水肥一體化蠕動(dòng)泵泵管簾線層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要： 針對(duì)水肥一體化配肥注肥設(shè)備蠕動(dòng)泵存在泵管疲勞損耗問(wèn)題，采用數(shù)值正交的方法對(duì)蠕動(dòng)泵簾線結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取簾線角度、簾線層間距與簾線層至內(nèi)徑距離為影響因素，選用三因素四水平設(shè)計(jì)泵管擠壓性能正交試驗(yàn)表，根據(jù)正交表選取16組作為試驗(yàn)組，采用Abaqus/Explicit仿真軟件對(duì)各試驗(yàn)組進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行極差分析，獲得簾線角度、簾線層間距與簾線層至內(nèi)徑距離各因素對(duì)應(yīng)力、反力、剪切應(yīng)變與應(yīng)變能的影響規(guī)律及影響程度.通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度多目標(biāo)優(yōu)化，得到各影響因素對(duì)泵管擠壓性能的影響程度由大到小依次為簾線角度、簾線層至內(nèi)徑距離、簾線層間距，隨后對(duì)優(yōu)化前后簾線布置結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，優(yōu)化后泵管的應(yīng)力減小了4.99%，反力減小了10.66%，剪切應(yīng)變減小了19.19%，應(yīng)變能減小了19.9%，降低了泵管受壓縮時(shí)的應(yīng)力、反力、剪切應(yīng)變以及應(yīng)變能，減少了泵管損耗.研究結(jié)果可為蠕動(dòng)泵泵管設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考.

關(guān)鍵詞： 水肥一體化；蠕動(dòng)泵；數(shù)值仿真；多目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： S277.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674-8530（2025）04-0333-08

DOI：10.3969/j.issn.1674-8530.23.0157

劉俊萍，溫興斌，劉青松，等. 水肥一體化蠕動(dòng)泵泵管簾線層結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2025，43（4）：333-340.

LIU Junping， WEN Xingbin， LIU Qingsong，et al. Optimization of cord layer structure of pump tube of water-fertilizer integrated peristaltic pump［J］. Journal of drainage and irrigation machinery engineering（JDIME）， 2025， 43（4）： 333-340.（in Chinese）

Optimization of cord layer structure of pump tube of

water-fertilizer integrated peristaltic pump

LIU Junping*， WEN Xingbin， LIU Qingsong， ZHU Xingye

（National Research Center of Pumps， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China）

Abstract： Aiming to address the problem of fatigue loss of pump tube in the peristaltic pump of water-fertilizer integrated fertilizer injection equipment， the cord structure of the peristaltic pump was optimized by numerical orthogonal method. The cord angle， cord spacing， and the distance from the cord to the inner diameter were selected as the influencing factors. The three-factor four-level design of the orthogonal test table for the extrusion performance of the pump tube was used in this study. According to the orthogonal table， 16 groups were selected as the experimental groups. Abaqus/Explicit simulation software was used to calculate and analyze the experimental groups， and the simulation results were analyzed by range analysis. The influence law and influence degree of cord angle， cord spa-cing， and cord to inner diameter distance on stress， reaction force， shear strain， and strain energy were obtained. The multi-objective optimization of the grey correlation degree of the simulation shows that the degree of influence of various influencing factors on the extrusion performance of pump tubes， in descending order， is as follows： cord angle， cord to inner diameter distance， and cord layer spacing. The structure and performance of the cord arrangement before and after optimization were compared. The results show that the stress of the pump pipe is reduced by 4.99%， the reaction force is reduced by 10.66%， the shear strain is reduced by 19.19%， and the strain energy is reduced by 19.9%. The stress， reaction force， shear strain and strain energy of the pump pipe are reduced， and the loss of the pump pipe is reduced. The research results can provide some reference for the design and optimization of peristaltic pump tube.

Key words： integration of water and fertilizer;peristaltic pump;numerical simulation;multi-objective optimization

近年來(lái)，中國(guó)推廣水肥一體化技術(shù)用以提高水肥利用率，而施肥裝置是水肥一體化中的關(guān)鍵裝備，其性能直接影響著灌溉與施肥的質(zhì)量［1］.傳統(tǒng)的施肥裝置包括：壓差式施肥罐、文丘里施肥器、注入式施肥泵與智能水肥一體機(jī)等［2-4］.文丘里施肥器與壓差式施肥罐造價(jià)便宜、使用方便，但存在施肥效率低、混肥不均及精度有待提高等問(wèn)題［5-6］.智能水肥一體機(jī)與注入式施肥泵雖施肥精準(zhǔn)、施肥濃度可調(diào)，但智能水肥一體機(jī)操作難度較大、維護(hù)不便且費(fèi)用高［7］，注入式施肥泵多通過(guò)換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)施肥，對(duì)機(jī)械密封性、制造精度、穩(wěn)定性及耐久性要求較高［8］.

蠕動(dòng)泵具有過(guò)流部件無(wú)腐蝕、可控性高等優(yōu)點(diǎn)［9］.黃語(yǔ)燕等［10］設(shè)計(jì)了一種水肥一體化施肥系統(tǒng)，利用蠕動(dòng)泵泵送肥料，按設(shè)定比例將肥與水混合實(shí)現(xiàn)水肥一體化.齊鈺等［11］通過(guò)浸泡試驗(yàn)，獲得了化學(xué)試劑與泵管相容性的關(guān)系，并分別提出了適用不同化學(xué)試劑的泵管.劉俊萍等［12］設(shè)計(jì)了基于蠕動(dòng)泵的水肥一體化裝置，通過(guò)試驗(yàn)獲得輥?zhàn)觽€(gè)數(shù)對(duì)蠕動(dòng)泵回流情況的影響，最終采用四輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)蠕動(dòng)泵作為裝置動(dòng)力源.FERRARI等［13］采用多通道的蠕動(dòng)泵為各個(gè)有機(jī)廢物衍生堆肥容器提供穩(wěn)定的氣流.MCINTYRE等［14］提出了一種模擬蠕動(dòng)泵的壓力脈動(dòng)模型，此模型可適用于不同滑靴個(gè)數(shù)的蠕動(dòng)泵.VYACHESLAV等［15］研發(fā)了一種高精度蠕動(dòng)泵控制系統(tǒng)，可通過(guò)跨平臺(tái)控制該系統(tǒng).基于蠕動(dòng)泵研發(fā)的水肥一體化裝置主要應(yīng)用于要求高精度、高穩(wěn)定性的灌溉系統(tǒng)中［16］.但蠕動(dòng)泵中的泵管在長(zhǎng)期擠壓的過(guò)程中容易發(fā)生疲勞損耗，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致蠕動(dòng)泵無(wú)法正常工作.通過(guò)上述分析，目前研究主要集中于蠕動(dòng)泵應(yīng)用與控制方面，而蠕動(dòng)泵作為施肥裝置所存在的泵管疲勞問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決.對(duì)蠕動(dòng)泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究較少.簾線層結(jié)構(gòu)在蠕動(dòng)泵中起著關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)傳遞泵頭產(chǎn)生的與泵管擠壓相關(guān)的壓力，對(duì)于提高泵管的耐久性，減少磨損，保持泵管的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)泵管的使用壽命有著關(guān)鍵作用.針對(duì)以上問(wèn)題，文中采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)蠕動(dòng)泵的泵管簾線布置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低蠕動(dòng)泵泵管的疲勞損失，進(jìn)而提高蠕動(dòng)泵在水肥一體化裝置中的適用性，對(duì)中國(guó)水肥一體化技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用.

1 水肥一體化裝置與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

1.1 水肥一體化裝置工作原理

水肥一體化裝置以蠕動(dòng)泵為動(dòng)力源，利用其正反轉(zhuǎn)的工作特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)配肥注肥多功能一體化.圖1所示為基于蠕動(dòng)泵的水肥一體化裝置示意圖.其工作原理：通過(guò)控制柜開(kāi)通電磁閥，控制蠕動(dòng)泵正轉(zhuǎn)將肥液泵送到混肥桶，打開(kāi)攪拌機(jī)混合均勻，最后控制蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)將混肥桶的混合肥液經(jīng)過(guò)注肥管路泵送到主管路中.

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

蠕動(dòng)泵主要由泵體、軟管、滑靴這3部分構(gòu)成，滑靴在泵體帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)反復(fù)擠壓和釋放泵管，這種擠壓作用使泵管內(nèi)產(chǎn)生真空，將被輸送的流體吸入泵管，泵管內(nèi)的流體在滑靴釋放作用下排出，完成流體的輸送.泵管作為與流體唯一接觸的部件，反復(fù)受到滑靴的擠壓與摩擦，是極易損傷的部件，而泵管損傷會(huì)對(duì)蠕動(dòng)泵性能產(chǎn)生很大的影響，因此泵管的好壞對(duì)蠕動(dòng)泵的效果起到關(guān)鍵作用.

泵管由作為基體的橡膠與作為增強(qiáng)相的簾線組成［17-18］.其中，簾線既可以承受來(lái)自橡膠產(chǎn)品內(nèi)部與外部的作用力，還可以限制橡膠變形量，具有較好的屈撓性能與較高的耐磨性能.圖2為泵管橡膠-簾線復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖.

對(duì)于泵管來(lái)說(shuō)，主要受到滑靴的壓應(yīng)力與剪切力、泵管與滑靴之間的摩擦力、泵管與泵殼之間的摩擦力、泵殼對(duì)泵管的壓應(yīng)力、泵管內(nèi)壁以及管內(nèi)流體與泵管的摩擦力.泵管受壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力示意圖如圖3所示，圖中τ為剪切力，σ為滑靴和泵殼對(duì)泵管的壓應(yīng)力［17］.

2 泵管壓縮仿真模型的建立

2.1 泵管材料參數(shù)提取

蠕動(dòng)泵泵管中橡膠材料的泊松比達(dá)到0.48，具有較強(qiáng)的非線性［19］.對(duì)于橡膠材料，一般采用Yeoh模型和Mooney-Rivlin模型來(lái)描述橡膠的彈性變形.根據(jù)泵管形變狀態(tài)，文中選取Yeoh模型，其應(yīng)變能函數(shù)二階展開(kāi)式為［19］

W=C10（I1-3）+C20（I2-3）2+1D1（J-1）2，（1）

式中：W為應(yīng)變能密度；C10和C20為材料常數(shù)，由試驗(yàn)測(cè)量得到；I1和I2分別為1階與2階的應(yīng)變不變量；D1為材料常數(shù)，與壓縮性相關(guān)；J為體積比.

為保證仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)橡膠材料進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)獲取參數(shù).試驗(yàn)方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變能的測(cè)定》［20］，對(duì)橡膠材料取樣，型號(hào)為1A型，長(zhǎng)度為20 mm.橡膠材料拉伸測(cè)試在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)儀上進(jìn)行，樣品示意圖如圖4所示.

通過(guò)試驗(yàn)得到拉力數(shù)據(jù)及伸長(zhǎng)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，獲得拉伸應(yīng)力σb與伸長(zhǎng)率ε，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Abaqus/Explicit中經(jīng)過(guò)擬合后得到的Yeoh參數(shù)：C10=0.445 0 MPa，C20=0.020 5 MPa.

2.2 有限元模型的設(shè)置

2.2.1 建立仿真三維模型

采用SolidWorks軟件對(duì)蠕動(dòng)泵進(jìn)行三維建模，主要尺寸包括滑靴半徑為30 mm，泵管內(nèi)徑為20 mm，泵管外徑為36 mm.再導(dǎo)入到Abaqus/Explicit軟件中，對(duì)滑靴與泵殼進(jìn)行抽殼處理，將它們?cè)O(shè)置為離散剛體，抽殼后模型如圖6所示.

2.2.2 復(fù)合材料處理與網(wǎng)格劃分

在Abaqus/Explicit中，采用加強(qiáng)筋的方法定義簾線層［21］.將泵管模型進(jìn)行分割，在簾線層所在的位置建立曲面集，并在曲面集上定義簾線層間距、簾線材料、簾線截面積、簾線方向等參數(shù).將簾線曲面集與泵管模型劃分網(wǎng)格.泵管橡膠材料網(wǎng)格單元選擇C3D8H（四面體八結(jié)點(diǎn)線性，減縮單元），滑靴和泵殼網(wǎng)格單元選擇為R3D4（六面體八結(jié)點(diǎn)線性，減縮單元），將簾線曲面集的網(wǎng)格類(lèi)型設(shè)置為“膜單元”. 簾線參數(shù)表中簾線層間距B=3 mm，截面積S=0.785 mm2，楊氏模量E=2 745 MPa，法向夾角V=52°.

2.2.3 邊界條件約束與相互作用

泵管兩端與泵殼設(shè)置為固定副，滑靴設(shè)置為移動(dòng)副.在泵殼與泵管的接觸屬性中定義泵殼為主面，泵管為從面；泵管與滑靴的接觸屬性中定義滑靴為主面，泵管為從面；在仿真過(guò)程中，泵管內(nèi)壁逐漸接觸，定義泵管內(nèi)壁為自接觸.接觸面摩擦采用庫(kù)倫模型，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1.

2.2.4 算法設(shè)置

Abaqus中的Explicit求解器適用于非線性問(wèn)題，而泵管變形具有較高的接觸非線性，因此，該模型采用的是Abaqus/Explicit求解器，即顯式動(dòng)力學(xué).

2.2.5 沙漏問(wèn)題的控制

橡膠劃分網(wǎng)格時(shí)使用的四面體縮減積分單元存在著“沙漏問(wèn)題”［22］.為了解決仿真過(guò)程中的“沙漏問(wèn)題”，Abaqus添加了“沙漏剛度”對(duì)其進(jìn)行抑制，這導(dǎo)致了“偽應(yīng)變能”的增加.一般“偽應(yīng)變能”的占比不超過(guò)5.0%時(shí)視為仿真結(jié)果可信.通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整分析，最終模型的“偽應(yīng)變能”的占比小于5.0%，如圖7所示，圖中P為“偽應(yīng)變能”在不同階段占比，t為仿真時(shí)間.

2.2.6 形變量對(duì)比

用泵管受滑靴擠壓形變量作為對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的形變量y與泵管真實(shí)形變量x是否一致.試驗(yàn)采用墨跡試驗(yàn)，即取一張白紙，粘貼在平板夾具上，泵管均勻涂抹墨汁，并置于夾具之間，進(jìn)行壓縮，壓縮后將印有墨跡的白紙對(duì)折，泵管墨跡垂直的中部位留下1條折痕，測(cè)量折痕穿過(guò)的墨跡的寬度.形變量驗(yàn)證如表1所示，表中K為壓縮量，x為3組測(cè)試形變量平均值，y為仿真值，E為誤差.由表1可知，仿真所得形變量與試驗(yàn)所得形變量的最大誤差為7.94%，說(shuō)明模型精確度較高.

3 數(shù)值正交仿真優(yōu)化

3.1 數(shù)值正交仿真方案

為了探究簾線角度、簾線層間距與簾線層至內(nèi)徑距離對(duì)泵管擠壓性能影響的主次順序，確定擠壓性能最優(yōu)的泵管簾線布置結(jié)構(gòu).選用L16（43）三因素四水平設(shè)計(jì)泵管擠壓性能正交試驗(yàn)表，A代表簾線角度（°），B代表簾線層間距（mm），C代表簾線層至內(nèi)徑距離（mm），其中簾線角度較優(yōu)參數(shù)范圍在40°～ 46°，簾線層間距較優(yōu)參數(shù)范圍在2.35～2.50 mm，簾線層至內(nèi)徑距離較優(yōu)參數(shù)范圍在2.75～2.90 mm，水平取值在較優(yōu)參數(shù)范圍內(nèi)均勻選取.正交試驗(yàn)各因素水平見(jiàn)表2.

3.2 數(shù)值正交仿真結(jié)果

基于表2的正交試驗(yàn)表，對(duì)泵管進(jìn)行擠壓仿真模擬工作，選用應(yīng)力σ、剪切應(yīng)變Y、反力F與應(yīng)變能U作為性能指標(biāo).匯總正交結(jié)果如表3所示.

表3所示共16組泵管擠壓仿真結(jié)果，其中第9組方案的應(yīng)力最大，為1.387 MPa，第10組值最小，為1.201 MPa;第6組的反力最大，為1 176 N，第15組反力最小，為1 091 N;第5組的剪切應(yīng)變最大，為0.179，第16組剪切應(yīng)變最小，為0.142;第2組的應(yīng)變能最大，為5 250 mJ，第13組應(yīng)變能最小，為5 060 mJ.

3.3 極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)所得結(jié)果依據(jù)極差分析法計(jì)算公式進(jìn)行極差分析，獲得不同因素對(duì)泵管擠壓性能的影響規(guī)律.

極差分析法計(jì)算公式如式（2）—（4）所示

Kij=∑ni=1xi，（2）

kij=Kijn，（3）

Rj=kmax-kmin，（4）

式中：Kij為第j因素第i水平時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)之和；kij為第j因素第i水平時(shí)數(shù)據(jù)的平均值；xi為每個(gè)因素的第i個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果；n為水平數(shù)量；Rj為第j因素的極差；kmax為每個(gè)因素求得的最大k值；kmin為每個(gè)因素求得的最小k值.

為了能更加直觀地顯示各因素水平分別對(duì)應(yīng)力、反力、剪切應(yīng)變與應(yīng)變能影響的主次順序，分別繪制因素與應(yīng)力、反力、剪切應(yīng)變與應(yīng)變能的關(guān)系圖，如下圖8—11所示.

應(yīng)力反映泵管受力情況，應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致泵管的彈性恢復(fù)力逐漸下降，使泵管截面由圓形變?yōu)闄E圓形，最終導(dǎo)致蠕動(dòng)泵失效.由圖8可知，應(yīng)力隨簾線角度的增加先增大后減小，應(yīng)力隨簾線層間距的增大先減小后增大.由圖可得，簾線角度變化幅度最大，而簾線層間距的變化幅度最小.對(duì)于應(yīng)力的簾線布置結(jié)構(gòu)最優(yōu)組合為A1B2C4，即簾線角度為40°，簾線層間距為2.40 mm，簾線層至內(nèi)徑距離為2.90 mm.

過(guò)大的反力會(huì)對(duì)泵管造成較大的摩擦力，對(duì)泵管造成較大的磨損，并使滑靴受到過(guò)大的作用力，容易導(dǎo)致蠕動(dòng)泵失效.由圖9能夠看出，簾線角度與反力呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨著簾線層的增大，反力先增大后減小再增大，隨著簾線層距內(nèi)徑距離的增大，反力先減小后增大再減小.對(duì)于反力的簾線布置結(jié)構(gòu)最優(yōu)組合為A4B1C2，即簾線角度為46°，簾線層間距為2.35 mm，簾線層至內(nèi)徑距離為2.80 mm.

在剪切應(yīng)變的作用下，兩側(cè)管壁逐漸發(fā)生疲勞失效，使泵管回彈性能下降，最終導(dǎo)致蠕動(dòng)泵失效.由圖10可得，簾線層間距與剪切應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，簾線角度與簾線至內(nèi)徑距離先增大后減少.從圖中可以得出，簾線層間距變化幅度最大，簾線層距內(nèi)徑距離變化幅度最小.對(duì)于剪切應(yīng)變的簾線布置結(jié)構(gòu)最優(yōu)組合為A4B4C4，即簾線角度為46°，簾線層間距為2.50 mm，簾線層至內(nèi)徑距離為2.90 mm.

應(yīng)變能反映的是泵管變形，應(yīng)變能越大，表明泵管變形越大，泵管過(guò)大的變形會(huì)導(dǎo)致泵管回彈性能下降，對(duì)泵管造成損傷.由圖11能夠看出，應(yīng)變能與簾線角度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，隨簾線層間距的增大呈先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，隨簾線層至內(nèi)徑距離的增加呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì).對(duì)于應(yīng)變能的簾線布置結(jié)構(gòu)最優(yōu)組合為A4B3C4，即簾線角度為46°，簾線層間距為2.45 mm，簾線層至內(nèi)徑距離為2.90 mm.

3.4 灰色關(guān)聯(lián)分析多目標(biāo)優(yōu)化

采用多目標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度方法，將4個(gè)指標(biāo)綜合成單一目標(biāo)，進(jìn)行單一目標(biāo)尋優(yōu)，獲得泵管最優(yōu)簾線布置結(jié)構(gòu).灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法［23-24］：

1） 設(shè)定分析序列

灰色關(guān)聯(lián)分析之前需要確定原始數(shù)列與比較序列.以16組仿真組別為原始數(shù)列，以16組仿真結(jié)果為比較序列.

2） 計(jì)算求差序

求差數(shù)列公式如下，即

Δoi=xi（k）-αi，k=1，2，3，…，n，（5）

αi=min{x0（k）}，（6）

式中：Δoi為求差數(shù)列；αi為比較序列中最小值；xi（k）為原始序列；x0（k）為比較序列；n為試驗(yàn)次數(shù).

3）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)程度采用灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)表示，即

ξ［xi（k），x0（k）］=miniminkΔoi+pmaximaxkΔoiΔoi+pmaximaxkΔoi，（7）

式中：ξ［xi（k），x0（k）］為原始序列與比較序列的關(guān)聯(lián)系數(shù)； p為分辨系數(shù)，文中取0.5.

4） 計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

原始數(shù)列與比較系數(shù)的關(guān)聯(lián)程度可用關(guān)聯(lián)度表示，即

γ（xi，x0）=1n∑nk=1λKξ［xi（k），x0（k）］，（8）

式中：γ（xi，x0）為原始序列與關(guān)聯(lián)序列的關(guān)聯(lián)度;λK為權(quán)重，文中取0.5.

按照以上關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算，得到各試驗(yàn)組的關(guān)聯(lián)度，如表4所示.通過(guò)對(duì)表4的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行極差分析，獲得不同因素的平均關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表5.

由表4可知，通過(guò)關(guān)聯(lián)度極差分析，獲得的最優(yōu)參數(shù)組合為A4B3C4，即簾線角度為46°，簾線層間距為2.45 mm，簾線層至內(nèi)徑距離為2.90 mm.因素對(duì)泵管擠壓性能的影響程度由大到小依次為簾線角度、簾線層至內(nèi)徑距離、簾線層間距.

3.5 優(yōu)化前后對(duì)比

對(duì)通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算的最優(yōu)簾線布置組合進(jìn)行仿真，獲得優(yōu)化后泵管擠壓性能，仿真方法與2.2節(jié)中設(shè)置相同.優(yōu)化前后簾線布置結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)表6，仿真結(jié)果見(jiàn)表7.

由表7中數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化前泵管的應(yīng)力為1.342 MPa，優(yōu)化后的應(yīng)力為1.275 MPa.與優(yōu)化前的泵管相比，優(yōu)化后泵管的應(yīng)力減小了4.99%；優(yōu)化前泵管的剪切應(yīng)變?yōu)?.172，優(yōu)化后的剪切應(yīng)變?yōu)?.139.與優(yōu)化前的泵管相比，優(yōu)化后泵管的剪切應(yīng)變減小了19.19%；優(yōu)化前泵管的反力為1 154 N，優(yōu)化后的反力為1 031 N，與優(yōu)化前的泵管相比，優(yōu)化后泵管的反力減小了10.66%；優(yōu)化前泵管的應(yīng)變能為5 607 mJ，優(yōu)化后泵管的應(yīng)變能為4 490 mJ，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后泵管的應(yīng)變能減小了19.9%.

4 結(jié) 論

1） 對(duì)泵管材料進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)獲得模型參數(shù)，采用Abaqus/Explicit建立泵管擠壓仿真模型，通過(guò)墨跡試驗(yàn)得到形變量的最大誤差較小，表明泵管擠壓仿真模型精確度較高.

2） 選取應(yīng)力、反力、剪切應(yīng)變與應(yīng)變能作為性能指標(biāo)，通過(guò)極差分析法獲得簾線角度、簾線層間距與簾線層至內(nèi)徑距離對(duì)泵管性能的影響規(guī)律及影響程度.

3） 通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度多目標(biāo)優(yōu)化獲得簾線角度、簾線層間距與簾線層至內(nèi)徑距離最優(yōu)參數(shù)組合，即簾線角度為46°，簾線層間距為2.45mm，簾線層至內(nèi)徑距離為2.90 mm.與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后泵管的應(yīng)力減小了4.99%，反力減小了10.66%，剪切應(yīng)變減少了19.19%，應(yīng)變能減小了19.9%.

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（責(zé)任編輯 盛杰）

收稿日期： 2023-08-11； 修回日期： 2023-10-31； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間： 2025-04-01

網(wǎng)絡(luò)出版地址： https：//link.cnki.net/urlid/32.1814.TH.20250401.1048.004

基金項(xiàng)目： 江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 （BE2021341）；江蘇大學(xué)農(nóng)裝學(xué)部項(xiàng)目（NZXB20210101）

第一作者簡(jiǎn)介： 劉俊萍（1982—），女，遼寧海城人，教授，博士生導(dǎo)師（通信作者，liujp@ujs.edu.cn），主要從事流體機(jī)械及排灌機(jī)械研究.

第二作者簡(jiǎn)介： 溫興斌（1997—），男，山西大同人，碩士研究生（jsdxwenxingbin@163.com），主要從事流體機(jī)械及排灌機(jī)械研究.