周志勇, 沈海紅, 黃長(zhǎng)纓, 郭玉文, 張 歐, 蔡永華

(1.現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070; 2.汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430070; 3.武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院,湖北 武漢 430070; 4.上海環(huán)境物流有限公司,上海 201900)

0 引 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程加速,各大城市正面臨著垃圾量增加、垃圾中轉(zhuǎn)站收運(yùn)壓力大、垃圾收運(yùn)處理成本高等問(wèn)題,合理解決垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題已成為城市工作的一個(gè)重點(diǎn)[1-2]。上海市垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)主要應(yīng)用聯(lián)運(yùn)式專(zhuān)用集裝箱進(jìn)行,由于集裝箱密封條自身結(jié)構(gòu)的限制以及各種復(fù)雜工況和反復(fù)開(kāi)關(guān)門(mén)的影響,密封條使用一段時(shí)間后會(huì)存在永久變形,集裝箱工作時(shí)存在滲漏現(xiàn)象。因此,必須首先應(yīng)用RT2000慣導(dǎo)對(duì)箱體移動(dòng)軌跡和運(yùn)行工況進(jìn)行追蹤記錄和分析,以便分析密封條受力情況;然后測(cè)量箱體和密封條的尺寸,并進(jìn)行模擬分析。

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者對(duì)密封條結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[3]針對(duì)汽車(chē)尾門(mén)處的漏水問(wèn)題,應(yīng)用ANSYS分析軟件,對(duì)尾門(mén)密封條展開(kāi)研究,并對(duì)尾門(mén)密封條形狀進(jìn)行優(yōu)化,為解決尾門(mén)漏水問(wèn)題提供可行的方法;文獻(xiàn)[4]針對(duì)傳統(tǒng)密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、局部受力大等問(wèn)題,通過(guò)研究密封過(guò)程的性能要求,提出一種變截面密封條優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法以滿(mǎn)足車(chē)門(mén)密封中各種性能要求;文獻(xiàn)[5-6]利用ANSYS軟件對(duì)密封條進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,通過(guò)密封條應(yīng)力變形分析,對(duì)密封條的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì),使密封條的壓縮負(fù)荷滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求;文獻(xiàn)[7]針對(duì)傳統(tǒng)有限元分析難以對(duì)多參數(shù)問(wèn)題同時(shí)優(yōu)化,提出聯(lián)合多軟件的多目標(biāo)優(yōu)化方法,通過(guò)仿真分析,對(duì)密封條進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并得到壓縮負(fù)荷與接觸寬度最優(yōu)的密封條結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[8]研究了密封橡膠薄膜的應(yīng)力狀態(tài),并對(duì)薄膜的各參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算求解。

針對(duì)密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),很多學(xué)者開(kāi)展了有限元仿真分析研究,但是,聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[9]針對(duì)液膜密封直接測(cè)試較難實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題,提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能監(jiān)測(cè)方法,利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到最優(yōu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;文獻(xiàn)[10]針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試方法對(duì)密封端面識(shí)別準(zhǔn)確率較低、識(shí)別速度慢的問(wèn)題,提出了一種基于遺傳算法改進(jìn)的密封狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別的方法。

本文基于上海市虎林路碼頭濕垃圾聯(lián)運(yùn)式專(zhuān)用集裝箱用密封條進(jìn)行研究。首先應(yīng)用分析軟件對(duì)原密封條應(yīng)力狀況展開(kāi)研究,然后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法對(duì)密封條展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì),最后分析對(duì)比優(yōu)化密封條的各項(xiàng)性能,擬有效解決集裝箱滲漏問(wèn)題。

1 優(yōu)化算法及結(jié)構(gòu)仿真

1.1 原密封條結(jié)構(gòu)分析

原集裝箱密封條其截面為上部呈山峰狀,中間開(kāi)有一個(gè)24 mm×16 mm(長(zhǎng)×寬)矩形槽,兩側(cè)有倒刺形狀的凸起,倒刺為邊長(zhǎng)4 mm的正三角形,共10 個(gè)倒刺,原密封條分析圖如圖1所示。該密封條的總寬度為40 mm,總高度為54 mm,上層部分的最低端距離矩形槽的頂端為10 mm。

圖1 原密封條分析圖

所研究轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱的腔內(nèi)高度為2 m,轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾量約為17 t,轉(zhuǎn)運(yùn)垃圾裝載高度為1.7～1.8 m,濕垃圾比重約為0.8。垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱為水平式橫關(guān)門(mén),考慮到垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中存在傾斜、慣性力等作用,取1.5的安全系數(shù),此時(shí)箱門(mén)受力約為38.10 kN。根據(jù)CJ/T 496—2016《垃圾專(zhuān)用集裝箱》中7.6.3多式聯(lián)運(yùn)垃圾專(zhuān)用集裝箱的密封性要求,箱門(mén)所受平均壓強(qiáng)為箱門(mén)受力上下端壓強(qiáng)的平均值,此時(shí)箱門(mén)受力約為38.22 kN,平均壓強(qiáng)約為0.105 MPa。故取受力較大值38.22 kN為箱門(mén)密封合緊力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用ANSYS分析軟件,對(duì)原密封條進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。選擇原密封條為三元乙丙材料,并設(shè)置4對(duì)接觸對(duì),選擇位移壓縮,壓縮量為8 mm,門(mén)與箱體間隙為11 mm,對(duì)密封條進(jìn)行關(guān)門(mén)測(cè)試仿真,并得到仿真結(jié)果。由圖1可知,壓縮力為22 240 N時(shí),最大應(yīng)力為5.83 MPa;接觸力為22 240 N時(shí),接觸應(yīng)力為1.00 MPa,接觸長(zhǎng)度為29.1 mm。

考慮到密封條的使用壽命,密封條壓縮后內(nèi)部最大應(yīng)力應(yīng)當(dāng)盡可能小;為應(yīng)對(duì)門(mén)框上可能存在的異物,密封條與門(mén)框的接觸長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)盡可能長(zhǎng),以便包裹住異物。

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含輸入層、隱含層、輸出層3層,是一種誤差反向傳播、信號(hào)向前傳遞的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。前向傳遞信號(hào)時(shí),由輸入層經(jīng)隱含層處理,最后至輸出層,得出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11-13]。訓(xùn)練步驟如下:① 初始化;② 隱含層輸出;③ 輸出層計(jì)算;④ 誤差分析;⑤ 權(quán)值更新;⑥ 判斷算法是否結(jié)束,否則返回步驟②。

1.3 遺傳算法

遺傳算法(genetic algorithm,GA)是通過(guò)自動(dòng)獲取和積累有關(guān)信息,自適應(yīng)控制搜索過(guò)程并求得最佳解,是一種高效的方法,起源于對(duì)生物模擬研究[14-16]。主要步驟如下:① 初始化;② 計(jì)算個(gè)體的適應(yīng)度;③ 按適應(yīng)度值所決定的規(guī)則選擇下一代個(gè)體;④ 交叉操作;⑤ 變異操作;⑥ 滿(mǎn)足停止條件,輸出結(jié)果,否則轉(zhuǎn)入步驟②。

1.4 材料模型

為計(jì)算求解方便,在對(duì)超彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變分析中,采用Mooney-Rivlin模型描述超彈性材料的特性。本文采用應(yīng)變能密度函數(shù)W表征超彈性材料的特性,對(duì)其求應(yīng)變分量的一階導(dǎo)數(shù)[17],即

(1)

其中:S為第二類(lèi)Piola-Koshy Hoff應(yīng)力張量;W為應(yīng)變能函數(shù);E為L(zhǎng)agrange應(yīng)變張量。應(yīng)變能函數(shù)W表示為:

W=(I1,I2,I3)

(2)

其中,I1、I2、I3為應(yīng)變不變分量。

(3)

其中,Cij為常數(shù),且滿(mǎn)足C00=0。應(yīng)變不變量I1、I2、I3為:

(4)

其中:J為體積比;λi為主拉伸率,與應(yīng)變?chǔ)舏的關(guān)系為:

λi=1+εi

(5)

聚脂橡膠TPEE具有不可壓縮性,當(dāng)其在受到外載荷時(shí)體積不變,受力前后的體積比為 1∶1,即J=1。式(4)可以簡(jiǎn)化為:

(6)

應(yīng)變能函數(shù)W可以表示為:

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(7)

其中:I1、I2為應(yīng)變張量的主不變量;C10、C01為Mooney-Rivlin材料常數(shù)。式(7)是在工程中廣泛應(yīng)用的Mooney-Rivlin材料模型,可以用來(lái)描述絕大多數(shù)超彈性材料的力學(xué)特性。根據(jù)式(5)、式(6),可推導(dǎo)出TPEE材料的主應(yīng)力σi和主伸長(zhǎng)率λi之間的關(guān)系為:

(8)

對(duì)TPEE材料試片進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn),由于是單向拉伸,另外2個(gè)方向的主應(yīng)力均為0,即

σ2=σ3=0

(9)

TPEE材料具有不可壓縮性,因此有:

(10)

則式(8)可變形為:

(11)

根據(jù)式(7),可得:

(12)

由式(11)、式(12)可得:

(13)

取

(14)

則式(13)可以簡(jiǎn)化為:

Y=C10+C01X

(15)

根據(jù)單軸拉伸實(shí)驗(yàn),可得出TPEE材料試片變形和所受載荷的變化關(guān)系,由該變化關(guān)系計(jì)算出一系列拉伸率λ1和與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力σ1的值,再根據(jù)拉伸率和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值計(jì)算出式(15)中的X和Y,將所有X和Y通過(guò)MATLAB軟件擬合成一條直線(xiàn),則C10為該直線(xiàn)的截距,C01為該直線(xiàn)的斜率,因此可對(duì)密封條的材料屬性進(jìn)行設(shè)置。

2 密封截面結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 密封條截面優(yōu)化

本文目標(biāo)是在保證接觸力足夠的情況下,通過(guò)對(duì)密封條的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低密封條的接觸應(yīng)力,增加密封條的接觸長(zhǎng)度,密封條的結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化可通過(guò)優(yōu)化密封條的形狀、高度、寬度等參數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析,確定最合理的設(shè)計(jì)方案[18]。密封條結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題可描述為:

minF(X)

(16)

X={x1,x2,…,xn}

(17)

s.t.Ri(X)≤0,i=1,2,…,n

(18)

aj≤xj≤bj,j=1,2,…,n

(19)

其中:F(X)為目標(biāo)函數(shù);Ri(X)為約束函數(shù);ai、bj分別為設(shè)計(jì)變量的上、下限。

根據(jù)對(duì)密封條仿真受力變形的分析,并結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn),選取密封截面結(jié)構(gòu)形狀編號(hào)m、寬度t、高度T3個(gè)變量為優(yōu)化參數(shù)。對(duì)于相同材料制成的密封條,在壓縮量相同的情況下,壓縮負(fù)荷F和應(yīng)力σ是截面形狀編號(hào)m、厚度t、高度T的函數(shù),即F=f1(m,t,T),σ=f2(m,t,T)。利用加權(quán)和的辦法,可將此多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題,構(gòu)造如下目標(biāo)函數(shù):

g=λ1F+λ2σ

(20)

其中,λ1、λ2為權(quán)值。根據(jù)密封條實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行分析,考慮到F與σ的相對(duì)大小及相互重要性,分別取λ1=0.3、λ2=0.7,此比例最能反映密封條性能[19]。因此,密封條的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)參數(shù)k、t、T進(jìn)行優(yōu)化,得出目標(biāo)函數(shù)g的最小值。

通過(guò)仿真模擬計(jì)算和分析,取5種性能相對(duì)較好的截面形狀密封條進(jìn)行研究?jī)?yōu)化,截面圖如圖2所示。

圖2 密封條截面形狀

由于密封條截面薄厚不均,且相對(duì)復(fù)雜,各變量取值范圍的界定變得困難。結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)歸納總結(jié)出各變量取值范圍,具體的變量類(lèi)型與取值范圍見(jiàn)表1所列。

表1 截面優(yōu)化變量

為避免全排列數(shù)據(jù)量大,計(jì)算復(fù)雜,消耗時(shí)間長(zhǎng),因此采用正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。m、t、T取5組數(shù)據(jù),可采用L25(53)水平法來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析,然后通過(guò)有限元分析法計(jì)算數(shù)據(jù)F和σ,結(jié)果見(jiàn)表2所列。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、基于遺傳算法截面優(yōu)化結(jié)果

本研究利用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算和分析,其中輸入神經(jīng)元數(shù)取3,分別對(duì)應(yīng)m、t、T。根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)近似分析方法原理[20],取隱層神經(jīng)元數(shù)為5,輸出神經(jīng)元數(shù)為2,結(jié)構(gòu)如圖3a所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果如圖3b可知,由圖3b可知,此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)了所要逼近的非線(xiàn)性函數(shù)的功能。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法

通過(guò)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)勝劣汰的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化篩選運(yùn)算。本文取群體大小為30、交叉率Pc為0.4、變異率Pm為0.2。經(jīng)過(guò)多代進(jìn)化,得到優(yōu)化結(jié)果m=3、t=4.4 mm、T=64 mm,此時(shí),F=8 125 N、σ=0.28 MPa,采用有限元軟件對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算,計(jì)算結(jié)果為F=7 712 N、σ=0.32 MPa,相對(duì)誤差分別為5.1%、14.0%。進(jìn)化迭代曲線(xiàn)如圖3c所示。

2.3 性能對(duì)比

優(yōu)化前后密封條各參數(shù)對(duì)比如圖4所示。原密封條最大應(yīng)力為5.83 MPa,等壓縮量時(shí)的壓縮力為22 240 N。

圖4 優(yōu)化前后密封條各參數(shù)對(duì)比

由圖4可知,優(yōu)化后密封條最大內(nèi)應(yīng)力為3.53 MPa,相比優(yōu)化前降低39.4%,等壓縮量時(shí)的壓縮力為7 712 N,相比優(yōu)化前降低65.3%,且接觸長(zhǎng)度增加18.6 mm,密封壓力0.18 MPa。

3 裝車(chē)實(shí)驗(yàn)

3.1 壓力驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性和有效性,對(duì)密封條實(shí)際裝車(chē)關(guān)門(mén)后的密封壓力進(jìn)行測(cè)量,采用型號(hào)為L(zhǎng)LW與LW的富士壓敏紙進(jìn)行測(cè)試。將密封條劃分為18段區(qū)域采集。壓敏紙安裝及測(cè)量結(jié)果示意圖如圖5所示。

圖5 壓敏試紙安裝及測(cè)量結(jié)果示意圖

通過(guò)色卡對(duì)比,密封條水平段的實(shí)測(cè)壓力為0.188 MPa,與上述有限元分析的密封壓力0.180 MPa基本一致,也高于設(shè)計(jì)安全壓力0.105 MPa。

3.2 密封性實(shí)驗(yàn)

研究組首先進(jìn)行了密封條的水密性實(shí)驗(yàn)。對(duì)集裝箱進(jìn)行了注水實(shí)驗(yàn),將水注入集裝箱內(nèi)并達(dá)到集裝箱的2/3高度,此時(shí)實(shí)驗(yàn)裝載質(zhì)量約為23.22 t(正常運(yùn)行裝載質(zhì)量約為18 t),靜置72 h后無(wú)滲漏,且密封條無(wú)明顯的擠壓變形,水密性實(shí)驗(yàn)如圖6a所示。隨后進(jìn)行垃圾裝車(chē)實(shí)驗(yàn),裝載4車(chē)濕垃圾加1車(chē)餐廚垃圾,放置24 h后無(wú)滲濾液出現(xiàn)。優(yōu)化后的密封條裝車(chē)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)較好,裝車(chē)實(shí)驗(yàn)如圖6b所示。

圖6 密封性實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 論

本文針對(duì)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱存在滲漏的情況,對(duì)密封條進(jìn)行了有限元分析,通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法對(duì)密封條的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行優(yōu)化,并進(jìn)行裝車(chē)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,主要結(jié)論如下:

1) 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)密封條的幾何特征和尺寸,能解決集裝箱存在滲漏的情況。

2) 形狀3在壁厚為4.4 mm、高度為64 mm時(shí),壓縮負(fù)荷和應(yīng)力都能達(dá)到目標(biāo)函數(shù)要求。

3) 優(yōu)化后密封條的最大內(nèi)應(yīng)力降低39.4%。

4) 優(yōu)化后密封條等壓縮量的壓縮力降低65.3%。