橡胶配方优化设计课程论文--现代橡胶配方优化设计

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目录现代橡胶配方优化设计11现代橡胶配方优化设计概念11.1试验设计11.2数学模型21.3目的22.橡胶配方的原则和程序22.1配方原则22.2配方程序32.3配方组成及表示方法43.橡胶CAD技术63.1简介63.2橡胶配方优化设计软件63.3橡胶配方优化设计软件试验方法73.3.1正交试验法73.3.2回归设计83.3.3均匀设计83.4橡胶配方优化设计软件的功能特点93.4.1数据库管理93.4.2试验设计和建模103.4.3数据处理103.4.4性能预测和配方优选103.4.5强大的报表处理能力103.4.6与通用软件的接口103.4.7数据的备份和恢复103.4.8用户管理114.回归试验设计数据分析115.结语12参考文献：147 现代橡胶配方优化设计1现代橡胶配方优化设计概念所谓橡胶配方设计,是根据产品的性能要求和工艺条件,通过试验、优化、鉴定、合理地选用原材料,确定各种原材料的用量配比关系。过去橡胶配方设计主要依赖于人们在生产当中积累的经验规律，通过大量而繁复的试验来优化配方，造成大量人力、物力的浪费。随着合成橡胶的出现，硫化、老化、补强、共混等高分子理论的发展，特别是在计算机辅助设计和仪器测试方面开展了大量的工作，使橡胶配合技术有了很大的提高。借助CAD技术,配方人员可以根据橡胶制品设计需求，自动安排试验方案，处理数据以确定一系列变量对橡胶各项性能的定性或定量的影响，进而预测和优选配方,缩短新产品开发周期,更好地满足不断变化的市场需求。对于这样一个复杂的多目标的配方体系，配方的设计理论和试验设计方法就显得尤为重要。试验设计可分为单因素变量的试验设计和多因素变量的试验设计，根据目标优化选择分为单目标最优化问题和多目标最优化问题。橡胶的配方设计理论，必须具备的两个基本条件：一、能揭示客观存在的橡胶配方设计的一般性规律；二、能指导橡胶胶料配方设计实践。目前，配方设计的基本理论是相关性原理。根据相关性原理，橡胶胶料配方设计的途径为：首先，利用硫化胶的性能与性能之间的相关关系，寻找并确定与制品使用性能相关的胶料性能；其次，根据配方组分与硫化胶与混炼胶的性能之间的相关关系，寻找并确定与所需胶料物理机械性能与工艺性能相关的胶料配合组分；最后完成配方试验。生胶原材料和配合剂的种类繁多,若按其功能、品种、等级、牌号等分类则可达数万种以上。橡胶配方设计的重点是如何保持制品的使用性能及加工性能的平衡,包括试验设计、数学建模、配方优化及质量成本控制等内容。1.1试验设计试验设计是配方设计的基础，是在试验域内最有效地选择试验点,通过试验得到响应的观测值,然后进行数据分析求得达到最优响应值的试验条件。运用试验设计方法的目的是对试验因素作合理的、有效的安排，最大限度地减少试验误差，使之达到高效、快速、经济的目的。理想的试验设计方案应当是7 以尽可能少的试验次数反映尽可能多的信息，试验点在试验空间中的分布要合理，既有一定的均匀性，又便于试验结果的分析与模型的建立。橡胶配方优化研究中最早使用的实验方法是单因子实验，后来是正交设计、正交回归设计。它们在优化设计中的地位与作用是毋庸置疑的[1]。近年来，又出现了许多新型的实验设计方法，如均匀设计法、信噪比实验设计、物理实验设计、数学实验设计等新型的实验设计方法[2]。试验设计可分为单因素变量的试验设计和多因素变量的试验设计，根据目标优化选择分为单目标最优化问题和多目标最优化问题。1.2数学模型应用计算机及专用辅助设计软件系统进行配方设计和分析是一门把数理统计的分析方法橡胶物理化学理论和橡胶工艺学技术结合在一起的复合学科，它不仅要求熟练掌握系统的橡胶物理化学理论基础，而且还要求掌握牢固的数理统计知识及计算机的操作与应用。而计算机的广泛应用以及软、硬件技术的飞速发展，为橡胶配方优化设计提供了强有力的工具。面向信息时代，橡胶工业应该建立新的橡胶配方优化设计概念，充分利用计算机辅助设计技术，最终实现配方设计的信息化、智能化与网络化。实践证明,在一定范围内,制品性能与配方因子之间的关系可用完全二次多项式来表示,这有力地推动了对配方过程的数学研究与模拟。1.3目的寻求制品性能、工艺可行性和经济效益的综合平衡是目的。由于用于配方优化的数学模型是从生产数据中得到的统计模型,应选用适当的优化算(如逐步回归、神经网络、遗传算法等),方可获得整个试验范围内的最优配方。此外,最优配方应具有稳定性,即实际生产中配方用量在偏离最佳用量后性能值不会有很大变化。2.橡胶配方的原则和程序2.1配方原则橡胶配方设计的原则[3]可以概括如下：（1）保证硫化胶具有指定的技术性能，使产品优质；（2）在胶料和产品制造过程中加工工艺性能良好，使产品达到高产；（3）成本低，价格便宜；（4）所用的生胶、聚合物和各种原材料容易得到；（5）劳动生产率高，在加工制造过程中能耗少；（6）符合环境保护及卫生要求。任何一个橡胶配方都不可能在所有性能指标上达到全优。在许多情况下，配方设计应遵循如下基本原则：7 一、在不降低质量的情况下，降低胶料的成本；二、在不提高胶料成本的情况下，提高产品质量。要使橡胶制品的性能、成本和工艺可行性三方面取得最佳的综合平衡而用最少物质消耗、最短时间、最小工作量，通过科学的配方设计方法，掌握原材料配合的内在规律，设计出实用配方。2.2配方程序（1）基础配方基础配方又称标准配方，一般是以生胶和配合剂的鉴定为目的。当某种橡胶和配合剂首次面世时，以此检验其基本的加工性能和物理性能。其设计的原则是采用传统的配合量，以便对比；配方应尽可能地简化，重现性较好。基础配方仅包括最基本的组分，由这些基本的组分组成的胶料，既可反映出胶料的基本工艺性能，又可反映硫化胶的基本物理性能。可以说，这些基本组分是缺一不可的。在基础配方的基础上，再逐步完善、优化，以获得具有某些特性要求的性能配方。不同部门的基础配方往往不同，但同一胶种的基础配方基本上大同小异。如下表1、表2中天然橡胶和三元乙丙胶的ASTM基本配方[3]。表1.天然橡胶的基础配方（ASTM）单位质量份表2.三元乙丙胶的基础配方（ASTM）单位质量份在设计基础配方时，ASTM7 规定的标准配方和合成橡胶厂提出的基础配方是很有参考价值的。基础配方最好是根据本单位的具体情况进行拟定，以本单位积累的经验数据为基础。还应该注意分析同类产品和类似产品现行生产中所用配方的优缺点，同时也要考虑到新产品生产过程中和配方改进中新技术的应用。（2）性能配方又称技术配方。为达到某种性能要求而进行的配方设计，其目的是为了满足产品的性能要求和工艺要求，提高某种特性等。性能配方应在基础配方的基础上全面考虑各种性能的搭配，以满足制品使用条件的要求为准。通常研制产品时所作的试验配方就是性能配方，是配方设计者用得最多的一种配方。（3）实用配方又称生产配方。在试验室条件下研制的配方，其试验结果并不是最终的结果，往往在投入生产时会产生一些工艺上的困难，如焦烧时间短、压出性能不好、压延黏辊等，这就需要在不改变基本性能的条件下，进一步调整配方。实用配方即是在前两种配方（基本配方、性能配方）试验的基础上，结合实际生产条件所作的实用投产配方。实用配方要全面考虑使用性能、工艺性能、体积成本、设备条件等因素，最后选出的实用配方应能够满足工业化生产条件，使产品的性能、成本、长期连续工业化生产工艺达到最佳的平衡。图1介绍了制定普通实用配方的过程[4]。图1、配方制定过程2.3配方组成及表示方法橡胶配方简单地说，就是一份表示生胶、聚合物和各种配合剂用量的配比表。但生产配方则包含更详细的内容，其中包括：胶料的名称及代号、胶料的用途、生胶及各种配合剂的用量、含胶率、相对密度、成本、胶料的工艺性能和硫化胶的物理性能等。同一个橡胶配方，根据不同的需要可以用47 种不同的形式来表示，见表3所示。表3.橡胶配方的表示形式（1）基本配方以质量份来表示的配方，即以生胶的质量为100份，其他配合剂用量都以相应的质量份数表示。这种配方称为基本配方，常用于实验室中。（2）质量分数配方以质量分数来表示的配方，即以胶料总质量为100%，生胶及各种配合剂都以质量分数来表示。这种配方可以直接从基本配方导出。（3）体积分数配方以体积分数来表示的配方，即以胶料的总体积为100%，生胶及各种配合剂都以体积分数来表示。这种配方也可从基本配方导出，其算法是将基本配方中生胶及各种配合剂的质量分数分别除以各自的相对密度，求出它们的体积分数，然后以胶料的总体积分数为100%，分别求出它们的体积分数。体积分数配方计算示例见表4。表4.体积分数配方计算示例（4）生产配方符合生产使用要求的质量配方，称为生产配方。生产配方的总质量常等于炼胶机的容量，例如使用开炼机混炼时，炼胶的容量Q用下列经验公式[3]计算：7 Q=DLγK式中去Q———炼胶机装胶量，kg；D———辊筒直径，cm；L———辊筒长度，cm；γ———胶料相对密度；K———系数（0.0065~0.0085）。Q除以基本配方总质量即得换算系数：a=Q/(基本配方总质量)用换算系数a乘以基本配方中各组分的质量份，即可得到生产配方中各组分的实际用量。7