師彩云，譚文勝，孟憲凱，紀(jì)海賓

(1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 生物裝備學(xué)院，江蘇 徐州 221006；2.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州市大型塑料件智能化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164；3.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；4.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引言

目前大型塑料檢查井是市政管網(wǎng)建設(shè)的重要產(chǎn)品[1，2]，在市政工程中得到廣泛應(yīng)用。大型塑料檢查井埋于地下，工作環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致塑料檢查井在交通載荷等不可控因素下出現(xiàn)井蓋下沉、井蓋周圍路面開(kāi)裂破損及基礎(chǔ)塌陷等問(wèn)題。而穩(wěn)健設(shè)計(jì)能夠確保產(chǎn)品在可控和不可控因素的雙重干擾下具有較好的穩(wěn)定性。由此，利用穩(wěn)健設(shè)計(jì)研究大型塑料檢查井的結(jié)構(gòu)，保證大型塑料檢查井在不可控因素的干擾下具有較高的剛度、強(qiáng)度，從而減少大型塑料檢查井導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失具有重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)大型塑料檢查井和穩(wěn)健設(shè)計(jì)做了許多技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用研究工作，如：Tobita Tetsuo等對(duì)井筒在土壤下曳力作用下的沉降機(jī)理進(jìn)行研究，提出了一種預(yù)測(cè)塑料檢查井土壤回填沉降的方法，對(duì)塑料檢查井的安裝具有一定的指導(dǎo)意義[3]；Rudy Gargano等探討了水流沖擊力對(duì)塑料檢查井井筒變形的影響和塑料檢查井井口的超臨界流體水力特性，提出為了保證水流能夠進(jìn)行自由表面流動(dòng)，修訂塑料檢查井井口的通用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的建議[4]；師彩云等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)大型塑料檢查井剛強(qiáng)度進(jìn)行了分析并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化[5]；譚文勝等利用軟件Moldflow分析了大型檢查井的注塑流動(dòng)性[6]；魏春良在對(duì)塑料檢查井結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了檢查井模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]；黃風(fēng)立等通過(guò)多目標(biāo)下的穩(wěn)健設(shè)計(jì)模型及其算法對(duì)注塑工藝進(jìn)行研究，并在此工藝條件下獲得了成型質(zhì)量較好的塑件制品[8]；婁天祥等通過(guò)穩(wěn)健設(shè)計(jì)研究了醫(yī)用盒的翹曲變形和體積收縮率，并獲得了其主要影響因素[9]；師彩云等采用雙目標(biāo)穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法對(duì)塑料檢查井注塑模進(jìn)行了穩(wěn)健設(shè)計(jì)分析，為檢查井注塑模具型腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考[10]。目前為止，還未有基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)的大型塑料檢查井結(jié)構(gòu)研究。本文采用應(yīng)力、應(yīng)變雙目標(biāo)穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行塑料檢查井井座壁厚、主管直徑、主管高度、子管直徑和子管位置高度的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)，研究五個(gè)尺寸因素的參數(shù)優(yōu)化組合，從而優(yōu)化大型塑料檢查井的結(jié)構(gòu)。

1 建立大型塑料檢查井模型

1.1 建立分析模型

大型塑料檢查井主要由井座、井蓋和井室三部分組成，如圖1所示。井座連通各管道，因此井座的設(shè)計(jì)對(duì)大型塑料檢查井的穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)市政某排水井要求，大型塑料檢查井井座尺寸為：主管直徑1 200 mm、主管高度1 200 mm、子管位置高度100 mm、子管直徑600 mm和壁厚6 mm。采用Pro/E軟件建立井座的三維模型，如圖2所示，采用ANSYS建立其有限元模型，如圖3所示。

圖1 檢查井 圖2 井座的三維模型 圖3 井座的有限元模型

1.2 模型試驗(yàn)方案

穩(wěn)健設(shè)計(jì)是使可控因素和不可控因素在與設(shè)計(jì)值發(fā)生變差時(shí)盡可能消除和減小不確定因素源，并且減小不確定因素對(duì)目標(biāo)品質(zhì)影響的一種工程方法，其主要通過(guò)信噪比和正交試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品穩(wěn)定性[11]。在本次試驗(yàn)中，采用正交試驗(yàn)的方法。試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值越小越好，因此采用望小特性；信噪比是指有效信號(hào)的大小與噪波信號(hào)大小的比值，其作為衡量應(yīng)力、應(yīng)變的特性值，則信噪比越大試驗(yàn)效果越好。最終，本試驗(yàn)通過(guò)多指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分法來(lái)確定參數(shù)值的最優(yōu)水平組合。

本次設(shè)計(jì)以應(yīng)力(目標(biāo)1)和應(yīng)變(目標(biāo)2)作為品質(zhì)目標(biāo)，以對(duì)大型塑料檢查井井座的受力變形產(chǎn)生影響的5個(gè)因素即壁厚(A)、主管直徑(B)、主管高度(C)、子管直徑(D)和子管位置高度(E)作為研究目標(biāo)。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)每個(gè)研究目標(biāo)選取4個(gè)水平。正交試驗(yàn)表如表1所示：

表1 正交試驗(yàn)表(54)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 有限元分析

采用Pro/E軟件建立井座立體模型，將三維模型以.x_t格式導(dǎo)入ANSYS軟件中，井座所選材料為聚乙烯，其材料屬性為：彈性模量300 GPa，泊松比0.32，密度938 kg/m3。采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分和局部?jī)?yōu)化的方法建立井座有限元模型；考慮到大型塑料檢查井的工作環(huán)境可通過(guò)重達(dá)3噸卡車，故對(duì)其施加垂直載荷30 000 N。有限元分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 垂直載荷作用下井座的應(yīng)力云圖

圖5 垂直載荷作用下井座的應(yīng)變?cè)茍D

2.2 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

利用L16正交表， 運(yùn)用ANSYS軟件模擬分析并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行不同參數(shù)水平組合下的信噪比分析，從而確定各因素在不同水平情況下的影響程度以獲得優(yōu)選方案。正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 分析和討論

在各目標(biāo)參數(shù)的優(yōu)化過(guò)程中，根據(jù)均值分析進(jìn)行最優(yōu)試驗(yàn)組合的預(yù)測(cè)。應(yīng)力(目標(biāo)1)的各因素在4個(gè)水平下的均值見(jiàn)表3,應(yīng)變(目標(biāo)2)的各因素在5個(gè)水平下的均值見(jiàn)表4。

表3 應(yīng)力均值表(54)

表4 應(yīng)變均值表(54)

由表3分析可知：各因素對(duì)應(yīng)力影響順序?yàn)椋篋>E>A>B>C，當(dāng)井座尺寸參數(shù)為A1B2C2D2E3時(shí)信噪比最大，此時(shí)應(yīng)力值最小。根據(jù)表3對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行變量分析，得出各參數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響程度排序?yàn)椋篋(24.21%)>E(23.46%)>A(20.84%)>B(18.45%)>C(13.04%)。

由表4分析可知：各尺寸參數(shù)對(duì)應(yīng)變影響順序?yàn)椋篋>C>E>B>A，當(dāng)井座尺寸參數(shù)為A3B3C4D2E3時(shí)信噪比最大，此時(shí)應(yīng)變值最小。根據(jù)表4對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行變量分析，得出各因素對(duì)應(yīng)變的影響程度排序?yàn)椋篋(25.78%)>C(24.02%)>E(19.56%)>B(19.46%)>A(11.18%)。

2.4 多目標(biāo)優(yōu)化

綜合加權(quán)評(píng)分法是基于評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分,然后根據(jù)影響因素的重要程度加權(quán)相加,最后求得總分。本試驗(yàn)通過(guò)綜合加權(quán)評(píng)分法來(lái)確定參數(shù)值的最優(yōu)水平組合。

2.4.1 評(píng)價(jià)矩陣模型的建立

本試驗(yàn)選擇評(píng)價(jià)矩陣X為54試驗(yàn)矩陣，為消除量綱和統(tǒng)一各目標(biāo)趨勢(shì)，將評(píng)價(jià)矩陣X處理為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y：

X=Xij=Y=Yij.

(1)

其中：Xij為在i個(gè)指標(biāo)下第j組試驗(yàn)數(shù)據(jù)；Yij為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣。本次試驗(yàn)的應(yīng)力、應(yīng)變信噪比越大越好，因此綜合加權(quán)評(píng)分值越大越好。

標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)矩陣為：

Zij=100×(yij-yjmin)/(yjmax-yjmin).

(2)

其中：yij為矩陣中第i行第j列的數(shù)值;yjmax、yjmin分別為矩陣中第j列的最大值和最小值；i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。

2.4.2 權(quán)重值的確定

本文權(quán)重值的確定采用組合賦權(quán)法，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)力和應(yīng)變的主觀權(quán)重分別取值為α1=0.4，α2=0.6，綜合權(quán)重公式為：

wj=μαj+(1-μ)βj0<μ<1.

(3)

其中：wj為綜合權(quán)重；μ為偏好系數(shù)，取0.4；αj為主觀權(quán)重；βj為客觀權(quán)重。

利用熵值法確定客觀權(quán)重：

(4)

(5)

其中：Pij為第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)方案占該指標(biāo)的權(quán)重;n為Pij矩陣的行數(shù)。

經(jīng)計(jì)算β1=5.505，β2=0.495。從而得出：w1=0.463，w2=0.537。由此計(jì)算綜合加權(quán)評(píng)分值：

(6)

其中：wj為第j項(xiàng)指標(biāo)的綜合權(quán)重。

評(píng)價(jià)矩陣計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 綜合加權(quán)評(píng)分結(jié)果

由表5計(jì)算結(jié)果可知：第3組試驗(yàn)的分值最高，其尺寸參數(shù)組合為 A1B3C3D3E3。因此，檢查井井座尺寸參數(shù)最優(yōu)組合為：壁厚為5 mm、主管直徑為1 000 mm、主管高度為1 200 mm、子管直徑為700 mm、子管位置高度為300 mm。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用有限元軟件分析結(jié)合雙目標(biāo)穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法和綜合加權(quán)評(píng)分法，研究了影響大型塑料檢查井剛強(qiáng)度的五個(gè)可控因素對(duì)井座應(yīng)力和應(yīng)變的影響，研究結(jié)果表明：

(1) 大型塑料檢查井子管直徑對(duì)應(yīng)力的影響較大，主管高度對(duì)應(yīng)變的影響較大，因此子管直徑和主管高度均對(duì)大型塑料檢查井的變形影響較大。

(2) 本文研究的大型塑料檢查井井座尺寸參數(shù)最優(yōu)組合為：A1B3C3D3E3。

(3) 各尺寸因素對(duì)大型塑料檢查井應(yīng)力、應(yīng)變的影響有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究驗(yàn)證。