偏最小二乘回歸對刨花板主要性能與影響因子研究

1、偏最小二乘回歸對刨花板主要性能與影響因子研究摘要：本試驗利用樺樹和興安落葉松的混合樹種的木材剩余物作為本試驗的基體材料,酚醛樹脂膠和毛竹片作為增強材料采用三段加壓法制作刨花板。利用DPS數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析研究施膠量、密度等工藝參數(shù)對木質(zhì)復合材料性能的影響，建立多元線性回歸數(shù)學模型，并對試驗方案進行優(yōu)化，確定最佳工藝條件并予以驗證。結(jié)果表明：施膠量8.107%，密度0.870 g/cm3，厚度2.015cm,含水率9.799%,在此條件下整體目標函數(shù)將達到6.908。關鍵詞： 木質(zhì)復合材料；偏最小二乘回歸；物理力學性能；預測Analyse the Correlation between the Mai

2、n Properties and Effects of Particleboard In PLSAbstract：The experience base on the surplus of Xing-an pine and birch to be the material and the phenolicresin(PF) and bamboo be the enhanced material to hot press composite. Using DPS data processing system for Partial Least-Squares Regressive to anal

3、ysis the properties effect of different process parameters and establish mathematical model, so as to optimize the experimental program and ascertain the best conditions, at the same time to verify it. The results show that: when the amount of PF of 8.107%, ensity of 0.870 g/cm3, thickness of 2.015c

4、m, Water ratio of 9.799%,.the overall objective function will reach 6.908 .Key words：Wood-based Composites,partial least squares regression,physical and mechanical propertie,predict21世紀,一個可持續(xù)性發(fā)展的世紀，但是全球木材供給量仍少于需求量，面對這一情況，因此更有必要創(chuàng)生一些高性能、多功能、高附加值的新型材料。木質(zhì)復合材料就是木材工業(yè)的發(fā)展重點，大力開展多功能木質(zhì)復合材料，協(xié)調(diào)好材料、環(huán)境生態(tài)、資源等關系，使木

5、質(zhì)復合材料能夠適應社會發(fā)展需要1-2。我國是林業(yè)大國農(nóng)業(yè)大國，廢棄木材剩余物和農(nóng)作物秸稈是林業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)品之一，每年7億噸的秸稈浪費掉3。本次實驗所采用的是利用木材剩余物制作木質(zhì)復合材料，不僅解決了資源浪費的問題，同時所壓制成的復合材料具有可降解的特點，消除了污染環(huán)境的隱患，因此具有深遠的意義。本次試驗采用偏最小二乘回歸分析方法（partial least squares regression，PLS），它是在20世紀60年代由word提出的，90年代后期引起國內(nèi)外醫(yī)學界認識的興趣，將之用到相關研究中，被許多統(tǒng)計學家稱為“第二代多元統(tǒng)計分析技術”。偏最小二乘回歸分析在建立數(shù)學模型

6、的過程中集主成份分析，典型相關分析和線性回歸分析的特點于一身，因此，在分析結(jié)果的過程中，不僅提供了一個較為合理的回歸模型，同時還可以完成一些類似于主成分分析和典型相關分析的研究內(nèi)容，提供了更豐富，更深入的信息4-5。1 試驗條件1.1 試驗材料本次試驗所采用的是樺樹和興安落葉松的混合樹種的木材剩余物作為本試驗的基體材料,酚醛樹脂膠和毛竹片作為增強材料。1.2 試驗儀器100t 試驗熱壓機(哈爾濱市東大人造板機械制造有限公司)。50t 試驗預壓機（哈爾濱市東大人造板機械制造有限公司）。電熱鼓風干燥箱（天津市泰斯特儀器有限公司）。MWE-4 木材萬能力學試驗機（山東濟南力學試驗機廠）。WP200-

7、1型電子天平(上海第二天平儀器廠)。千分尺，游標卡尺等。1.3試驗方法稱取一定量的木材剩余物，用攪拌機將酚醛樹脂膠噴在木在剩余物上，并攪拌均勻。取出一定質(zhì)量的的已攪拌均勻的木材剩余物進行稱量。在制板模板底部均勻鋪裝15%已稱量的木材剩余物，在其上均勻橫向放置已浸過膠的毛竹片，中間鋪裝全部的混合物料的70%，重復鋪裝毛竹片，最后將剩余的15%混合物料均勻鋪裝在模板上部，具體鋪裝示意圖如圖1所示。將鋪裝好的模板分別進行預壓機和熱壓機，經(jīng)過處理后將制備出預期效果的刨花板。刨花 70%刨花 15%竹片刨花 15%竹片圖1 刨花板鋪裝示意圖本次試驗刨花板的名義厚度為20mm，板的幅面大小為320 mm&

8、#215;340mm,熱壓工藝為三段加壓法。對各類刨花板按GB/T4897-92測定板的靜曲強度、密度和含水率,按德國DIN68763測定板的吸水厚度膨脹率，試驗結(jié)果如表1-1所示。表1-1不同的生產(chǎn)工藝參數(shù)及刨花板成品的主要物理力學性能序號目標密度（g/cm3）施膠量G(%)密度D（g/cm3）厚度S(cm)含水率M(%)吸水厚度膨脹率TS(%)靜曲強度MOR(MPa)x1x2x3x4y1y210.658.00.631.934.928.1840.7320.658.00.721.974.448.9046.6430.659.50.672.018.246.9034.3640.659.50.682.

9、146.367.5040.3550.758.00.781.953.938.8848.5360.758.00.691.946.059.4146.3070.759.50.772.199.306.9030.6380.759.50.811.969.806.8030.1990.858.00.811.949.107.9038.62100.858.00.872.029.305.9039.61110.859.50.832.184.9713.2643.81120.859.50.862.047.459.0445.452 結(jié)果與討論2.1 回歸模型建立本次試驗是多因素多水平試驗，各個因素之間可能存在著線性關系，同時

10、各個因變量之間也可能存在著相互的關系，而且本試驗的因變量為多個，這就成了多個目標變量共同建模的問題，因此采用偏最小二乘法回歸分析的方法。本文參考了PRESS統(tǒng)計量和誤差統(tǒng)計量（圖2、圖3），顯示出PRESS統(tǒng)計量和誤差統(tǒng)計量都呈現(xiàn)出下降趨勢，選取3個潛變量，借助唐啟義、馮明光的DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件來建立二次多項式回歸模型。圖中最上方的線表示總和，其他的表示因變量。由于吸水厚度膨脹率越小表示性能越好，靜曲強度越大表明性能越好。因此在選擇目標函數(shù)時，選擇吸水厚度膨脹率目標函數(shù)最小，靜曲強度目標函數(shù)最大，并設置個指標的權重為1：1。運行DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到各個變量對各個因變量的回歸系數(shù)表，見表2

11、-1。表2-1 各自變量主效應對各個因變量作用的標準回歸系數(shù)考察指標施膠量G(%)x1密度D（g/cm3）x2厚度S(cm)x3含水率M(%)x4吸水厚度膨脹率TS(%)y1-0.0858410.18244590.0330292-0.429302靜曲強度MOR(MPa)y2-0.2977320.1843687-0.154516-0.529383從表中可以看出，施膠量（x1）對吸水厚度膨脹率（y1）和靜曲強度（y2）的影響是相同的，其作用是負效應；密度（x2）對吸水厚度膨脹率（y1）和靜曲強度（y2）的影響是相同的，其作用是正效應；厚度（x3）對吸水厚度膨脹率（y1）和靜曲強度（y2）的影響是不

12、同的，對吸水厚度膨脹率（y1）的作用是正效應，對靜曲強度（y2）的作用是負效應；含水率（x4）對吸水厚度膨脹率（y1）和靜曲強度（y2）的影響是相同的，其作用是負效應。標準回歸系數(shù)的絕對值大小反映了各個因素對考察指標的影響程度大小。從表中可以反映出施膠量（x1）對吸水厚度膨脹率（y1）的影響程度較小，對靜曲強度（y2）的影響程度比較大；密度（x2）對吸水厚度膨脹率（y1）和靜曲強度（y2）的影響程度相同；厚度（x3）對吸水厚度膨脹率（y1）的影響程度較小，對靜曲強度（y2）的影響程度比較大；含水率（x4）對吸水厚度膨脹率（y1）和靜曲強度（y2）的影響程度相同，都比較大。根據(jù)偏最小二乘二次回歸

13、分析，得到如下二次多項式回歸模型：y1=133.8910191-15.197497x1-60.808798x2-68.989937x3+9.781644x4+0.000000x12-34.999876x22-0.535347x32-0.057715x42+6.136439x1x2+5.873972x1x3-0.222486x1x4+46.258445x2x3-4.135998x2x4-2.109680x3x4y2=-460.3238921-20.244278x1-89.179963x2+561.043619x3+22.582628x4+0.000000x12-48.110614x22-157.

14、878356x32-0.177500x42+13.192401x1x2+6.286291x1x3-0.692044x1x4+58.815081x2x3-8.283610x2x4-4.585942x3x4兩個篇最小二乘回歸多項式回歸模型的擬合效果，可從誤差平方和看出，見表2-2。表2-2 數(shù)據(jù)標準化后模型誤差平方及其決定系數(shù)潛變量y1y2誤差平方和11.8024317.141609421.7980372.758825830.62061862.0978037決定系數(shù)R210.83614260.350762820.83654210.749197630.94358010.8092906PRESS統(tǒng)計量

15、111.00650811.358848210.04182711.50990836.293704311.261732從表2-2中可以看出數(shù)據(jù)標準化模型誤差和與PRESS統(tǒng)計量在不同潛變量個數(shù)時下降下降，并結(jié)合各相應組分時模型擬合的決定系數(shù)R2?？梢钥闯?，在選擇3個潛變量時，y1的決定系數(shù)達到0.9435801，y1的決定系數(shù)達到0.8092906，各個回歸模型擬合程度較好。2.2 優(yōu)化試驗 根據(jù)DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所得出的試驗處理結(jié)果給出了最優(yōu)指標時各個因素組合，如表2-3所示，各指標的預測值，如2-4所示。表2-3最優(yōu)指標時各個因素組合施膠量G(%)x1密度D（g/cm3）x2厚度S(cm)x3

16、含水率M(%)x4計算值8.1070.8702.0159.799調(diào)整值8.00.852.0009.800表2-4最優(yōu)組合目標函數(shù)吸水厚度膨脹率TS(%)靜曲強度MOR(MPa)6.150037.98122.3 試驗驗證為了驗證偏最小二次回歸多項式回歸方程以及試驗的可信程度，因此安排一次驗證試驗，測得各性能指標，如表2-5所示。表2-5最優(yōu)組合目標函數(shù)吸水厚度膨脹率TS(%)靜曲強度MOR(MPa)預測值6.150037.9812實測值6.4638.54對比運用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所得出來的預測值（表2-4）和進行優(yōu)化試驗的實測值（表2-5），因此可以說明偏最小二乘二次回歸所建立的二次回歸模型是可

17、信的，所建立的模型的優(yōu)化預測是成立。3 結(jié)論通過三段加壓法壓制以木材剩余物為基體材料的刨花板，利用木材萬能力學試驗機測量材料的物理性能，通過DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)建立偏最小二乘回歸多項式回歸模型，并進行優(yōu)化，得出最優(yōu)的工藝條件，得出以下結(jié)論：（1）建立回歸模型的時應考慮各個變量因素之間的共線性以及相互之間交互作用，采取較為合適的數(shù)學模型。（2）通過本試驗研究所建立的2個多項式回歸模型，其決定系數(shù)大，可以分別對吸水厚度膨脹率和靜曲強度進行預測，并且預測精度較高。（3）本次試驗工藝路線上在實驗室方法壓制而成，因此其數(shù)學模型具有廣泛的實用性。（4）用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)所建立的回歸方程是可信的，所擬合的偏最小二乘多項式回歸數(shù)學模型對預測木質(zhì)復合材料的各個性能指標具有顯著性。（5）本次試驗為未對主要力學性能中的游離甲醛釋放量進行檢查，主要是該項指標隨著不同的膠種其變異性很大6,因此將在后續(xù)試驗進行探