大型塑料检查井多目标参数优化研究*

师彩云，谭文胜，孟宪凯，纪海宾

(1.徐州生物工程职业技术学院 生物装备学院，江苏 徐州 221006；2.常州信息职业技术学院 常州市大型塑料件智能化制造重点实验室，江苏 常州 213164；3.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；4.徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221000)

0 引言

目前大型塑料检查井是市政管网建设的重要产品[1，2]，在市政工程中得到广泛应用。大型塑料检查井埋于地下，工作环境复杂，导致塑料检查井在交通载荷等不可控因素下出现井盖下沉、井盖周围路面开裂破损及基础塌陷等问题。而稳健设计能够确保产品在可控和不可控因素的双重干扰下具有较好的稳定性。由此，利用稳健设计研究大型塑料检查井的结构，保证大型塑料检查井在不可控因素的干扰下具有较高的刚度、强度，从而减少大型塑料检查井导致的经济损失具有重要的意义。目前，国内外针对大型塑料检查井和稳健设计做了许多技术开发和应用研究工作，如：Tobita Tetsuo等对井筒在土壤下曳力作用下的沉降机理进行研究，提出了一种预测塑料检查井土壤回填沉降的方法，对塑料检查井的安装具有一定的指导意义[3]；Rudy Gargano等探讨了水流冲击力对塑料检查井井筒变形的影响和塑料检查井井口的超临界流体水力特性，提出为了保证水流能够进行自由表面流动，修订塑料检查井井口的通用设计标准的建议[4]；师彩云等通过试验对大型塑料检查井刚强度进行了分析并进行了结构优化[5]；谭文胜等利用软件Moldflow分析了大型检查井的注塑流动性[6]；魏春良在对塑料检查井结构刚强度分析的基础上进行了检查井模具结构的优化设计[7]；黄风立等通过多目标下的稳健设计模型及其算法对注塑工艺进行研究，并在此工艺条件下获得了成型质量较好的塑件制品[8]；娄天祥等通过稳健设计研究了医用盒的翘曲变形和体积收缩率，并获得了其主要影响因素[9]；师彩云等采用双目标稳健设计方法对塑料检查井注塑模进行了稳健设计分析，为检查井注塑模具型腔结构优化设计提供了参考[10]。目前为止，还未有基于稳健设计的大型塑料检查井结构研究。本文采用应力、应变双目标稳健设计方法，进行塑料检查井井座壁厚、主管直径、主管高度、子管直径和子管位置高度的最优参数设计，研究五个尺寸因素的参数优化组合，从而优化大型塑料检查井的结构。

1 建立大型塑料检查井模型

1.1 建立分析模型

大型塑料检查井主要由井座、井盖和井室三部分组成，如图1所示。井座连通各管道，因此井座的设计对大型塑料检查井的稳定性至关重要。根据市政某排水井要求，大型塑料检查井井座尺寸为：主管直径1 200 mm、主管高度1 200 mm、子管位置高度100 mm、子管直径600 mm和壁厚6 mm。采用Pro/E软件建立井座的三维模型，如图2所示，采用ANSYS建立其有限元模型，如图3所示。

图1 检查井 图2 井座的三维模型 图3 井座的有限元模型

1.2 模型试验方案

稳健设计是使可控因素和不可控因素在与设计值发生变差时尽可能消除和减小不确定因素源，并且减小不确定因素对目标品质影响的一种工程方法，其主要通过信噪比和正交试验来评价产品稳定性[11]。在本次试验中，采用正交试验的方法。试验过程中应力和应变数值越小越好，因此采用望小特性；信噪比是指有效信号的大小与噪波信号大小的比值，其作为衡量应力、应变的特性值，则信噪比越大试验效果越好。最终，本试验通过多指标综合加权评分法来确定参数值的最优水平组合。

本次设计以应力(目标1)和应变(目标2)作为品质目标，以对大型塑料检查井井座的受力变形产生影响的5个因素即壁厚(A)、主管直径(B)、主管高度(C)、子管直径(D)和子管位置高度(E)作为研究目标。根据实际生产经验，对每个研究目标选取4个水平。正交试验表如表1所示：

表1 正交试验表(54)

2 试验结果与讨论

2.1 有限元分析

采用Pro/E软件建立井座立体模型，将三维模型以.x_t格式导入ANSYS软件中，井座所选材料为聚乙烯，其材料属性为：弹性模量300 GPa，泊松比0.32，密度938 kg/m3。采用自动网格划分和局部优化的方法建立井座有限元模型；考虑到大型塑料检查井的工作环境可通过重达3吨卡车，故对其施加垂直载荷30 000 N。有限元分析结果如图4、图5所示。

图4 垂直载荷作用下井座的应力云图

图5 垂直载荷作用下井座的应变云图

2.2 正交试验分析结果

利用L16正交表， 运用ANSYS软件模拟分析并在此基础上运用Origin软件进行不同参数水平组合下的信噪比分析，从而确定各因素在不同水平情况下的影响程度以获得优选方案。正交试验结果如表2所示。

表2 正交试验结果

2.3 分析和讨论

在各目标参数的优化过程中，根据均值分析进行最优试验组合的预测。应力(目标1)的各因素在4个水平下的均值见表3,应变(目标2)的各因素在5个水平下的均值见表4。

表3 应力均值表(54)

表4 应变均值表(54)

由表3分析可知：各因素对应力影响顺序为：D>E>A>B>C，当井座尺寸参数为A1B2C2D2E3时信噪比最大，此时应力值最小。根据表3对模拟结果进行变量分析，得出各参数对应力的影响程度排序为：D(24.21%)>E(23.46%)>A(20.84%)>B(18.45%)>C(13.04%)。

由表4分析可知：各尺寸参数对应变影响顺序为：D>C>E>B>A，当井座尺寸参数为A3B3C4D2E3时信噪比最大，此时应变值最小。根据表4对模拟结果进行变量分析，得出各因素对应变的影响程度排序为：D(25.78%)>C(24.02%)>E(19.56%)>B(19.46%)>A(11.18%)。

2.4 多目标优化

综合加权评分法是基于评价指标的评分,然后根据影响因素的重要程度加权相加,最后求得总分。本试验通过综合加权评分法来确定参数值的最优水平组合。

2.4.1 评价矩阵模型的建立

本试验选择评价矩阵X为54试验矩阵，为消除量纲和统一各目标趋势，将评价矩阵X处理为标准化矩阵Y：

X=Xij=Y=Yij.

(1)

其中：Xij为在i个指标下第j组试验数据；Yij为标准化矩阵。本次试验的应力、应变信噪比越大越好，因此综合加权评分值越大越好。

标准化评价矩阵为：

Zij=100×(yij-yjmin)/(yjmax-yjmin).

(2)

其中：yij为矩阵中第i行第j列的数值;yjmax、yjmin分别为矩阵中第j列的最大值和最小值；i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

2.4.2 权重值的确定

本文权重值的确定采用组合赋权法，根据实践经验，应力和应变的主观权重分别取值为α1=0.4，α2=0.6，综合权重公式为：

wj=μαj+(1-μ)βj0<μ<1.

(3)

其中：wj为综合权重；μ为偏好系数，取0.4；αj为主观权重；βj为客观权重。

利用熵值法确定客观权重：

(4)

(5)

其中：Pij为第j项指标下第i个方案占该指标的权重;n为Pij矩阵的行数。

经计算β1=5.505，β2=0.495。从而得出：w1=0.463，w2=0.537。由此计算综合加权评分值：

(6)

其中：wj为第j项指标的综合权重。

评价矩阵计算结果如表5所示。

表5 综合加权评分结果

由表5计算结果可知：第3组试验的分值最高，其尺寸参数组合为 A1B3C3D3E3。因此，检查井井座尺寸参数最优组合为：壁厚为5 mm、主管直径为1 000 mm、主管高度为1 200 mm、子管直径为700 mm、子管位置高度为300 mm。

3 结论

本文运用有限元软件分析结合双目标稳健设计方法和综合加权评分法，研究了影响大型塑料检查井刚强度的五个可控因素对井座应力和应变的影响，研究结果表明：

(1) 大型塑料检查井子管直径对应力的影响较大，主管高度对应变的影响较大，因此子管直径和主管高度均对大型塑料检查井的变形影响较大。

(2) 本文研究的大型塑料检查井井座尺寸参数最优组合为：A1B3C3D3E3。

(3) 各尺寸因素对大型塑料检查井应力、应变的影响有待进一步试验研究验证。