試驗設(shè)計課程剖析基于正交試驗設(shè)計的滑動摩擦性能研究

表1所示。表SEQ表\*ARABIC1正交試驗因素的水平表水平ABC載荷ω/N速度n/(r?min-1)時間t/min110060322001005330020082.2試驗方案在進行正交試驗時，各因素的各種水平的搭配是均衡的，因此不影響試驗效果的前提下，盡可能地減少試驗次數(shù)。該試驗是三因素三水平，因此選用L9（34）型正交表安排試驗。在正交表中，每列不同數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)是相等的，故根據(jù)因素數(shù)和水平數(shù)的搭配，安排9次試驗，取每次試驗結(jié)果的平均值，作為一個試驗數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果分析3.1極差分析重復(fù)論文中操作，具體步驟如下圖：創(chuàng)建田口正交表，選擇4因子3水平，L9（34）將文中試驗數(shù)據(jù)輸入，選擇響應(yīng)數(shù)據(jù)，如下運行極差分析運行得到結(jié)果，并于原文進行比較：從極差分析結(jié)果可見：3個因素的權(quán)重順序分別為：改變載荷的水平對摩擦因數(shù)的影響最大，其次是摩擦?xí)r間，而速度對摩擦因數(shù)的影響最小。由于在摩擦磨損的過程中，摩擦因數(shù)的取值不能太大，優(yōu)選摩擦因數(shù)的較小值。因此，綜合比較得到最優(yōu)方案組合為A2，B1，C2。與原文結(jié)果相一致，分析出來的最好方案出現(xiàn)在第4次試驗中，縱觀9次試驗所得的摩擦因數(shù)，發(fā)現(xiàn)優(yōu)選出來的方案是符合實際的。由水平趨勢圖可看出，使得摩擦因數(shù)最低的方案（即：載荷為200N、速度為100r/min、時間為5min）為最優(yōu)的試驗方案組合，與上面的結(jié)論一致。從圖中也可以看出摩擦因數(shù)隨各個因子的變化趨勢。3.2方差分析從上圖中也可以看出摩擦因數(shù)隨各個因子的變化趨勢。利用方差分析表，采用F檢驗法對載荷、速度、時間3種因素進行顯著性檢驗試驗結(jié)果的影響程度。重復(fù)論文中操作步驟如下圖：輸出結(jié)果與原文比較：S是各因素的離差平方和，它反映了各因素變化對；df為各因素的自由度；MS為各因素的均方值；F為評價各因素對試驗結(jié)果影響程度的檢驗值；Fα為標(biāo)準(zhǔn)F分布表中的臨界值，取α=0.05。計算結(jié)果與原文一致，運Minitab軟件運行結(jié)果除誤差項相差千萬分之一值外，其項結(jié)果與原文一致。誤差離差平方和由于軟件計算精度原因結(jié)果略微有差異。分析后認(rèn)為可接受誤差?？梢钥闯?，方差分析得到的優(yōu)選方案組合與前面分析的結(jié)果一致。顯著性檢驗的結(jié)果表明，對于在基礎(chǔ)油潤滑下的銷盤摩擦副來說，載荷的變化對摩擦因數(shù)的變化起主要作用，而時間、速度是次要的因素。銷盤接觸有限元仿真由于專業(yè)技能限制，此處無法重復(fù)ANSYS仿真過程，僅對文中內(nèi)容進行總述。摩擦磨損在相互接觸的零件表面上進行，與摩擦副的接觸狀態(tài)和接觸應(yīng)力密切相關(guān)。因此，采用有限元法研究摩擦表面的接觸應(yīng)力場的分布狀態(tài)和變化規(guī)律能夠更好地理解摩擦磨損發(fā)生的原因和過程。為了更好地建模和計算，根據(jù)銷盤接觸的實體模型，把盤展開成長方體，并截取其中的一部分，銷還是按原來的尺寸建模。ANSYS支持3種接觸方式，即點－點、點－面和面－面接觸，對于特定的問題會有相適用的接觸單元。銷盤接觸類型選擇面－面接觸模式，由于盤的硬度大于銷的硬度，故選取銷為接觸面，盤為目標(biāo)面。仿真看出，接觸應(yīng)力場的分布基本上是按銷軸線對稱的，并且分布形態(tài)不是均勻的。銷底部最大的接觸應(yīng)力總是出現(xiàn)在接觸面的邊緣，并且呈現(xiàn)中間小，邊緣大的狀態(tài)。隨著壓應(yīng)力的增大，接觸應(yīng)力值的大小會改變，但是其分布形態(tài)保持不變。最大應(yīng)力出現(xiàn)在銷底部周邊，這是由于銷截面尺寸小，在邊界出現(xiàn)應(yīng)力集中的緣故。試驗結(jié)果分析根據(jù)正交試驗的結(jié)果，以及極差分析和直觀趨勢圖的研究，得出各參數(shù)影響摩擦因數(shù)的順序依次為:載荷、時間、速度。利用方差分析表，并采用F檢驗法對3種因素進行了顯著性檢驗。結(jié)果顯示載荷對摩擦因數(shù)的大小具有顯著性影響，速度和時間無顯著性影響。ANSYS仿真分析不同載荷下的接觸應(yīng)力的分布，分析得出最大的接觸應(yīng)力出現(xiàn)在銷底部的周邊，并且呈現(xiàn)中間小，邊緣大的狀態(tài)。在載荷逐漸增大的過程中，最大接觸應(yīng)力的數(shù)值也會增大，但分布形態(tài)并未受到影響。學(xué)習(xí)心得在科學(xué)研究中，不管什么學(xué)科，基本都會涉及到試驗設(shè)計，以及試驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析，如果不懂試驗設(shè)計的原理，不清楚試驗數(shù)據(jù)的分析方法，很可能試驗結(jié)束時才發(fā)現(xiàn)自己的試驗是失敗的。正如英國統(tǒng)計學(xué)家、演化生物學(xué)家與遺傳學(xué)家，現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)與現(xiàn)代進化論的奠基者羅納德·費希爾(RonaldFisher)所言：科學(xué)試驗做完后再找統(tǒng)計學(xué)家分析數(shù)據(jù)，如同病人死了再找醫(yī)生進行尸體解剖，醫(yī)生會告訴你病人死的原因。同樣，統(tǒng)計學(xué)家會告訴你試驗失敗的原因。為什么不在開展試驗、進行統(tǒng)計研究之前，做好準(zhǔn)備再開始呢？現(xiàn)實情況是如我這樣的學(xué)生此前并未接受系統(tǒng)且扎實的統(tǒng)計學(xué)和試驗設(shè)計訓(xùn)練，而大部分的學(xué)生也沒有其它渠道去學(xué)習(xí)這些知識和技能，因此在進行相關(guān)學(xué)習(xí)與競賽實踐過程中，導(dǎo)師安排任務(wù)時，只能硬著頭皮上。試驗設(shè)計與分析正是這樣一門講授工程實驗中對試驗方案及試驗過程進行試驗設(shè)計及優(yōu)化的一門課程。它將概率論與數(shù)理統(tǒng)計的原理和方法運用于科學(xué)試驗，重點解決如何根據(jù)試驗?zāi)康暮鸵罂茖W(xué)設(shè)計試驗，并對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計分析，以獲得有效試驗信息等問題，具有很強的實用性。本次課程學(xué)習(xí)中，我們跟著老師的步子，獲益匪淺。課上通過對案例的深入分析和討論，學(xué)習(xí)其中的理論知識和方法，這提高了我們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題的能力，課下嘗試通過Excel和MINITAB等統(tǒng)計軟件對本課程課后習(xí)題中的試驗設(shè)計方法和數(shù)據(jù)處理進行二次運算和分析，這提高了我們知識運用水平及動手