基于现代试验设计的风洞天平校准方法

风洞天平的校准精度直接决定了风洞试验的气动载荷测量精度,为了提升天平校准的质量和效率,以BCS-100天平校准系统为研究对象,基于现代试验设计方法(modern design of experiments,MDOE)开展了风洞天平校准研究。针对单因子变量法(one factor at a time,OFAT)天平校准中存在系统误差与响应量耦合的问题,采用MDOE的随机、重复和分块策略控制校准的系统误差,并选定响应面理论的中心复合设计方法生成校准矩阵。校准矩阵共计86个样本点,包括64个分级因子点、12个轴向因子点和10个中心因子点,其中所有样本点的加载顺序做随机化处理,并作为一个样本块在短时间内集中完成加载,中心因子点则用于满足重复原则。最后开展了OFAT和MDOE的对比校准,拟合载荷的残差正态概率分布显示MDOE校准中横侧向分量的样本点独立性更强,样本点残差最高可降低84%;检验载荷显示MDOE和OFAT两种方法中天平所有分量的综合加载重复性持平,MDOE校准中横侧向分量的综合加载误差最高可降低54%。研究表明MDOE能够有效降低校准的系统误差,提升横侧向小量的预测能力。

中心复合试验设计-响应曲面法优选前列安胶囊水提取工艺

目的优选前列安胶囊的最佳水提取工艺。方法通过中心复合试验设计响应曲面法,对醇提后的处方药材进行水提取,以迷迭香酸和盐酸小檗碱提取含量为响应值,优选最佳水提取工艺条件,由此确定前列安胶囊的最佳水提取工艺条件。结果前列安胶囊的最佳水提取工艺条件为:加水量为12倍,提取时间为2h。结论此提取方法科学合理,稳定可行。

基于微遗传算法的多目标中心复合设计试验条件优化分析

在生物医药领域中存在着大量的多目标优化问题,如药物制备工艺成分配比、药物有效成分最优提取条件确定等问题,然而,想要从众多复杂、多变的影响因素中寻找到一组最优解集方案,既要满足药物有效率最优,同时也要满足药物不良反应率最低,就需要采用合理的试验设计及优化模型,获得试验评价指标的最优条件。

中心复合设计最优条件选取时四种方法的比较

目的比较三种传统优化方法和遗传算法基于中心复合设计的单目标优化时的特点。方法利用提高木聚糖酶产量的结果,分别用直接法、等高线法、最速上升法、遗传算法寻找最优结果,比较后得出结论。结果直接法、最速上升法、等高线法、遗传算法寻优的木聚糖酶含量分别为27.77UA/ml、23.93UA/ml、47.07UA/ml、51.04UA/ml。结论直接法可在其设计水平上较快找出结果,但不能保证局部或是全局达最优;在星点设计基础上的单目标寻优时等高线法的结果和遗传算法相当,等高线法可观察到部分因素对响应的影响大小,但存在局部最优和主观性较强的不足;最速上升法易陷入局部最优而忽略其他可能最优解。

基于响应面中心复合设计的固体推进剂摩擦感度理论

为了确定固体推进剂生产过程中的各因素对摩擦感度的影响,采用响应面法(RSM)与中心复合试验设计(CCD)相结合,以摆锤角度、滑柱压力、试样温度为影响因素,以固体推进剂摩擦感度值为响应值设计试验,采用摩擦感度测试仪进行试验,并分析试验结果拟合了响应面模型。结果表明,在三个响应面评价精度指标中,相对均方根误差为0.14、决定系数R^2为0.9309、校正拟合度Radj^2为0.8686,说明方程拟合精度高且误差小;由模型方差分析得方差比值F为14.96,表明模型对响应面的影响程度较高;概率值p为0.0001,表明模型有0.01%的概率对响应面无影响;响应曲面图表明了各因素之间的相互作用;优化模型得到最小摩擦感度值所对应的三因素范围为角度小于45°,压力小于2MPa,温度小于45℃。

基于多项式响应面MDOE的低速风洞试验方法研究

现有的基于各类统计模型的现代试验设计(MDOE)方法存在计算量大、建模较复杂导致整体风洞试验效率下降的不足。针对这一问题,本文提出一种将多项式响应面模型与现代试验设计相结合的优化设计方法。采用中心复合设计在自变量区间中划分试验点并进行风洞试验获取气动力,利用最小二乘法确定多项式待定系数,构建响应面模型,并进行方差分析及显著性检验,最后选取了5个传统单变量(OFAT)方法试验点检验响应面模型的拟合精度。结果表明,与传统单变量风洞试验方法相比,本文提出的基于多项式响应面MDOE的低速风洞试验方法具有建模容易、计算量较小、预测校准的优点,可使试验样本点减少50%左右,能够有效提升风洞试验效率。

用于确定性计算仿真的响应面法及其试验设计研究

确定性计算仿真在科学研究和工程技术中的应用非常广泛。为精确有效地计算系统多个响应特征对不同自变量的响应,基于试验设计的响应面法就是一个行之有效的方法。该方法能够求解较大规模的优化设计、结构可靠性分析、模型修正和模型确认等问题,并可以全面掌握系统响应特征的变化。本文围绕如何获得高阶高精度的响应面问题进行了研究,把几种现代试验设计方法做了改进和发展,成功应用于确定性计算仿真,使用多个典型算例与全因子试验设计进行了比较,得到了满意的结果,算例的设计变量达16个,响应面模型的阶次达15阶。

碳纤维承力筒一体化结构设计及试验验证

为了减小卫星结构质量并保持良好的力学传递性能,文章在不改变原中心承力筒构型和外部接口的情况下,对碳纤维T800H树脂基复合材料的桁条加筋承力筒进行了锥柱一体化的结构设计,包括:采用可行方向法优化了承力筒的尺寸,确定了蒙皮单层铺层厚度和铺层方式,对端框进行了一体化的设计,以及各部件采用胶接的方式。优化后的承力筒结构质量减小约52.4%。对该承力筒在整星状态下进行相应的力学分析,完成了承力筒静力试验和整星的振动试验,结果表明,该承力筒的结构性能满足使用要求。

基于质量源于设计理念和信息熵赋值法优化陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺

目的应用质量源于设计理念,建立陈皮配方颗粒喷雾干燥工艺的设计空间并进行验证。方法将浸膏粉的得粉率及芸香柚皮苷、橙皮苷、川陈皮素和橘皮素含量作为关键质量属性,通过信息熵赋值法确定各质量指标的权重系数,并计算综合评分。采用Plackett-Burman试验设计对进风温度、雾化压力、药液温度、进料速度和药液相对密度进行筛选,运用中心点复合设计试验对筛选出的关键工艺参数进行优化,建立工艺设计空间,并选取6个试验点检验模型的预测能力。结果Plackett-Burman试验设计确定了药液相对密度和进料速度为关键工艺参数;中心点复合设计试验方差分析结果显示构建的模型可较好描述关键质量属性和关键工艺参数之间的关系(P<0.01);构建的关键工艺参数优化设计空间为药液相对密度1.04~1.05,进料速度18%~32%。结论在工艺参数设计空间内生产能够保证陈皮配方颗粒品质稳定,利于提高批次间质量均一性,为产业化提供数据支持。

响应曲面法优化紧固件扭矩系数试验研究

在单因子试验的基础上,采用响应曲面法(RSM)对紧固件扭矩系数测试条件进行优化,以扭矩系数为响应值,选取对扭矩系数测试过程有显著影响的变量(试验温度、拧紧速率、防滑垫圈摩擦因数)作为考察因素,采用central composite design(CCD)中心设计方案以3因素3水平设计试验,得到最优的扭矩系数测试条件,并获得拟合度高的二阶多项式模型。结果表明:扭矩系数的最佳测试条件是试验温度为24℃、拧紧速率为1 r/min、防滑垫圈摩擦因数为0.1;在最佳检测条件下,紧固件扭矩系数的实测值为0.109,紧固件扭矩系数参考值为0.109。使用该模型进行测试条件优化效果较好。

基于响应面法的升降机滚筒线支架轻量化设计

为了降低重量,减少成本,提高市场竞争力,基于响应面法对某型具有弯曲导轨的连续式升降机进料滚筒线支架进行了轻量化设计。采用中心复合试验设计方法进行样本点的采集,利用有限元数值模拟技术获取样本点的响应值。根据所得数据,构建了支架质量和最大等效应力的二阶多项式响应面模型,并进行了精度检验,验证了所构建响应面模型的精确性。以支架质量为目标,强度为约束,基于所构建的响应面模型,建立了支架轻量化设计数学模型,采用序列二次规划算法进行求解,并对优化结果进行了仿真验证。结果表明,优化后的支架强度满足要求,质量减少了11.7kg,减重率达42.5%,轻量化效果显著。

板蓝根配方颗粒喷雾干燥工艺优化研究

目的基于质量源于设计(QbD)理念,优化板蓝根配方颗粒喷雾干燥工艺。方法结合信息熵赋值法,以喷干粉得粉率及尿苷、腺苷、鸟苷和(R,S)-告依春含量作为关键质量属性(CQAs),利用Plackett-Burman试验设计对进风温度、雾化压力、药液温度、进液速度和药液相对密度进行考察,筛选出关键工艺参数(CPPs),再运用中心点复合设计(Center Point Composite design,CCD)试验对筛出的CPPs进行优化,在二次多项式回归模型的基础上建立板蓝根配方颗粒喷雾干燥工艺设计空间,并加以验证。结果Plackett-Burman试验结果显示,药液相对密度和进液速度为该研究的关键工艺参数。CCD试验方差分析结果显示构建的模型具有显著性差异(P<0.01),失拟项不显著(P>0.05),表明模型预测能力良好。构建的CPPs优化设计空间为药液相对密度1.05-1.08,进液速度30%-40%。结论基于QbD理念建立的板蓝根配方颗粒喷雾干燥工艺设计空间,可提高其工艺的稳定性,有利于保障产品质量的一致性。

基于响应面法的轴向混合励磁双凸极航空发电机优化设计

混合励磁双凸极电机具有结构简单、功率密度高的特点,适用于航空电源系统。本文首先简要介绍了一种新型轴向混合励磁双凸极电机的结构特点,搭建电机有限元模型,确定电机初始设计参数,并根据磁链最大原则,通过田口正交优化方法,筛选出关键结构尺寸参数;然后采用中心复合设计试验,在设计空间内建立响应面模型;最后利用自适应遗传算法基于响应面模型进行全局最优点求解。有限元分析结果表明,优化后的电机磁链及反电势均有所提高,表明该优化方法的正确性。

聚唾液酸修饰的白藜芦醇亚微乳的制备与优化

目的制备白藜芦醇亚微乳制剂并采用星点设计效应面法对处方进行优化,获得最优处方。方法以中链甘油三酸酯(MCT)为油相,聚唾液酸-十八胺(PSA-C18)为乳化剂,大豆卵磷脂(SPC-98A)为助乳化剂,采用超声法制备白藜芦醇亚微乳。并采用星点设计效应面法,以离心稳定常数(Ke)与药物总含量(Con)为考察指标作响应面,通过粒径、Zeta电位和透射电子显微镜的测定,筛选出最佳处方和制备工艺。结果制备的白藜芦醇亚微乳制剂离心稳定常数相对较小,药物总含量相对较高,且制备的白藜芦醇乳剂具有较高稳定性。确定最优处方为:1%白藜芦醇、5%MCT、0.5%PSA-C18、0.1%SPC-98A。白藜芦醇亚微乳的平均粒径为(93.7±3.5)nm,多分散指数(PDI)为0.295,Zeta电位为(-36.7±2.7)mV。

温度和盐度对吉富品系尼罗罗非鱼受精率和孵化率的联合影响

采用中心复合设计和响应曲面方法研究了温度（T,℃）和盐度（S）对吉富品系尼罗罗非鱼人工受精率（FR,%）和孵化率（HR,%）的综合影响。设定的温度范围为20~34℃,盐度范围为0~18。建立了温度、盐度与受精和孵化之间关系的定量模型,并通过分析明确了温度与盐度的最优组合。结果表明,吉富罗非鱼在温度与盐度较高或较低范围内受精率与孵化率都处于较低水平。温度和盐度的一次与二次效应对受精与孵化均有极显著的影响（P〈0.01）。温度与盐度二者间协同效应不显著（P〉0.05）。建立了吉富罗非鱼受精率与孵化率的多项式方程,复相关系数分别达到了0.957 8和0.960 1（P〈0.01）,可以用于预测吉富罗非鱼的受精率和孵化率。利用统计优化技术明确,在温度27.14℃,盐度8.95时,罗非鱼最佳的受精率为80.81%,孵化率为77.63%。本研究旨在考察温度与盐度同时变化对吉富罗非鱼受精率与孵化率的影响,探讨最佳温度-盐度组合以增加吉富罗非鱼苗种产量。

玉米秸秆纤维缓冲包装材料制备条件优化

针对制备玉米秸秆缓冲包装材料的11个工艺参数,以材料的强度为响应目标,采用Plackett-Burman(PB)与Central Composite Design(CCD)相结合的方法进行筛选优化。PB实验设计与分析表明:纤维粒度、纤维目数与胶粘剂含量为制备工艺的3个关键因素。经过CCD设计及响应面法优化分析得到的制备玉米秸秆纤维缓冲包装材料的最优条件为:纤维粒度224.62目,纤维体积分数22.78%,胶粘剂质量分数35%,材料强度可达1.758 MPa。

响应面法优化电Fenton深度处理煤化工废水

为得到电Fenton技术深度处理煤化工废水的最优条件参数,采用电Fenton技术深度处理生物稳定的煤化工废水,利用正交试验、响应面法和中心复合试验设计对影响电Fenton处理效果的主要因素进行优化,建立二次模型,并进行试验结果预测.结果表明:各因素对处理效果影响程度的顺序为p H>电流密度>Fe2+浓度.根据方差分析,二次模型具有很高的显著性,能够很好地预测试验结果.影响处理效果的3个主要因素的最优值分别为p H 4.13、Fe2+浓度1.56 mmol/L、电流密度14.74 m A/cm2,此时TOC去除率达61.58%.电Fenton可以作为煤化工废水深度处理的一种有效技术.

基于响应面方法圆柱形喷嘴结构优化研究

喷嘴是高压水射流的核心工作部件,其几何结构特征直接影响射流质量及工作效率。利用CFD方法对当前广泛应用的圆柱形喷嘴内流场进行研究,以最大出口速度作为目标变量,采用响应面方法优化喷嘴结构。研究结果表明:圆柱形喷嘴轴心速度与压力呈现近似对偶特性。喷嘴出口直径、喷嘴出口圆柱段长度及喷嘴收缩角对喷嘴出口速度有显著影响,喷嘴入口圆柱段长度及入口直径对出口速度影响较小。其中,喷嘴出口圆柱段长度与出口速度近似呈线性关系,而出口直径及喷嘴收缩角与出口速度呈抛物线关系。影响喷嘴压降的因素为喷嘴入口及出口直径,而其他因素如喷嘴出口圆柱段长度、入口圆柱段长度及收缩角对压降的影响则可以忽略。

顶空固相微萃取/气相色谱-三重四极杆串联质谱法测定地表水与饮用水中的挥发性有机物

采用部分因子试验设计筛选出顶空固相微萃取的主要影响参数,利用中心复合设计对主要影响参数的取值进行了优化,建立了顶空固相微萃取(HS-SPME)结合气相色谱-三重四极杆串联质谱(GC-MS/MS)测定地表水和饮用水中55种挥发性有机物(VOCs)的分析方法。取5.0 mL样品于顶空瓶中,加入0.75g NaCl,使用CAR/PDMS 75μm纤维头,萃取温度40℃,萃取时间40 min,解析温度300℃,在GC-MS/MS选择反应监测(SRM)模式下检测,内标法定量。结果表明,55种VOCs在0.04~0.40、0.4~4.0、4.0~100μg/L质量浓度范围内线性良好,相关系数(r^2)均大于0.99,方法的检出限为0.03~80 ng/L,定量下限为0.1~300 ng/L。55种VOCs在0.2、2.0、40μg/L 3个加标水平下的平均回收率为77.3%~124%,相对标准偏差(RSD,n=6)为1.3%~17%。对3种地表水和3种饮用水进行测定,地表水中有37种VOCs被检出,饮用水中有25种VOCs被检出。实验证明,建立的HS-SPME和GC-MS/MS相结合的检测方法具有准确可靠、简单快速、灵敏度高等优点,适用于地表水和饮用水中VOCs的同时测定。

汽车侧门外板成形的工艺优化策略

针对汽车侧门外板在拉延生产中出现的厚度减薄过大、切边后回弹较大的缺陷,采取统计学及试验设计相关理论,结合有限元模拟技术,以产品最大变薄率和回弹量为优化目标。采用正交试验及其极差法筛选出重要的影响参数:对压边力和拉深筋高度,以中心复合设计法(CCD)建立优化目标和关键参数的二次回归模型;以线性加权和法构建双目标的综合评价响应曲面函数,得到了压边力和拉深筋高度的最优解。经数值模拟及生产实践验证,产品区域最大变薄率减小了13.61%,回弹量减少了1.83°,产品的强度和精度得到了提高。