课程设计----现代橡胶配方优化设计

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1、 1 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

2、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

3、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

4、。理想的试验设计方案应当是以尽可能少 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 2 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

5、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

6、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： 3 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