舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070

基于集對(duì)分析的熔噴聚丙烯工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070

提出一種正交試驗(yàn)與集對(duì)分析相結(jié)合的熔噴聚丙烯工藝參數(shù)優(yōu)化方法。運(yùn)用集對(duì)分析對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過權(quán)重求和的方法將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，克服正交試驗(yàn)法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化的不足，有效提高優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證此方法的有效性和可靠性。

聚丙烯，熔噴，工藝參數(shù)，優(yōu)化，集對(duì)分析，同一度

熔噴法是一種超細(xì)纖維成網(wǎng)法，是非織造成網(wǎng)的重要方法，其制品具有孔隙小且多、孔隙分布均勻、過濾阻力小、過濾效率高等特點(diǎn)[1-2]。熔噴聚丙烯非織造布因纖維互相纏結(jié)、熱熔黏合及纖維之間的吸引力，具有良好的完整性，是理想的過濾材料，其過濾效率高、過濾阻力小，并具有一定的耐高溫、耐酸堿、耐有機(jī)溶劑等性能，而且通過控制熔噴工藝能獲得合乎需要的纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[3-4]。工藝參數(shù)對(duì)熔噴聚丙烯非織造布的性能的影響較大，選擇合適的工藝參數(shù)對(duì)提高熔噴聚丙烯非織造布的質(zhì)量和生產(chǎn)效率都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。試驗(yàn)設(shè)計(jì)在一定程度上可以降低反復(fù)試湊的盲目性，能以較少的試驗(yàn)次數(shù)得到試驗(yàn)范圍內(nèi)較優(yōu)的工藝組合。正交試驗(yàn)是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的方法，是工藝優(yōu)化最常用的一種方法，在單或少目標(biāo)優(yōu)化中具有顯著優(yōu)勢(shì)，但在多目標(biāo)優(yōu)化中由于數(shù)據(jù)的處理方法比較簡(jiǎn)單而存在明顯缺陷，往往需要進(jìn)行層層比較和分析，過程復(fù)雜且存在一定的主觀因素，可能導(dǎo)致判斷誤差，當(dāng)因素和水平較多或試驗(yàn)結(jié)果比較接近時(shí)，甚至可能難以做出準(zhǔn)確判斷；優(yōu)化目標(biāo)越多，這種缺陷越明顯。集對(duì)分析是處理系統(tǒng)確定性與不確定性相互作用的數(shù)學(xué)工具，它能深入挖掘事物的內(nèi)在規(guī)律和聯(lián)系。文中采用正交試驗(yàn)和集對(duì)分析相結(jié)合的手段，優(yōu)化熔噴聚丙烯非織造布工藝參數(shù)，克服了正交試驗(yàn)多目標(biāo)優(yōu)化的不足，有效提高了優(yōu)化結(jié)果的科學(xué)性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料為聚丙烯，熔融指數(shù)8 000。試驗(yàn)設(shè)備為單孔熔噴法試驗(yàn)機(jī)，氣槽寬度0.65 mm，氣槽角度30°，噴絲孔直徑0.42 mm。影響熔噴聚丙烯非織造布性能的工藝參數(shù)很多，如材料熔融指數(shù)、熔體擠出量、氣流速度(風(fēng)壓)、通氣量、纖網(wǎng)結(jié)構(gòu)、噴絲板結(jié)構(gòu)和噴絲孔形狀、熱空氣溫度、噴絲孔與成網(wǎng)簾的距離(接收距離)等[5-6]。文中選取熔體擠出量(A)、熱空氣溫度(B)、空氣壓力(C)、接收距離(D)4個(gè)工藝參數(shù)作為優(yōu)化對(duì)象。強(qiáng)度、過濾效率和過濾阻

力是衡量濾材優(yōu)劣的3個(gè)主要指標(biāo)，故選取過濾效率(P)、過濾阻力(R)、通氣量(V)、斷裂強(qiáng)力(F)4個(gè)熔噴聚丙烯非織造布性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)[7-8]。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

過濾效率和過濾阻力測(cè)試參照GB/T 6166《高效空氣過濾器性能試驗(yàn)方法 效率和阻力》，透氣性測(cè)試參照GB/T 13764《土工布透氣性的試驗(yàn)方法》，斷裂強(qiáng)力測(cè)試參照GB/T 3923.1《紡織品 織物拉伸性能 第1部分：斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(條樣法)》。正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2 集對(duì)分析基本知識(shí)

集對(duì)分析的核心思想是把確定性與不確定性作為一個(gè)確定不確定系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，確定性與不確定性互相聯(lián)系、互相影響、互相制約，并在一定條件下互相轉(zhuǎn)化。

集對(duì)分析的基礎(chǔ)是集對(duì)，即具有一定聯(lián)系的2個(gè)集合組成的對(duì)子。2個(gè)集合中具有的相同特性，稱為同一性關(guān)系；2個(gè)集合中具有的相反特性，稱為對(duì)立關(guān)系；2個(gè)集合中具有的既不同一又不對(duì)立的特性，稱為差異性關(guān)系[9]。

聯(lián)系度是集對(duì)分析的一個(gè)重要概念，可以全面、系統(tǒng)地刻畫所要研究的集對(duì)之間的同異反聯(lián)系。給定2個(gè)集合α和β，在一定的問題背景下，對(duì)由這兩個(gè)集合組成的集對(duì)H=(α，β)的特性進(jìn)行分析。設(shè)H共有N個(gè)特性，包括S個(gè)同一性關(guān)系、R個(gè)對(duì)立關(guān)系和F=N-S-R個(gè)差異性關(guān)系，則其聯(lián)系度[10]：

式中：μ為聯(lián)系度，反映集對(duì)中同異反三者的相互聯(lián)系、影響和轉(zhuǎn)化；a、b、c分別為2個(gè)集合在指定問題背景下的同一度、差異度和對(duì)立度，且a+b+c=1；i為差異度系數(shù)，根據(jù)具體情況在[-1， 1]區(qū)間內(nèi)取值，i=1時(shí)差異度轉(zhuǎn)化為同一度，i=-1時(shí)差異度轉(zhuǎn)化為對(duì)立度，i取(-1， 1)時(shí)差異度中同一度和對(duì)立度各占一定比例；j為對(duì)立度系數(shù)，j=-1。

利用集對(duì)分析優(yōu)化熔噴聚丙烯非織造布性能指標(biāo)的基本思想：確定一個(gè)參照方案，即熔噴聚丙烯非織造布性能指標(biāo)的正理想解和負(fù)理想解，將各試驗(yàn)方案與參照方案進(jìn)行比較，根據(jù)它們的同一度來確定各試驗(yàn)方案的優(yōu)劣。首先分別求出評(píng)價(jià)指標(biāo)(即單優(yōu)化目標(biāo))的同一度，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)分析，然后通過權(quán)重求和確定評(píng)價(jià)對(duì)象(即優(yōu)化對(duì)象)的同一度，也就是將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，從而實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)性能指標(biāo)的優(yōu)化，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 權(quán)重的確定

采用傳統(tǒng)標(biāo)度法確定權(quán)重，計(jì)算比較復(fù)雜，且需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。文中采用比例標(biāo)度法確定權(quán)重，計(jì)算比較簡(jiǎn)便，而且不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。將n個(gè)指標(biāo)按照其重要程度從大到小進(jìn)行排序，比較相鄰2個(gè)指標(biāo)的重要程度得到標(biāo)度值ki，然后按照各指標(biāo)的重要程度的傳遞性得出判斷矩陣(K)：

其中，ki為第i個(gè)指標(biāo)相對(duì)于第i+1個(gè)指標(biāo)的標(biāo)度值。標(biāo)度值確定法則見表3。

表3 標(biāo)度值確定法則

矩陣K是完全一致的，且最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量(P)：

P=(p1,p2, …,pn-1,pn)

=(k1k2…kn-1,k2k3…kn-1, …,kn-1, 1)

指標(biāo)權(quán)重(W)：

參照紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 64034《紡黏/熔噴/紡黏(SMS)法非織造布》，熔噴聚丙烯非織造布的4個(gè)性能指標(biāo)的重要程度由大到小的順序?yàn)檫^濾效率、過濾阻力、通氣量、斷裂強(qiáng)力。根據(jù)熔噴聚丙烯非織造布性能要求和表3給出的標(biāo)度值確定法則，取k1=1.6、k2=1.4、k3=1.2，則判斷矩陣：

特征向量：

P=(2.688， 1.680， 1.200， 1.000)

指標(biāo)權(quán)重：

W=(0.409， 0.256， 0.183， 0.152)

3.2 集對(duì)分析步驟

3.2.1 量綱一化處理

設(shè)有A1,A2, …,Am共m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象，每個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象有X1,X2, …,Xn共n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)對(duì)象Ai對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)Xj的評(píng)價(jià)值為rij(i=1, 2, …,m；j=1, 2, …,n)，則rij的一化處理方法：

當(dāng)rij為效益型數(shù)據(jù)時(shí)，

sij=rij/rjmax

(1)

當(dāng)rij為成本型數(shù)據(jù)時(shí)，

sij=rjmin/rij

(2)

當(dāng)rij取固定型數(shù)據(jù)時(shí)，

(3)

在熔噴聚丙烯非織造布的4個(gè)性能指標(biāo)(即評(píng)價(jià)指標(biāo))中，過濾效率、通氣量、斷裂強(qiáng)力為效益型數(shù)據(jù)，過濾阻力為成本型數(shù)據(jù)，其量綱一化結(jié)果見表4。

表4 量綱一化結(jié)果

3.2.2 確定正、負(fù)理想解

評(píng)價(jià)對(duì)象的正理想解為U={u1,u2, …,un}，負(fù)理想解為V={v1,v2, …,vn}，其中：

根據(jù)表4的量綱一化結(jié)果，熔噴聚丙烯非織造布4個(gè)性能指標(biāo)的正理想解和負(fù)理想解：

U={1， 1， 1， 1}

V={0.813， 0.635， 0.686， 0.709}

3.2.3 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的同一度

sij在{vj，uj}上接近uj而遠(yuǎn)離vj的同一度，可按式(4)計(jì)算，結(jié)果見表5。

(4)

3.2.4 計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的同一度

Ai在{V，U}上接近U而遠(yuǎn)離V的同一度，可按式(5)計(jì)算，結(jié)果見表5。

(5)

表5 同一度計(jì)算結(jié)果

3.3 單目標(biāo)同一度分析

分別對(duì)熔噴聚丙烯非織造布的過濾效率(P)、過濾阻力(R)、通氣量(V)、斷裂強(qiáng)力(F)4個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行同一度分析。

由表5中各工藝參數(shù)水平對(duì)應(yīng)的同一度求得熔噴聚丙烯非織造布4個(gè)性能指標(biāo)的平均同一度，結(jié)果見表6～表9。

表6 針對(duì)P的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

表7 針對(duì)R的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

表8 針對(duì)V的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

表9 針對(duì)F的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

根據(jù)正交試驗(yàn)性質(zhì)，各工藝參數(shù)的不同水平導(dǎo)致性能指標(biāo)的同一度存在差異，與其他工藝參數(shù)無關(guān)，這樣就可以確定每個(gè)工藝參數(shù)的不同水平對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響程度。根據(jù)集對(duì)分析中同一度的概念，各性能指標(biāo)的平均同一度最大的值所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)組合為最優(yōu)。

對(duì)于過濾效率(P)，由表6可以看出，推薦的工藝參數(shù)組合為A1B4C4D1，影響程度由大到小的工藝參數(shù)依次為接收距離(D)、熱空氣溫度(B)、熔體擠出量(A)、空氣壓力(C)。

對(duì)于通氣量(V)，由表7可以看出，推薦的工藝參數(shù)組合為A2B4C1D4，影響程度由大到小的工藝參數(shù)依次為接收距離(D)、熱空氣溫度(B)、熔體擠出量(A)、空氣壓力(C)。

對(duì)于通氣量(V)，由表8可以看出，推薦的工藝參數(shù)組合為A4B1C2D4，影響程度由大到小的工藝參數(shù)依次為熔體擠出量(A)、空氣壓力(C)、接收距離(D)、熱空氣溫度(B)。

對(duì)于斷裂強(qiáng)力(F)，由表9可以看出，推薦的工藝參數(shù)組合為A2B4C4D2，影響程度由大到小的工藝參數(shù)依次為空氣壓力(C)、熱空氣溫度(B)、接收距離(D)、熔體擠出量(A)。

3.4 多目標(biāo)同一度分析

針對(duì)熔噴聚丙烯非織造布的過濾效率(P)、過濾阻力(R)、通氣量(V)、斷裂強(qiáng)力(F)進(jìn)行多目標(biāo)同一度分析，結(jié)果見表10。

表10 針對(duì)綜合性能指標(biāo)的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

由試驗(yàn)的均衡搭配性質(zhì)可知，在各工藝參數(shù)的不同水平下，平均同一度的相互比較與其他參數(shù)無關(guān)，只反映該工藝參數(shù)的不同水平對(duì)綜合性能指標(biāo)的影響程度。比較各個(gè)水平，平均同一度最高的工藝參數(shù)水平為綜合考量多項(xiàng)性能指標(biāo)的最優(yōu)工藝參數(shù)水平。從表10可以看出：

(1) 熔體擠出量對(duì)綜合性能指標(biāo)影響的同一度排序：aA2>aA1>aA3>aA4。

(2) 熱空氣溫度對(duì)綜合性能指標(biāo)影響的同一度排序：aB4>aB3>aB1>aB2。

(3) 空氣壓力對(duì)綜合性能指標(biāo)影響的同一度排序：aC1>aC3>aC4>aC2。

(4) 接收距離對(duì)綜合性能指標(biāo)影響的同一度排序：aD2>aD3>aD4>aD1。

因此，推薦的工藝參數(shù)組合為A2B4C1D2，即熔體擠出量為70 g/min、熱空氣溫度為290 ℃、空氣壓力為0.20 MPa、接收距離為11 cm。

從表10還可以看出，對(duì)4項(xiàng)性能指標(biāo)的綜合性能的影響程度由大到小排序?yàn)闊峥諝鉁囟?、熔體擠出量、接收距離、空氣壓力。

4 驗(yàn)證

根據(jù)上述集對(duì)同一度分析結(jié)果，分別對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果和多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果，即分別對(duì)過濾效率優(yōu)化組A1B4C4D1、過濾阻力優(yōu)化組A2B4C1D4、通氣量?jī)?yōu)化組A4B1C2D4、斷裂強(qiáng)力優(yōu)化組A2B4C4D2，以及評(píng)價(jià)對(duì)象同一度最高組(即表5中序號(hào)“8”)A2B4C3D4和4項(xiàng)性能指標(biāo)的綜合優(yōu)化組A2B4C1D2進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見表11。

表11 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

從表11可見，各單目標(biāo)優(yōu)化組的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于正交試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化參數(shù)組與集對(duì)分析同一度最高組相比，過濾效率提高2.99%，過濾阻力減小3.30%，通氣量提高11.08%，斷裂強(qiáng)力提高1.70%，充分證明優(yōu)化結(jié)果有效性。

5 結(jié)語

提出了以正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合集對(duì)分析優(yōu)化熔噴聚丙烯非織造布工藝參數(shù)的方法。以熔體擠出量、熱空氣溫度、空氣壓力、接收距離4個(gè)工藝參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，以過濾效率、過濾阻力、通氣量、斷裂強(qiáng)力4個(gè)性能指標(biāo)及其綜合性能指標(biāo)為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)優(yōu)化對(duì)象與正理想解和負(fù)理想解的距離來衡量工藝參數(shù)的優(yōu)劣。首先進(jìn)行單目標(biāo)(單一性能指標(biāo))優(yōu)化，最后進(jìn)行多目標(biāo)(綜合性能指標(biāo))優(yōu)化。在多目標(biāo)優(yōu)化中，通過權(quán)重求和的方式將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。權(quán)重采用比例標(biāo)度法確定，解決了傳統(tǒng)標(biāo)度法過于抽象和求解復(fù)雜的問題。此方法有效，并提高了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

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Optimization of process parameters of melt blown polypropylene based on set pair analysis

ShuFuhua

School of Mechanical and Electrical Engineering of Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China

An optimization method of the process parameters of melt blown polypropylene was put forward, which was combined with the orthogonal test and set pair analysis. The orthogonal test data was processed by the set pair analysis, and the method of weight sum was used to transform a multi-objective optimization problem into a single objective optimization problem. The shortcomings of the orthogonal test method for multi-objective optimization were overcome, and the accuracy of the results of the optimization was effectively improved. The effectiveness and reliability of this method were proved by experiments.

polypropylene, melt blown, process parameter, optimization, set pair analysis, identical dgree

2016-06-06

舒服華，男，1964年生，教授，從事輕工機(jī)械研究工作

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-7093(2016)12-0012-06