基于集對分析的熔噴聚丙烯工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430070

基于集對分析的熔噴聚丙烯工藝參數(shù)優(yōu)化

舒服華

武漢理工大學職業(yè)技術學院，湖北 武漢 430070

提出一種正交試驗與集對分析相結合的熔噴聚丙烯工藝參數(shù)優(yōu)化方法。運用集對分析對正交試驗數(shù)據進行處理，通過權重求和的方法將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題，克服正交試驗法進行多目標優(yōu)化的不足，有效提高優(yōu)化結果的準確性，并通過試驗驗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，集對分析，同一度

熔噴法是一種超細纖維成網法，是非織造成網的重要方法，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[1-2]。熔噴聚丙烯非織造布因纖維互相纏結、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結構及力學性能[3-4]。工藝參數(shù)對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)對提高熔噴聚丙烯非織造布的質量和生產效率都具有重要的現(xiàn)實意義。試驗設計在一定程度上可以降低反復試湊的盲目性，能以較少的試驗次數(shù)得到試驗范圍內較優(yōu)的工藝組合。正交試驗是一種高效、快速、經濟的方法，是工藝優(yōu)化最常用的一種方法，在單或少目標優(yōu)化中具有顯著優(yōu)勢，但在多目標優(yōu)化中由于數(shù)據的處理方法比較簡單而存在明顯缺陷，往往需要進行層層比較和分析，過程復雜且存在一定的主觀因素，可能導致判斷誤差，當因素和水平較多或試驗結果比較接近時，甚至可能難以做出準確判斷；優(yōu)化目標越多，這種缺陷越明顯。集對分析是處理系統(tǒng)確定性與不確定性相互作用的數(shù)學工具，它能深入挖掘事物的內在規(guī)律和聯(lián)系。文中采用正交試驗和集對分析相結合的手段，優(yōu)化熔噴聚丙烯非織造布工藝參數(shù)，克服了正交試驗多目標優(yōu)化的不足，有效提高了優(yōu)化結果的科學性。

1 試驗設計

試驗材料為聚丙烯，熔融指數(shù)8 000。試驗設備為單孔熔噴法試驗機，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(風壓)、通氣量、纖網結構、噴絲板結構和噴絲孔形狀、熱空氣溫度、噴絲孔與成網簾的距離(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個工藝參數(shù)作為優(yōu)化對象。強度、過濾效率和過濾阻

力是衡量濾材優(yōu)劣的3個主要指標，故選取過濾效率(P)、過濾阻力(R)、通氣量(V)、斷裂強力(F)4個熔噴聚丙烯非織造布性能指標為優(yōu)化目標[7-8]。正交試驗設計見表1。

表1 正交試驗設計

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

表2 正交試驗結果

2 集對分析基本知識

集對分析的核心思想是把確定性與不確定性作為一個確定不確定系統(tǒng)。在這個系統(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化。

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

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

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

利用集對分析優(yōu)化熔噴聚丙烯非織造布性能指標的基本思想：確定一個參照方案，即熔噴聚丙烯非織造布性能指標的正理想解和負理想解，將各試驗方案與參照方案進行比較，根據它們的同一度來確定各試驗方案的優(yōu)劣。首先分別求出評價指標(即單優(yōu)化目標)的同一度，進行優(yōu)勢分析，然后通過權重求和確定評價對象(即優(yōu)化對象)的同一度，也就是將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題，從而實現(xiàn)多項性能指標的優(yōu)化，得出最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

3 試驗結果分析

3.1 權重的確定

采用傳統(tǒng)標度法確定權重，計算比較復雜，且需要進行一致性檢驗。文中采用比例標度法確定權重，計算比較簡便，而且不需要進行一致性檢驗。將n個指標按照其重要程度從大到小進行排序，比較相鄰2個指標的重要程度得到標度值ki，然后按照各指標的重要程度的傳遞性得出判斷矩陣(K)：

其中，ki為第i個指標相對于第i+1個指標的標度值。標度值確定法則見表3。

表3 標度值確定法則

矩陣K是完全一致的，且最大特征值對應的特征向量(P)：

P=(p1,p2, …,pn-1,pn)

=(k1k2…kn-1,k2k3…kn-1, …,kn-1, 1)

指標權重(W)：

參照紡織行業(yè)標準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個性能指標的重要程度由大到小的順序為過濾效率、過濾阻力、通氣量、斷裂強力。根據熔噴聚丙烯非織造布性能要求和表3給出的標度值確定法則，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)

指標權重：

W=(0.409， 0.256， 0.183， 0.152)

3.2 集對分析步驟

3.2.1 量綱一化處理

設有A1,A2, …,Am共m個評價對象，每個評價對象有X1,X2, …,Xn共n個評價指標，評價對象Ai對應的評價指標Xj的評價值為rij(i=1, 2, …,m；j=1, 2, …,n)，則rij的一化處理方法：

當rij為效益型數(shù)據時，

sij=rij/rjmax

(1)

當rij為成本型數(shù)據時，

sij=rjmin/rij

(2)

當rij取固定型數(shù)據時，

(3)

在熔噴聚丙烯非織造布的4個性能指標(即評價指標)中，過濾效率、通氣量、斷裂強力為效益型數(shù)據，過濾阻力為成本型數(shù)據，其量綱一化結果見表4。

表4 量綱一化結果

3.2.2 確定正、負理想解

評價對象的正理想解為U={u1,u2, …,un}，負理想解為V={v1,v2, …,vn}，其中：

根據表4的量綱一化結果，熔噴聚丙烯非織造布4個性能指標的正理想解和負理想解：

U={1， 1， 1， 1}

V={0.813， 0.635， 0.686， 0.709}

3.2.3 計算評價指標的同一度

sij在{vj，uj}上接近uj而遠離vj的同一度，可按式(4)計算，結果見表5。

(4)

3.2.4 計算評價對象的同一度

Ai在{V，U}上接近U而遠離V的同一度，可按式(5)計算，結果見表5。

(5)

表5 同一度計算結果

3.3 單目標同一度分析

分別對熔噴聚丙烯非織造布的過濾效率(P)、過濾阻力(R)、通氣量(V)、斷裂強力(F)4個性能指標進行同一度分析。

由表5中各工藝參數(shù)水平對應的同一度求得熔噴聚丙烯非織造布4個性能指標的平均同一度，結果見表6～表9。

表6 針對P的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

表7 針對R的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

表8 針對V的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

表9 針對F的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

根據正交試驗性質，各工藝參數(shù)的不同水平導致性能指標的同一度存在差異，與其他工藝參數(shù)無關，這樣就可以確定每個工藝參數(shù)的不同水平對各項性能指標的影響程度。根據集對分析中同一度的概念，各性能指標的平均同一度最大的值所對應的工藝參數(shù)組合為最優(yōu)。

對于過濾效率(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)。

對于斷裂強力(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 多目標同一度分析

針對熔噴聚丙烯非織造布的過濾效率(P)、過濾阻力(R)、通氣量(V)、斷裂強力(F)進行多目標同一度分析，結果見表10。

表10 針對綜合性能指標的不同工藝參數(shù)水平的平均同一度

由試驗的均衡搭配性質可知，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，只反映該工藝參數(shù)的不同水平對綜合性能指標的影響程度。比較各個水平，平均同一度最高的工藝參數(shù)水平為綜合考量多項性能指標的最優(yōu)工藝參數(shù)水平。從表10可以看出：

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

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

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

(4) 接收距離對綜合性能指標影響的同一度排序：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4項性能指標的綜合性能的影響程度由大到小排序為熱空氣溫度、熔體擠出量、接收距離、空氣壓力。

4 驗證

根據上述集對同一度分析結果，分別對單目標優(yōu)化結果和多目標優(yōu)化結果，即分別對過濾效率優(yōu)化組A1B4C4D1、過濾阻力優(yōu)化組A2B4C1D4、通氣量優(yōu)化組A4B1C2D4、斷裂強力優(yōu)化組A2B4C4D2，以及評價對象同一度最高組(即表5中序號“8”)A2B4C3D4和4項性能指標的綜合優(yōu)化組A2B4C1D2進行驗證試驗，結果見表11。

表11 驗證試驗結果

從表11可見，各單目標優(yōu)化組的驗證試驗結果均優(yōu)于正交試驗結果，優(yōu)化參數(shù)組與集對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%，斷裂強力提高1.70%，充分證明優(yōu)化結果有效性。

5 結語

提出了以正交試驗為基礎，結合集對分析優(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個工藝參數(shù)為優(yōu)化對象，以過濾效率、過濾阻力、通氣量、斷裂強力4個性能指標及其綜合性能指標為優(yōu)化目標，根據優(yōu)化對象與正理想解和負理想解的距離來衡量工藝參數(shù)的優(yōu)劣。首先進行單目標(單一性能指標)優(yōu)化，最后進行多目標(綜合性能指標)優(yōu)化。在多目標優(yōu)化中，通過權重求和的方式將多目標優(yōu)化問題轉化為單目標優(yōu)化問題。權重采用比例標度法確定，解決了傳統(tǒng)標度法過于抽象和求解復雜的問題。此方法有效，并提高了優(yōu)化結果的準確性和可靠性。

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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，從事輕工機械研究工作

文獻標志碼：A 文章編號：1004-7093(2016)12-0012-06