tǒng)，尤其是支持windows操作系統(tǒng)的專(zhuān)用軟件系統(tǒng)更加受到了廣大技術(shù)工作者的青睞。這些系統(tǒng)不僅操作簡(jiǎn)單、直觀、易學(xué)易用，而且將較

25、新的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)應(yīng)用到了該領(lǐng)域中，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)方案的擬定，試驗(yàn)結(jié)果的分析，以及配方的優(yōu)化等。</p><p>　　RCAD全稱(chēng)是Rubber Computer Aided Design，即橡膠行業(yè)相關(guān)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，特指運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助橡膠相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品和工程設(shè)計(jì)的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)性能的迅速提高，計(jì)算機(jī)在橡膠行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛深入。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的引進(jìn)，大大促進(jìn)了設(shè)計(jì)能力的提高，不但體現(xiàn)了工作效率和質(zhì)

26、量方面，更體現(xiàn)在先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的工作方式的促進(jìn)與變革。</p><p>　　國(guó)內(nèi)已有部分大型橡膠企業(yè)建立起較完整的CAD系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。另外，少數(shù)大型企業(yè)采用CAD技術(shù)后產(chǎn)生的明顯的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)中小企業(yè)的影響十分巨大。它們首先應(yīng)用計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的CAD軟件組成CAD系統(tǒng)，進(jìn)行產(chǎn)品的配方設(shè)計(jì)和工程圖紙的繪制，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比提高了效率。同時(shí)，應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，而且逐步深化。從80年

27、代起，國(guó)內(nèi)一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)在橡膠CAD技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了大量的研究工作，自行開(kāi)發(fā)了一些實(shí)用的CAD軟件。如青島科技大學(xué)開(kāi)發(fā)的“橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)”、“輪胎消耗定額管理系統(tǒng)”、“輪胎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)”等。</p><p>　　3.2橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件</p><p>　　從上世紀(jì)80年代起,青島科技大學(xué)在橡膠配方CAD 技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了大量的研究工作,自行研制開(kāi)發(fā)了橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)等

28、實(shí)用的配方CAD 軟件。橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是綜合運(yùn)用橡膠工程、運(yùn)籌學(xué)、概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等理論，結(jié)合大量配方設(shè)計(jì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)開(kāi)發(fā)而成的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，屬于信息技術(shù)在橡膠工業(yè)中的高新技術(shù)成果?？蓮V泛應(yīng)用于橡膠制品配方的研究開(kāi)發(fā)以及工藝參數(shù)優(yōu)化等，是利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)配方設(shè)計(jì)的基本工具和手段。</p><p>　　該系統(tǒng)可根據(jù)給定的約束條件，自動(dòng)選擇試驗(yàn)點(diǎn)并安排試驗(yàn)方案，使得試驗(yàn)次數(shù)盡可能減少，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)

29、據(jù)的處理又能夠達(dá)到全面試驗(yàn)效果，可以揭示考察因素和考察指標(biāo)間隱藏的規(guī)律、預(yù)測(cè)不同試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果、優(yōu)選配方或最佳工藝條件、對(duì)配方進(jìn)行成本核算等。</p><p>　　3.3橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件試驗(yàn)方法</p><p>　　橡膠配方設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)方法，包括單因素變量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多因素變量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)：（1）單因素變量試驗(yàn)方法，常用的有黃金分割法（0.618 法）、平分法、分批試驗(yàn)法、分?jǐn)?shù)法（裴

30、波那契法）、爬山法、拋物線法等。單因素變量法比較簡(jiǎn)單，特別是用來(lái)鑒定新材料或生產(chǎn)中原材料變動(dòng)時(shí)，只做較少的試驗(yàn)就可做出判斷，見(jiàn)效快，試驗(yàn)數(shù)據(jù)易于處理，通過(guò)圖表直觀比較即可得出結(jié)論。正因?yàn)槿绱?，這種方法在配方試驗(yàn)中仍然有一定的價(jià)值。（2）多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，例如縱橫對(duì)折法、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法、平行線法、矩形法、多角形試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、三角形對(duì)影法、列線圖法、等高線圖形法、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法、均勻設(shè)計(jì)法等?，F(xiàn)代配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

31、又提出了專(zhuān)家系統(tǒng)及模型輔助決策系統(tǒng)自組織原理等概念，并且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Intemet/Intranet等技術(shù)應(yīng)用到了橡膠配方設(shè)計(jì)與優(yōu)化之中。</p><p>　　下面介紹一下課程學(xué)習(xí)過(guò)程中用到的幾種多因素試驗(yàn)方法。</p><p>　　3.3.1正交試驗(yàn)法</p><p>　　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]（Orthogonal Design）是利用正交表進(jìn)行多因素整體設(shè)計(jì)、

32、綜合比較和統(tǒng)計(jì)分析的一種重要的數(shù)學(xué)方法。其特點(diǎn)是將試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)安排得“均勻分散、整齊可比”?！熬鶆蚍稚ⅰ毙允沟迷囼?yàn)點(diǎn)均衡地分布在試驗(yàn)范圍內(nèi)，每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)都有充分的代表性；“整齊可比”性使得試驗(yàn)結(jié)果的分析十分方便，易于估計(jì)各因子的主效應(yīng)和交互作用。結(jié)果分析，一種是直觀分析，另一種是方差分析。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（數(shù)據(jù)）的分析，能夠確定以下內(nèi)容：</p><p>　?。?）對(duì)指標(biāo)影響顯著的因子和對(duì)指標(biāo)無(wú)關(guān)緊要的因子；&

33、lt;/p><p>　?。?）對(duì)指標(biāo)最為有利的水平搭配；</p><p>　?。?）在最優(yōu)水平組合下指標(biāo)大致的變化范圍；</p><p>　　（4）進(jìn)一步試驗(yàn)的方向。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因試驗(yàn)次數(shù)至少是試驗(yàn)水平數(shù)的平方，比較適合水平數(shù)不高的實(shí)驗(yàn)安排。</p><p><b>　　3.3.2回歸設(shè)計(jì)</b></p>&l

34、t;p>　　回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[6]是一種處理配方變量因子與因子之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方法，通過(guò)某種膠料性能響應(yīng)方程式（回歸方程式）建立起自變量（即配方組分）和因變量（即某種膠料的物理性能）之間的聯(lián)系。顯然，用數(shù)學(xué)回歸方程式表達(dá)的這種聯(lián)系，不但有質(zhì)的相互關(guān)系，而且有量的相互關(guān)系。通式為：</p><p>　　y=b0+Σbixi+Σbiixi2+Σbijxixj</p><p><b>

35、;　　式中 i ≠j</b></p><p>　　回歸分析的方法，主要解決以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。</p><p>　　（1）確定幾個(gè)特定的配方因子變量之間是否存在相關(guān)性，如果存在則找出合適的數(shù)學(xué)表達(dá)式。</p><p>　?。?）根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)配方因子變量的值預(yù)測(cè)或控制某種物理性能指標(biāo)的值。反之，也可根據(jù)幾種物理性能指標(biāo)的范圍，預(yù)測(cè)或測(cè)出一個(gè)或幾個(gè)配方因子

36、變量的值。通過(guò)計(jì)算可預(yù)測(cè)或控制可達(dá)到的精確度。</p><p>　?。?）進(jìn)行配方因子的分析，弄清楚這些因子之間的相互關(guān)系。找出哪些因子是重要的，哪些是次要的，哪些是可以忽略的，通過(guò)方程式求出所需性能的配方因子最佳組合；畫(huà)出某種性能的等高線；探討各配方因子變量對(duì)性能的影響，從而預(yù)測(cè)膠料的物理性能等。</p><p>　　3.3.3均勻設(shè)計(jì) </p><p>　　

37、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)次數(shù)隨著水平數(shù)呈二次指數(shù)增加。在實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴或者為破壞性實(shí)驗(yàn)時(shí)，人們希望盡量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。2 0 世紀(jì) 7 0 年代末，我國(guó)數(shù)學(xué)家方開(kāi)泰利用數(shù)論方法發(fā)明了均勻?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)法[7]，較好地解決了這一問(wèn)題。與以前的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法相比，均勻設(shè)計(jì)法有以下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)分布得更均勻，具有很強(qiáng)的代表性；</p><p>　　（2）可以保證在反映事物間

38、主要規(guī)律的前提下得到最少試驗(yàn)次數(shù)，最適宜多因子多水平的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，而且參與實(shí)驗(yàn)的因素和水平越多，均勻設(shè)計(jì)能最大限度地減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)的優(yōu)越性越突出；</p><p>　?。?）可應(yīng)用多種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如回歸分析、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。</p><p>　　運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)法進(jìn)行橡膠配方試驗(yàn)，一般包含以下幾個(gè)步驟：</p><p>　　（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)或

39、生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定需要試驗(yàn)的因子和水平；（2）根據(jù)欲試驗(yàn)的因子和水平數(shù)計(jì)算出最少需要試驗(yàn)的次數(shù)，在選擇合適的均勻表；（3）根據(jù)選擇的均勻表和均勻表的使用表進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)和安排試驗(yàn)方案；（4）按試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)；（5）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最優(yōu)配方或最佳生產(chǎn)條件；（6）根據(jù)選取的最有配方或最佳生產(chǎn)條件進(jìn)行論證。</p><p>　　選擇試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[8]：</p><p>　?。?/p>

40、1）試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)以專(zhuān)業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，抓住問(wèn)題的關(guān)鍵所在，確定主要影響因素及其變化范圍、關(guān)鍵性指標(biāo)。</p><p>　　（2）應(yīng)采用試驗(yàn)次數(shù)少、試驗(yàn)點(diǎn)分布合理的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　?。?）采用廣義因子變量以減少試驗(yàn)因子數(shù)目。如在保持氧化鋅和硬脂酸比例不變的情況下改變其總用量，在保持炭黑總用量不變的情況下改變兩種炭黑并用比例，在分析海綿膠結(jié)構(gòu)時(shí)采用強(qiáng)度對(duì)密度的比例未揭示泡沫的結(jié)果等。&

41、lt;/p><p>　　（4）增加時(shí)間漂移量。當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)較多、無(wú)法保持相同的試驗(yàn)條件時(shí)，試驗(yàn)誤差會(huì)隨時(shí)間延續(xù)而增加，這稱(chēng)為時(shí)間漂移。時(shí)間漂移量較小時(shí)，可歸入試驗(yàn)誤差；較大時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行單獨(dú)處理，通?？刹捎梅纸M法（如正交分組）。</p><p>　?。?）各種試驗(yàn)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)也不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　3.4橡膠

42、配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的功能特點(diǎn)</p><p>　　橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)需綜合運(yùn)用橡膠工藝學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等理論，并用大量橡膠配方設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，方可用于橡膠制品的研究開(kāi)發(fā)以及工藝參數(shù)優(yōu)化等。作為橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件, 一般應(yīng)包含以下功能[9]。</p><p>　　3.4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)管理</p><p>　　圖2. 橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

43、配方管理界面</p><p>　　在橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件中，數(shù)據(jù)的種類(lèi)既可分為試驗(yàn)數(shù)據(jù)和非試驗(yàn)數(shù)據(jù)，又可分為當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。為滿足數(shù)據(jù)共享和實(shí)時(shí)性要求，需要用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括原材料、生產(chǎn)配方、試驗(yàn)配方、試驗(yàn)方案、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。見(jiàn)圖2，下層界面的左側(cè)是采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)對(duì)配方進(jìn)行分類(lèi)管理，右側(cè)顯示完整的配方，包括材料名稱(chēng)、材料規(guī)格、代號(hào)以及用量等。上層為向系統(tǒng)中添加新配方的界面。上方為配方基本信息，

44、左下方為從原材料庫(kù)中讀取的原材料信息, 右下方為配方輸入?yún)^(qū)域，配方中的原材料可以從原材料庫(kù)中直接調(diào)入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享, 提高了工作效率，更是對(duì)傳統(tǒng)配方管理方式的促進(jìn)和變革。</p><p>　　3.4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和建模</p><p>　　為更好的揭示試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律，減少配方研制過(guò)程中的人力物力的消耗, 使用盡量少的試驗(yàn)代替全面試驗(yàn)，使數(shù)據(jù)具有更好的代表性。實(shí)踐發(fā)現(xiàn), 均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)、

45、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法于橡膠配方設(shè)計(jì)中均能起到很好的效果。試驗(yàn)設(shè)計(jì)和建模是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要, 由配方工程師提出要求, 系統(tǒng)自動(dòng)選擇最優(yōu)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法, 給出試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方案用工程進(jìn)行管理, 每個(gè)工程相當(dāng)于一個(gè)分類(lèi), 便于試驗(yàn)方案的檢索和維護(hù)。系統(tǒng)根據(jù)用戶給定的考察因素和范圍自動(dòng)選擇試驗(yàn)點(diǎn)并生成試驗(yàn)方案</p><p>　　3.4.3 數(shù)據(jù)處理</p><p>　　數(shù)據(jù)

46、處理是對(duì)試驗(yàn)中測(cè)得的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)按照建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行運(yùn)算, 對(duì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)(如試驗(yàn)方案等) 進(jìn)行存儲(chǔ)、調(diào)入和維護(hù), 繪制性能曲線圖及性能等高線圖等。</p><p>　　3.4.4 性能預(yù)測(cè)和配方優(yōu)選</p><p>　?。?）根據(jù)輸入的原材料用量配比, 系統(tǒng)給出預(yù)測(cè)的結(jié)果。原來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)新的試驗(yàn)條件, 只有實(shí)施后才能知道結(jié)果, 現(xiàn)在讓系統(tǒng)預(yù)測(cè)一下就知道結(jié)果如何, 不好的條件不用做試驗(yàn),

47、自認(rèn)為較好的條件可實(shí)際做一下, 這樣就節(jié)省了時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。</p><p>　?。?）根據(jù)給定的性能約束條件, 優(yōu)選出滿足要求的配方性能指標(biāo)通常是互相牽制的, 某個(gè)考察因素的控制值一變, 幾個(gè)考察指標(biāo)的值可能都會(huì)發(fā)生變化, 故要求配方CAD 軟件能把各種考察指標(biāo)綜合考慮, 優(yōu)選出滿足各種考察指標(biāo)要求的原材料用量配比。見(jiàn)圖2, 上層界面中可以輸入試驗(yàn)配方對(duì)性能的要求, 下層界面顯示優(yōu)選出的滿足條件的配方。</p

48、><p>　　3.4.5 強(qiáng)大的報(bào)表處理能力</p><p>　　橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件能夠以圖形、文檔等多種形式輸出系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù), 并允許用戶進(jìn)行部分定制。</p><p>　　3.4.6 與通用軟件的接口</p><p>　　橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件能夠?qū)⑾到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)報(bào)表自動(dòng)轉(zhuǎn)換為其它通用軟件的格式, 如Microsoft Word、Excel

49、等, 方便進(jìn)一步編輯、作報(bào)告等。</p><p>　　3.4.7 數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)</p><p>　　在計(jì)算機(jī)使用過(guò)程中, 不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種軟、硬件故障, 甚至造成數(shù)據(jù)丟失。所以, 作為一個(gè)健壯的軟件系統(tǒng), 應(yīng)該具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能。配方設(shè)計(jì)者可以很方便的對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份, 當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可以很容易的把備份的數(shù)據(jù)恢復(fù)到系統(tǒng)中。</p><p>　　

50、3.4.8 用戶管理</p><p>　　為增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性, 系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)椴煌挠脩粼O(shè)置不同的使用權(quán)限。如把技術(shù)主管設(shè)置為最高權(quán)限, 可以查看系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù), 配方工程師設(shè)置為一般權(quán)限, 只能查看自己設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案等。</p><p>　　4.回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析</p><p>　　現(xiàn)選取回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)和其中的一個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行分析。在試驗(yàn)中，水平數(shù)是9，2因

51、子，分別是是硫磺和促進(jìn)劑DCP，下表5是試驗(yàn)方案和測(cè)試的性能數(shù)據(jù)。表6，是試驗(yàn)得到的回歸方程。</p><p>　　表5.回歸試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)</p><p><b>　　表6.回歸方程</b></p><p>　　對(duì)（Mh-Ml）取16.838、16.299、15.99、18.839、19.72、18.838、20.81，繪制性能等高線。由圖3可

52、知，在硫磺、DCP的這個(gè)試驗(yàn)范圍，基本能夠滿足（Mh-Ml）的性能要求，當(dāng)DCP用量固定時(shí)，硫磺用量變化對(duì)（Mh-Ml）的影響較小；當(dāng)硫磺用量固定時(shí)，隨DCP用量的增加，（Mh-Ml）的值增大。</p><p>　　圖3.回歸設(shè)計(jì)中(Mh-Ml)</p><p>　　根據(jù)上述分析，現(xiàn)將DCP回歸設(shè)計(jì)性能曲線分析</p><p>　　圖4. 回歸設(shè)計(jì)中(Mh-Ml)與

53、DCP用量的關(guān)系圖</p><p>　　現(xiàn)固定硫磺用量為0.400phr。由圖4所示，硫磺用量固定時(shí)，表示交聯(lián)程度的參數(shù)(Mh-Ml)數(shù)值隨DCP用量的增加，而呈線性增大。</p><p><b>　　5.結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　橡膠配方設(shè)計(jì)是個(gè)古老的問(wèn)題，對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)性很大。電子計(jì)算機(jī)作為一種新的計(jì)算手段，可幫助配方工作者進(jìn)行綜合性

54、的分析。但是如果認(rèn)為有了電子計(jì)算機(jī)，就可以把配方工作者原來(lái)的配方設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)完全拋棄，那是完全錯(cuò)誤的；相反，必須依賴(lài)配方工作者豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，抓住客觀事物的本質(zhì)，才能把配方因素變化原因找出來(lái)。由于這個(gè)原因，只懂電子計(jì)算機(jī)的程序設(shè)計(jì)和計(jì)算操作而不懂橡膠工藝配方的人，將無(wú)法運(yùn)用計(jì)算機(jī)作配方設(shè)計(jì)和優(yōu)選配方。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果配方工作者掌握數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和電子計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)原理，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)作系統(tǒng)的配方設(shè)計(jì)，了解影響配方本質(zhì)的主要因素，則能夠收到很

55、好的效果。</p><p>　　21世紀(jì)是高度信息化的時(shí)代。而計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用以及軟、硬件技術(shù)的飛 速發(fā)展，為橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。面向信息時(shí)代，橡膠工業(yè)應(yīng) 該建立新的橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)概念，充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù), 最終實(shí)現(xiàn)配方設(shè)計(jì)的人工智能化與網(wǎng)絡(luò)化。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　方開(kāi)

56、泰，等. 實(shí)用回歸分析. 北京：科學(xué)出版社，1988.</p><p>　　李定華，張滄，王建祺. 計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)在阻燃配方中的應(yīng)用. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，1998（2）：85.</p><p>　　高松.橡膠配方優(yōu)化設(shè)計(jì)及鑒定測(cè)試實(shí)用手冊(cè).北京工業(yè)出版社，2006.</p><p>　　李漢堂編譯.橡膠配方設(shè)計(jì)概述.世界橡膠工業(yè)，2010，37（2）:38-42.&

57、lt;/p><p>　　張殿榮，辛振祥. 現(xiàn)代橡膠配方設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.</p><p>　　方開(kāi)泰，等. 實(shí)用回歸分析. 北京：科學(xué)出版社，1988.</p><p>　　方開(kāi)均勻設(shè)計(jì)與均勻設(shè)計(jì)表. 北京： 科學(xué)出版社，1994.</p><p>　　紀(jì)奎江，范汝良，程寶家. 21世紀(jì)的計(jì)算機(jī)輔助橡膠配方設(shè)計(jì). 合成橡膠工