Оптимизация и прогнозирование трибологического поведения композитов из наполненного политетрафторэтилена с использованием моделей Тагучи Денга и гибридных регрессионных моделей опорного вектора

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 10393 (2022) Цитировать эту статью

970 Доступов

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании представлена ​​оптимизация и прогнозирование трибологического поведения композитов с наполнителем из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с использованием гибридных моделей Тагучи и регрессии опорного вектора (SVR). Для достижения оптимизации был задействован Тагучи Денг, учитывающий множество реакций и параметров процесса, имеющих отношение к трибологическому поведению. Коэффициент трения (μ) и удельную скорость износа (Ks) измеряли с помощью трибометра «штифт-диск». В этом исследовании параметрами процесса были нагрузка, размер зерна, расстояние и скорость. Для экспериментальной схемы Тагучи была применена ортогональная решетка L27. Набор оптимальных параметров был получен с использованием подхода Дэна для множественных ответов µ и KS. Дисперсионный анализ проводился для изучения влияния отдельных параметров на множественные ответы. Для прогнозирования µ и Ks SVR сочетался с новой оптимизацией Харриса Хокса (HHO) и оптимизацией роя частиц (PSO), образуя модели SVR-HHO и SVR-PSO соответственно. Для оценки точности прогнозирования моделей использовались четыре метрики оценки модели. Результаты проверки показали улучшение при оптимальных условиях испытаний. Гибридные модели SVR показали более высокую точность прогнозирования, чем одиночная модель SVR. Более того, SVR-HHO превзошла модель SVR-PSO. Было обнаружено, что модели Тагучи Денга, SVR-PSO и SVR-HHO привели к оптимизации и прогнозированию с низкой стоимостью и превосходной точностью.

Композиты с наполненной полимерной матрицей (ПМК), содержащие наполнители, продолжают привлекать значительное внимание ученых и промышленности из-за их измененных механических и трибологических свойств по сравнению с первичными полимерами1. Композиты на основе полимеров показали улучшенную трибологическую стойкость2. Из различных видов полимеров широко используется политетрафторэтилен (ПТФЭ), наполненный углеродными или бронзовыми волокнами, благодаря их высоким механическим и низким трибологическим свойствам3. Было отмечено, что эти композиты подходят для отраслей, где трибологические характеристики механических деталей, включая тормоза и сцепления, имеют важное значение4,5,6,7. Общепринято, что трибологическая стойкость материалов может быть улучшена путем добавления большего количества наполнителя до определенного предела8,9 к чистым полимерам. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) был одной из наиболее часто используемых термопластичных матриц для условий износа из-за его низкого коэффициента трения, простоты обработки, химической инертности, низкой плотности и низкой стоимости10,11.

Износ — одна из наиболее часто встречающихся проблем в промышленности, вызывающая частую замену деталей, особенно абразивный износ. Экспериментально изучен абразивный износ различных полимеров и наполненных полимеров. Скорость абразивного изнашивания различных матриц была изучена12, и было обнаружено, что разные полимеры демонстрируют разную скорость изнашивания. Проанализировано включение стекла и углеродной ткани в винил/эфир. Комбинация армированного винила/эфира показала более низкую скорость износа, чем композит винила/эфира, армированный стеклом и/или углеродной тканью13. Как сообщает14, приложенная нагрузка считается наиболее значимым параметром процесса; снижение скорости износа наблюдалось, когда эксплуатационные характеристики СВМПЭ были усилены наполнителями. По данным 15 видно, что потеря массы и µ увеличиваются с увеличением скорости и уменьшением размера зерен для эпоксидных композитов с наполнителем бетеля.

Для изучения множественных реакций, связанных с трибологическим поведением композитов, в литературе было предложено несколько методов принятия решений, включая разработку данных, аналитическую иерархию, а также серый реляционный анализ (GRA)16. Среди этих моделей широко используемой методологией является GRA, предложенная Дэном в 1989 году, особенно когда характер информации не является точным и полным17. Дхармалингам, Субраманиан и Кок объединили реляционный анализ Грея (GRA) с Тагучи для оптимизации абразивных трибологических свойств алюминиевых гибридных металлокомпозитов. Дисперсионный анализ (ANOVA) показал, что размер зерна является параметром, который оказывает наибольшее влияние на скорость износа, а нагрузка оказывает наибольшее влияние на коэффициент трения18. Силаякумар и др.19 использовали метод Тагучи-GRA для изучения влияния нагрузки, скорости и расстояния на коэффициент трения и скорость износа композита из колонга. ANOVA показал, что скорость существенно влияет на износостойкость непрерывного композита. Саваран и Танигаивелан20 оптимизировали геометрию лунок и параметры лазера с помощью анализа главных компонентов (PCA) в сочетании с GRA. ANOVA показал, что средняя мощность вносила наибольший вклад, а глубина влияла меньше на показатели производительности. Интегрированный метод Тагучи О.А. и GRA был применен для оптимизации параметров литья под давлением нанокомпозитов HDPE-TiO2 Pervez et al.21. В ходе работы установлено, что оптимальными параметрами являются содержание TiO2 5 %, температура ствола 225 °С, время выдержки 30 мин и время выдержки 20 с. Адедиран и др. оптимизированы механические свойства гибридных биокомпозитов, армированных пропиленом, с использованием модели Тагучи. Было обнаружено, что коллаж из 4% PSS и 10% волокна кенафа дает оптимальную комбинацию для гибридных биокомпозитов22. Кроме того, метод Тагучи, гибридизированный с реляционной степенью Грея, также использовался для многофакторной оптимизации электроэрозионной обработки проволокой23, процесса токарной обработки24 и параметров фрезерования25.