试验设计方法

2024-10-04

试验设计方法（精选12篇）

试验设计方法篇1

0 引言

恒定应力加速寿命试验是目前工程上快速评估产品寿命的常用方法。设计最优恒加寿命试验方案,是快速、经济地评估产品寿命的重要环节。对于两应力的恒加试验,目前多在两试验应力构成的矩形区域[1,2,3,4,5,6,7]内进行试验方案优化设计。然而在工程实际中,由于试验设备的限制等原因,有时一个应力的取值会限制另一个应力,使得两个应力不能同时达到最大值,试验区域成为非矩形[8]。对于非矩形试验区域上的两应力加速寿命试验,如果按照传统矩形区域上的方法设计最优试验方案,会出现应力水平组合点位于试验区域之外的情况,不能保证获得可行的方案。因此,有必要研究适用于非矩形试验区域的综合应力加速寿命试验方案的设计方法。

对于非矩形试验区域的最优恒加试验方案设计,Escobar等[9]针对矩形区域右上角被线性失效物理方程等值线截去而形成的非矩形区域,给出了优化设计方法。Chen等[8]将Escobar等的设计思想推广至具有任意边界形状的非矩形试验区域,建立了相应的最优试验方案设计方法。文献[8,9]中的方法在设计过程中需要求出边界上失效概率最大的点,当非矩形的边界较为复杂,难以直接求出失效概率最大的点时,会增加试验方案设计的难度。因此,一种不需要求失效概率最大点且估计精度也较高的试验方案设计方法,不失为一种简便可行的办法。均匀设计[10]是一种考虑试验点在试验区域内均匀散布的试验设计方法,与其他设计方法相比,寿命估计精度较高。

本文针对机电产品普遍适用的线性极值模型,以正常应力下寿命分布P阶分位数极大似然估计值的渐近方差最小为设计准则,在非矩形区域内选择两个应力水平分别作为最高和最低应力水平点,以最高、最低应力水平点以及各应力水平点试样分配比例作为优化设计变量,限制各试验应力组合点在最高应力水平点和最低应力水平点为对角的矩形区域内等间隔均匀分布,通过对试验方案进行优化设计,以达到文献[9]的试验效果,并简化非矩形区域恒加寿命试验方案优化设计方法。

1 模型假设

(1)在试验区域上的所有应力水平组合(试验点),产品的对数寿命θ服从极值分布,其概率分布函数为

式中,μ为位置参数;σ为尺度参数。

(2)在试验区域中,位置参数μ与标准化处理(具体标准化的方法参见文献[8,9],下同)后的试验应力u、v满足:

其中,0<u<1;0<v<1;γ0、γ1、γ2为模型参数,有γ1<0,γ2<0。

(3)在试验区域中,尺度参数σ与应力点坐标无关,为常数。

(4)各试验样本的寿命相互独立。

(5)采用定时截尾恒加寿命试验,各个应力水平组合上的截尾时间相等,均为τ。

由文献[2,3,4]可知,大多数机电产品的统计模型都可以转化为上述线性极值模型。

2 试验方案优化设计思路

首先,将一般非矩形试验区域标准化[8,9],如图1所示,A(0,1)、B(1,0),O(0,0)为正常应力水平点。SAB为非矩形试验区域边界曲线,设SAB的曲线方程为v=f(u),0<u<1,0<v<1。

矩形试验区域上的方案优化,按失效机理不变的原则选定最高应力水平点后,只需优化最低应力水平点即可。但在非矩形试验区域中,最高应力水平点的选定,除了要满足失效机理不变的原则外,还需按试验精度最高的原则,在非矩形试验区域内通过优化选定。通过分析可以证明[1],试验的最高应力水平越高,产品在正常工作应力水平下寿命分布P阶分位数极大似然估计值的标准离差越小。过试验区域OAB内某点作失效物理方程的等值线l=μ*=γ0+γ1u+γ2v可以证明[8],当该点在曲线SAB上时,其失效概率比在区域OAB内要大(过曲线SAB上的点μ*在v轴截距较大),因此,在边界SAB上优选最高应力水平点,可保证寿命估计值的方差较小。

试验方案优化时,在边界曲线SAB上任取一点H(uH,f(uH))作为最高应力水平点,然后,在矩形区域OMHG内就给定的应力水平数K按均匀组合的方式,以正常应力水平下寿命估计值的渐近方差最小为目标对最低应力水平点C(uC,vC)进行优化,具体方法如下。

给定应力水平K,其他应力水平可由最高应力水平点H和最低应力水平点C按等间隔应力水平分配原则来表示:

式中,ui′、vi′分别为CF、CE上的等间隔点。

在估计精度基本保持不变的前提下,为减少试验次数,采用均匀设计理论对应力水平进行组合。按均匀设计理论,同一个应力水平,按照均匀设计理论会有多种不同的应力点组合方式,但其方差因子的值不同,方差因子值最小的应力点组合方式为最佳组合方式。当应力水平K分别为3、4、5时,应力点的最佳组合方式如图2所示(图中实心圆点代表应力点的分布位置)。

在取定H点所形成的矩形区域OMHG内以方差因子最小为目标优化出C点后,可以得到该最高应力水平点下的优化试验方案坐标(ui,vi),i=1,2,…,K,其分布如图2中实心圆点所示。

取遍曲线SAB上每一点作为最高应力水平H,比较每一个H点下最优试验方案方差因子值VK,VK最小时的H点即为最优点,相应的最优试验方案为最后优选的试验方案。

当边界为凹域时,按照上述方法设计的试验方案,试验点有可能在试验区域外,故以上方法只针对边界为凸域的非矩形试验区域。

3 试验方案优化设计建模

现给定试验的截尾时间τ、样本总量Ν、应力水平的数量K,以正常工作应力水平点(0,0)的寿命分布P阶分位数估计值的渐近方差为目标函数,以最低应力水平C(uC,vC),最高应力水平H(uH,f(uH))以及试样分配比例p1,p2,…,pK-1为设计变量,按等间隔应力水平分配原则和均匀设计思想在非矩形区域OAB内进行恒加寿命试验方案优化设计。

试验区域经过标准化处理后,正常工作应力水平点为(0,0),约束最高应力水平点在边界上取值,即vH=f(uH),相应的优化模型可以表示为[3]

其中,FS为标准化后关于参数δ=(γ0,γ1,γ2,σ)的fisher信息矩阵;VK为方差因子;vH=f(uH)为限制最高应力水平点的非矩形边界曲线;pi为样本分配比例;(ui′,vi′)为按照等间隔应力分配原则得到的应力点的坐标;(ui,vi)为按照均匀设计理论得到的试验方案应力组合点的坐标,如图2所示;(uC,vC)、(uH,vH)分别为最低应力水平点和最高应力水平点的坐标。

经过标准化后的fisher信息矩阵如下[8]:

因为σ2/N为常数,故优化时可将目标函数简化为求VK的最小值。

4 算例

如图3所示,设试验区域OBMQRA的边界SAB由抛物线BM、线段MQ、线段QR和圆弧RA组成。点M、Q、R的坐标分别为(0.7946,0.9)、(0.8748,0.4845)和(0.8748,0.6),各分段的方程分别为

取模型参数估计值为[8],试验截尾时间τ=1000,要求设计最优试验方案,使估计正常应力下寿命分布的0.01阶分位数y0.01的方差最小。

分别考虑在应力水平K=3、4、5时的最优试验方案设计。由于算例中的边界曲线比较复杂,是由分段函数构成的边界曲线,故试验方案优化时需在曲线段BM、MQ、QR、RA上分别找出最优试验方案,再通过比较找出最后优选的试验方案。

(1)按第3节中优化设计方法分别求出K=3、4、5时的基于均匀设计理论的恒加寿命试验方案(简称U-3、U-4、U-5)。其各应力组合点分布如图4中实心圆点所示,各试验方案对应的方差因子分别为72.0746、85.7891、85.9401。

(2)按文献[9]中方法分别求出K=3、4、5时基于Escobar和Meeker设计思想分裂得到的试验方案(简称EM-3、EM-4-1、EM-4-2、EM-5,其中EM-4-1和EM-4-2指K=4时的两种应力组合方式),其方差因子分别为71.0184、87.2230、87.2230、87.2230。

(3)比较两种不同设计方法所得最优试验方案的方差因子可得,基于均匀设计理论的优化设计方案的方差因子与按文献[9]中方法求出最优试验方案的方差因子相差不大,甚至在K=4,5时方差因子更小,因此,基于均匀设计的试验方案同样具有较好的估计精度。

综上,针对算例求得的基于均匀设计理论的优化设计方案见表1,试验点的位置分布如图4中实心圆点所示。

5 结语

本文根据均匀设计理论,以在正常应力水平时P阶分位数极大似然估计值的渐近方差最小为准则,在非矩形区域内选择两个应力水平点分别作为最高和最低应力水平点,以最高、最低应力水平点以及各应力水平点试样分配比例作为优化设计变量,限制各试验应力组合点在最高应力水平点和最低应力水平点为对角的矩形区域内等间隔均匀分布,建立了基于均匀设计理论的非矩形区域恒加试验方案优化设计方法。最后,通过算例和基于Escobar和Meeker设计思想的最优试验方案比较,结果表明本文的试验方案具有较好的寿命估计精度,是可行的试验方案,为非矩形试验区域上的最优试验方案设计提供了一种新的思路和方法。

参考文献

[1]Nelson W.Accelerated Testing Statistical Models,Test Plans and Data Analysis[M].New York:A Wileyinte-science Publication,JohnWiley&Sons,1990.

[2]陈文华,冯红艺,钱萍,等.综合应力加速寿命试验方案优化设计理论与方法[J].机械工程学报,2006,42(12):101-105.Chen Wenhua,Feng hongyi,Qian Ping,et al.Optimal Design of Multiple Stresses Accelerated Life Test Plan[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2006,42(12):101-105.

[3]Gao Liang,Chen Wenhua,Liu Juan,et al.Design Criteria for Planning Multiple Stress Accelerated Life Test[C]//The Proceedings on 2011 9th International Conference on Reliability Maintainability&Safety.Guiyang,2011:1141-1146.

[4]陈文华,钱萍,马子魁,等.基于定时测试的综合应力加速寿命试验方案优化设计[J].仪器仪表学报,2009,30(12):2345-2550.Chen Wenhua,Qian Ping,Ma Zikui,et al.Optimal Design of Multiple Stresses Accelerated Life Test Plan under type I Censoring[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2009,30(12):2345-2550.

[5]Nelson W B.Accelerated Testing:Statistical Models,Test Plans,Data Analyses[M].New York:Wiley,1990.

[6]Park J W,Yum B J.Optimal Design of Accelerated Life Testing with Two Stress[J].Naval Research Logistics,1996,43(6):863-884.

[7]Guo Huairui,Pan Rong.D-optimal Reliability Test Design for Two-stress Accelerated Life Tests[C]//Proceedings of the 2007IEEE IEEM.Singapore,2007:1236-1240.

[8]Chen Wenhua,Gao Liang,et al.Optimal Design of Multiple Stress Accelerated Life Test Plan on the Non-rectangle Test Region[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2012,25(6):1231-1237.

[9]Escobar L A,Meeker W Q.Planning Accelerated Life Tests with Two or More Experimental Factors[J].Technometrics,1995,37(4):411-427.

[10]方开泰,马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京:科学出版社,2001.

[11]Gao Liang,Chen Wenhua,Qian Ping,et al.Optimal Design of Multiple Stresses Accelerated Life Test Plan Based on Transforming the Multiple Stresses to Single Stress[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2014,28(6):1125-1132.

试验设计方法篇2

教材分析：

《技术试验及其方法》是通用技术必修模块“技术与设计1”第二章第三节（苏教版）的内容。本章对本册教科书涉及的设计进行了界定，有选择的对技术与设计的关系、技术与设计的重要知识进行介绍。本章节对设计的最基本概念和原理进行了铺垫，力求贴近学生生活实际，以激发学生的学习兴趣。教材从技术试验的定义分析技术试验在设计中的作用，通过具体案例说明技术试验在技术设计过程中的重要性。介绍了几种技术试验的方法，阐述了技术试验报告的写作范例。技术试验可以验证技术方案是否可行，寻求技术问题的解决方法，探究技术过程的内在规律。技术试验具有很丰富的教育价值，对于培养学生的技术素养和良好的品质，培养学生的创新精神和实践能力，具有不可替代的作用。教材能正确把握技术试验教学的要求，对落实课程目标具有十分重要的意义。学情分析：

同学们在前面已经学习了“技术与设计的关系”和“设计中的人机关系”两节,对技术已有初步认识，但对技术试验很陌生，甚至将理、化、生中的科学实验与技术试验相混淆，他们不知道技术试验目的在于选择和优先，是一种很重要的技术方法，也不知道技术试验的实施方法以及试验报告的撰写和科学实验的区别，因此让学生将技术试验和科学实验两者很好的区别开来这成为本节内容上的教学难点。

教学目标：

1.知道技术是人类为满足自身的需要和愿望对大自然进行的改造，能够对技术与设计的案例进行分析，理解涉及的丰富内涵，理解技术与设计的关系。

2.能够从人机关系角度对日常生活事件进行思考，了解什么是人机关系，人机关系在设计中要实现的目标，以及如何合理的运用人机关系。

3.能够认真思考和分析技术试验的案例，了解技术试验的重要性。在技术试验的过程中，能认真观察和操作，能够完成简单的技术试验，写出规范的试验报告，培养认真严谨的态度、一定的创新精神和实践能力。

第三节技术试验及其方法

教学目标：

1.知识与技能：了解什么是技术试验以及技术试验的方法。理解技术试验在技术发明、技术革新中的作用，能够进行简单的技术试验并写出试验报告。

2.过程与方法：通过探究、试验、讨论等教学方法，使学生明白技术试验是一个复杂曲折的过程。

3.情感态度于价值观：激发学生探究的兴趣，培养学生勇于探索、善于动脑，勤于动手的科学精神。通过对技术试验的体验，提高学生学好通用技术课的信心，培养学生爱科学、学科学的兴趣和理论联系实际的思维方法。

教学重点与难点：

1.教学重点：理解技术试验的重要性，知道技术试验的方法。

2.教学难点：初步的技术试验分析设计能力，能进行简单的技术试验并写出试验报告。

教学方法与手段：

体验法、讲授法、讨论法。教师演示讲解，学生主动探究。

使用教材的构想：

力求以通过经典的“案例分析”、“阅读材料”和师生“讨论”为课堂主线，从一个个学生感兴趣的现实生活和知识经验中的实例出发展开教学，引导学生由浅简到深繁、由易到难地参与讨论和分析，去了解和掌握相关知识和概念，在完成教与学的过程中，适时地了解有关的概念与思想，掌握相应的学习方法。教学流程：

一、导入新课

［设置问题］“怎样拍掌拍得最响？”让学生不由自主的动手拍掌进行试验。［教师评析］

拍掌响与不响，同学们不能直接回答，所以同学们要亲自拍掌来试一下，这种尝试可以称为试验。但是怎样拍的最响，我们可以通过对本节的学习找到答案。引出课题：第五节技术试验。

二、新课讲解

（一）什么是技术试验

［案例分析］

图片展示“神州5号载人飞船飞上太空以及神舟六号载人飞船返回舱顺利着陆的情景。”大家都知道我们国家的载人航天成就让我们每一个中国人感到骄傲和自豪，那么为什么只有神舟5号、6号、7号真正的载人上天，神舟1、2、3、4号我们很少听说呢？

［学生思考讨论］

提出的问题能够让同学们独立思考,然后幻灯片演示让同学们了解神州1、2、3、4号飞天的情景同时了解什么是技术试验卫星。

技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星，人造卫星在发射上天前必须经过一系列的地面试验，以考验卫星的技术性能，但是地面试验毕竟不同于天上，在地面上试验完了还必须上天试一试，无论哪个国家在发射每一种应用卫星之前，都要发射一些技术试验卫星。

［教师评析］

一项新产品设计生产出来后，其设计是否合理，性能和质量是否符合要求，都需要通过技术试验来验证，同样的航天火箭发射也一样，我们开始不能保证我们的火箭能载人航天，所以我们分别进行了神舟１号到４号火箭的发射，这四枚火箭相对神舟５号６号7号而言都可以说是在进行技术试验。那么到底什么是技术试验呢？

1.技术试验的概念

我们通常将技术活动中为了某种目的所进行的尝试、检验、优化等探索性实践活动称为技术试验（Technical Test）。

［设置问题］技术试验与科学实验是不是一样的呢？

［学生思考讨论］

［教师评析］

我们在实验室熟悉的实验是指为了验证某种科学理论或假设而进行的某种操作或从事某种活动。而课本中的试验是为了查看某事物的结果或某物的性能而从事的某种活动。科学实验的目的在于甄别真伪，而技术试验的目的在于选择和优化，大家要对比和区别。

2.为什么要进行技术试验

［案例分析］

技术试验卫星、阿什塔比拉河桥的垮塌、青梅素皮试试验、药品小白鼠试验、计算机性能测试、安全帽超载试验、苹果树嫁接移植试验、大桥通车试验、弹簧床垫弹性测试试验、青藏铁路通车试验、防弹背心击穿测试试验、橡皮筋弹性试验、各种疫苗测试试验、天气预报等。

［设置问题］这些案例给了我们什么启发？

［学生思考讨论］

［教师评析］

技术试验是技术研究不可缺少的基本方法和手段，它对技术应用的实现起到了有力的保障作用。通过技术试验，可以使设计得以改进和完善，将设计的风险和失误降到最低。

［马上行动］

李宁同学自己做了个小板凳，他要做两个小试验来检验小凳的承重力和稳定性，你认为他的试验合理吗？

（1）在小凳上逐步加重物，把重物将小凳压垮前的一次重力记录为小凳的承重力。

（2）在小凳上固定一个特制的挡风屏障用电风扇在一定距离之外吹风，电扇由远及近移动，风力由小变大，记录屏障连同小凳一同倒下时电风扇与小凳之间的距离以及电风扇的风力。

［教师评析］

凳子的承重力和稳定性主要决定于凳腿对地面的支撑力和角度、所以第一个试验应该做而第二个试验不必做。由此也可以看出,对不同用途的产品,其功能不同,用途不同，用来检验的方法也有所不同。

3.技术试验的分类

对技术试验，我们可以根据应用范围不同进行分类，如农业试验、工业试验、国防试验、科学技术试验等；还可以根据目的的不同进行分类。如性能试验、优化实验、预测试验、信息试验等。

性能试验：通过改变所给的条件，测量试验对象的状态变化并分析其原因，明确试验对象的性能或性能故障，如对产品的高（低）温试验、振动颠簸试验等。

优化试验：对试验对象进行条件优化或条件组合。如农业中不同的品种的对比试验。

预测试验：通过试验，预测被试对象状态的变化及产生的后果，如老化试验、天气预测—预测台风。

信息试验：通过测量、采集、识别和处理信息来影响试验效果。如航测。还可以根据试验的性质不同分类，如物理性能试验，如：材料机械性能试验。试验的内容主要是测量材料的强度、硬度、刚性、塑性和韧性等。机械性能试验可分为静力试验和动力试验两大类。静力试验包括拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、扭转试验、硬度试验、应力松弛试验、断裂韧性试验等。动力试验包括冲击试验、疲劳试验等。展示教材P38图片。

［教师评析］

同学们应当注意到，对技术试验类型的划分不是绝对的，有时同样的试验，因为目的的不同，也可以从不同的类型来理解。

在技术发展的漫长过程中，人们总结了许多技术试验的方法。这些方法有着各自的特点，同时也有着各自的适用范围和作用。下面我们来对常用的方法进行学习。

（二）技术试验方法

1.优选试验法

运用数理统计的方法，选定若干次典型意义的试验，逻辑地推出全部试验所达到的最佳效果，这种试验方法称为优选试验法。如：不同品种水稻的对比试验、袁隆平与杂交水稻的育种成功。在钢里加入某种元素以制造特种钢的时候，要用优选试验法测定加入某种元素的量。

2.模拟试验法

通过再现的形式来模拟现实发生情况的方法称为模拟试验法。如汽车的碰撞试验就可以选用模拟试验法进行试验，在专用的场所模拟现实中的撞车事故，以考察汽车的性能。采用这种方法进行试验，可以减小风险，提高效率。模拟试验法还可以通过缩小(放大)比例来模拟所设计的现场效果。

［设置问题］在汽车碰撞试验中为什么要用模拟人试验呢？同学们还知道那些模拟实验的方法？

［小组讨论］回答：用模拟人试验可以检测在事故发生时撞击对人体造成的伤害，从而总结经验，改善汽车安全性能设计，降低事故风险。如水利工程模拟试验、航空地面模拟实验、神舟三号模拟人试验等

3.虚拟试验法

利用计算机技术来虚拟现实中的技术设计原型并进行试验的方法称为虚拟试验法。如用计算机模拟“勇气”号火星探测器登陆火星表面的场景效果。还有“嫦娥二号”月球探测器的模拟发射、变轨、奔月3D动画，［设置问题］采用虚拟试验方法比传统的方法有什么好处？

［回答］很多虚拟试验可以在计算机上完成，大大缩短研制周期和节省研制经费。

4.强化试验法

通过扩大和强化试验对象的作用，以提高试验效率的方法称为强化试验法。如测定某一地板的耐磨性和抗压性，再比如检测钢铁的硬度、汽车道路强化腐蚀试验、高温高湿试验、强化坏路行驶试验等。

5.移植试验法

在相互有差异的事物之间，将某些共同相关的因素从一物移植到另一物进行试验的方法。例如农作物的嫁接或移植试验（如橘子从长江以南移植到长江以北的种植试验，这就是一种非常典型的移植试验）。

［设置问题］同学们还知道些什么样的移植试验法的应用？

［教师提示］西瓜移植试验、用小白鼠做药物试验。

［教师总结］

从以上的试验中我们知道,技术试验是从多方面多角度地检验材料,产品性能的技术手段，试验方法也不局限于上面提到的几种方法，除了我们刚才所学的以外还有创新转化试验法、中间试验法、工业试验法等。同学们以后也可以在自己的实践中学习和总结其他更多的试验方法。

（三）技术试验的实施与报告的写作

1.技术试验的实施包括：制定试验计划、抽取样本、进行试验、分析数据、得出结论等几个步骤。在实施技术试验之前，必须对试验过程做周密的设计。

2.技术实验报告写作

技术试验报告是技术试验工作完成后应当形成的成果，其项目包括：试验目的、试验准备、试验步骤、试验记录、试验总结等。

3.引导学生进行简单的技术试验并纂写技术实验报告

参考题目：最佳的LED灯数量和灯头到桌面的距离的关系、瓦楞纸的强度。仿照教材P41［案例分析］中技术试验报告的格式或者自己设计格式，完成一份试验报告。

（五）技术试验在设计中的作用

在技术活动中，技术试验是必不可少的。通过试验可以发现问题、深化认识、推动技术设计的发展。特别是在设计的后期，对设计进行综合性的整体试验，可以为设计的评价提供准确、客观的数据。

［随堂练习］

1.水利大坝从理论、设计到开工建设进行了许多次实验。一般采取下列的什么方法（B）

A.优选实验法B.模拟实验法C.虚拟实验法D.强化实验法

2．汽车的碰撞实验是（B）

A.优选实验法 B.模拟实验法 C.移植实验法 D.强化实验法

3.对不同品种的水稻进行对比试验，这种试验方法是（B）

A.模拟试验法B.优选试验法C.移植试验法D.强化试验法

4.遭遇车祸的概率最高的是（A）

A．棕色车子B．银灰色车子C．白色车子D．绿色车子

［板书设计］

三、技术试验及其方法

⑴技术试验：（根据目的分类）性能试验、优化试验、预测试验、信息试验等。⑵技术实验法：优选试验法、模拟试验法、虚拟试验法、强化试验法、移植试验法等。

⑶技术试验报告的写作

⑷技术试验在设计中的作用

教学反思：

试验设计方法篇3

汽车零部件；动力转向油泵；低温试验

1.汽车动力转向油泵工作原理

转向泵的基本原理与普通双作用叶片泵类似，只是增加了溢流阀和安全阀。当皮带轮驱动主轴旋转时，带动转子旋转，由于定子的容积变化产生局部真空，这样由泵体的进油口吸入液压油，由后盖的分流槽向两个方向流动。泵内腔包括定子、转子及叶片。油液通过定子的外圆与泵体内腔形成的油道流向压力板的吸油区。这样定子吸油区的油液分别由后盖和压力板上形成的两个低压区提供。定子产生的高压油通过压力板的高压区流向泵体的高压腔，然后进入阀孔中。在溢流阀的调节下，输出设计所需的一定流量的油液提供给转向系统，多余的油液由泻油口循环到油道中与进油口流入的液压油混合，这样混合的液压油重新流入吸油腔和压力板上的吸油区，重复上述过程。汽车动力转向泵是汽车液压转向系统的动力源，由其输出的高压油提供转向的执行机构转向机，从而克服轮胎的摩擦力，提高驾驶员打方向的轻便性，降低驾驶员的驾驶强度。

2.汽车动力转向油泵低温试验

A．试验依据

本文所述汽车动力转向油泵低温试验是依据中华人民共和国汽车行业标准中的汽车动力转向油泵技术条件（QC/T299-2000代替QC/T299-1999、QC/T300-1999），标准中对低温试验的描述是：被试泵温度和进口油温均处于-40℃以下，空载压力下起动被试泵。

B．试验中的关键问题

由于国家汽车行业标准中对汽车动力转向油泵低温试验的描述只有一句话，并无更详细的描述，因此在这次的试验方法的研究和改进中，将遇到不同程度和不同类型的问题需要解决。以下给出试验中遇到的相关技术问题：

汽车动力转向油泵低温试验之所以要研究新方法去实现，是因为一般情况下，汽车零部件低温测试用的是高低温试验箱，而转向油泵开启试验用的是转向油泵试验台，汽车转向油泵低温试验涉及了两个不同试验台，这将不利于试验的操作。因此必须设计出一个试验方案把已有的试验台连接起来，以完成试验。

国家行业标准对关于汽车动力转向油泵低温试验的介质并无详细说明，而且单位地处南方，比较难以寻找到符合低温试验所需温度-40℃的介质作为试验用液。因此，试验所用液体需要商讨和寻找。

国家行业标准对关于汽车动力转向油泵低温试验的试验过程并无详细说明，具体的操作方法也无据可依，因此，试验过程必须在总结了以往其他试验的经验后，跟客户商酌好的情况下制定出来。

3.试验台的研究和改造

由于高低温试验箱是密闭式结构，设想如果把动力转向油泵及油箱放进高低温试验箱中实行冷却，则将很难把外界的动力转给高低温试验箱内的动力转向油泵。因此，试验台的研究和改造的重点将放在如何把外界动力传给高低温试验箱内的动力转向油泵。而且，改造试验台的同时，还需要考虑动力转向油泵以及油箱的位置，从而使整个试验过程更合理，更容易操作。

本文将把试验台改造的构思叙述如下：其原理如图1所示，高低温试验箱1内布置有动力转向油泵7和油箱2，动力转向油泵7固定在高低温试验箱的壁面，动力转向油泵的轴伸进高低温试验箱壁面的孔内，转向油泵和油箱用油管相连，油箱2向动力转向油泵7供油。改造好的传动部分6通过一条传动轴穿过高低温试验箱1壁的孔与动力转向油泵的轴相连，动力通过所设计的传动部分6传给动力转向油泵的轴，以达到给动力转向油泵传递动力的目的。传动部分6的另一端接上一个皮带轮，用以和动力源5一端的皮带轮相连，当动力源通电时，动力源5所发出的动力将通过皮带轮传送给传动部分6。动力转向油泵7通过转向油泵控制系统3启动，启动后，转向油泵从油箱2吸入介质，然后通过另外一侧油管把试验用介质排出高低温试验箱，并通过转向油泵控制系统，流回到油箱4，从而完成试验的介质流通。试验时，只要通过转向油泵控制系统，观察转向油泵的开启状况，便可按照国家汽车行业标准完成动力转向油泵的低温试验。

4.试验过程

根据国家汽车行业标准，并在与客户协商的情况下，本文将汽车动力转向油泵低温试验分为以下几个步骤进行：第一，试验前把所有试验器材按照原设计思路连接，并检查各设备的准备情况。第二，执行低温试验，并检查各试验台在试验过程中的试验状况，发生故障或试验问题时，及时调整和检查试验设备和试验用材料，解决试验中发生的故障和问题。第三，试验后检查试验设备和器材，记录试验数据，检查并整理试验用设备。以下是各试验过程的详细分析。

按照图1动力转向油泵低温试验试验台改造示意图将各设备及所设计部分连接在一起，并接上油管，动力转向油泵通过设计加工的一块铝板安装在高低温试验箱的壁面上。把高低温箱内的干净油桶充满冷冻介质——上海大众发动机专用防冻液，启动转向油泵试验台，试运行转向油泵，使冷却液在各部件中循环，检查转向油泵的运行情况以及其他各部件的状态是否良好。如发现问题，立刻解决，准备环节做好后，进入试验环节。

执行汽车转向油泵低温试验。将高低温试验箱降温至-40℃，一小时内保持数值不变，并将温度计放进冷却液内测量冷却液温度。当温度计温度达到-40℃时，开启转向油泵控制试验台，输入转向油泵开启转速，开启转向油泵。观察转向油泵回油油箱，看是否有冷却液流回油箱，观察试验台控制软件，看转向油泵是否有开启压力，如有，则证明油泵符合国家汽车行业标准，如没有，即不符合国家汽车行业标准，整套低温试验的测试时间视测试效果而定。测量完毕后，卸下转向油泵，并使高低温试验箱温度恢复常温，继续对下一台转向油泵进行试验。

参考文献

[1]毛君.新型汽车动力转向油泵．机械设计与制造．2009.01

[2]李勇.电控液压助力转向系统控制器的开发.汽车科技.2007.04

试验设计方法篇4

曲轴是内燃机的关键零部件之一,实际工作中承受的载荷十分复杂,曲轴一旦断裂会对内燃机造成不可扭转的损坏,因此对曲轴的抗疲劳强度进行判定尤为重要。目前,曲轴疲劳强度的试验台按加载方式分为弯曲疲劳试验台[1]和扭振试验台[2]。文献[3]在曲轴弯曲疲劳试验系统开发与研究针对国内疲劳试验机精度不够开发了一种有较强实用性的曲轴弯曲疲劳试验系统,并在机械台体设计部分简介了设计原理和方法。传统的台架设计理论基于振动方程[4,5],依据计算的曲轴弯曲刚度,调整摆体的转动惯量和固有频率,再对激振频率进行调整。随着有限元技术的发展,各类计算方法日趋完善,鉴于有限元在模态计算方面的优势,运用有限元设计方法也是一种趋势。本文中运用这两种方法来完成试验台设计。

1 结构及工作原理

谐振式曲轴弯曲疲劳试验台简要模型如图1所示。其中,θ1为主动臂摆角,θ2为从动臂摆角,l为摆臂中心距,L为激振点至加载中心线距离。

曲轴和两个摆体为刚性连接,组成类似于音叉的结构,利用电机驱动偏心轮,偏心轮转动产生离心力对其中一个摆体进行周期性激励,当激振频率与系统的固有频率接近时,两个摆体便会发生共振,此时夹在中间的曲拐会受到周期性载荷作用,以此模拟曲轴工作时的受力情况。

设偏心轮质量为m,偏心距为r,工作时的角速度为ω,对曲轴中心线产生的激振弯矩为:

式中,eiωt为简谐振动规律表达式,其中e为自然对数的底,i为虚数,t为时间。设曲轴弯曲刚度为k,主动臂转动惯量为J1,从动臂转动惯量为J2,系统在无阻尼情况的运动方程为:

求解方程,系统的共振频率ω0为:

系统的放大系数n为:

谐振式曲轴疲劳试验台充分利用了共振原理,很小的激振载荷经过放大便可达到试验载荷要求。

2 试验台参数设计

2.1 试验能力设计

摆臂设计耗时长且成本高,考虑台架尽可能适用于一定范围的曲轴试验,则可以降低试验工装的成本。根据试验要求,试验曲轴主轴颈直径为143mm,中心距230mm。考虑设备通用性,在主轴颈夹持部位采用夹紧轴瓦设计,以满足主轴颈直径范围125mm~155mm的曲轴试验。

摆体通过支撑弹簧卧置于底板之上,底板上开有U型槽,以满足不同中心距的曲轴疲劳试验。夹紧盖板螺栓选用该曲轴产品的主轴承螺栓M24×2×230mm,以确保曲轴与摆体之间为刚性连接。

2.2 加载能力设计

曲轴运行至上止点附近承受最高燃烧压力的作用力,此时曲轴的名义工作弯矩的计算式为:

式中,D为活塞直径;pz为最高燃烧压力;R为主轴颈支反力;G为曲柄臂中心距离;k1为支撑系数,本文中为全支撑取0.75,代入各参数计算出名义弯矩5 407.47N·m。各项系数计算方法如图2所示。

为了满足加速疲劳寿命试验的要求,一般曲轴疲劳试验时的强化系数为2~4倍的名义工作弯矩,因此要求台架在共振时对曲拐的加载弯矩需达到10 814~21 628N·m。依据以往设计经验,共振放大系数一般在5倍左右,此时阻尼对应力影响较小。不考虑系统阻尼时,依据力矩放大计算公式

估算出静力矩M,最大试验加载弯矩时的静力矩(激振弯矩)为4 325.6N·m,由式(1)来协调各项参数(m、r、L)。式(6)中,Me为目标加载弯矩值。试验台的加载中心距L应由整体结构而定,过小会使加载弯矩不足,过大又会减小摆体的刚度,综合考虑本次台架取值为900mm。

激振力由偏心轮提供,在满足式(7)的基础上确定偏心轮各项参数。

为了满足不同激振力要求,一般将质量设为定值,通过调整偏心距来调节离心力。根据各项参数协调,设定偏心轮的直径为120mm,高50mm,最大偏心量为30mm。

2.3 摆体参数设计

试验台架最主要的结构参数为两个摆体的参数设计,为了保证试验台能够工作在稳定的工作区域,则需对台架摆体的转动惯量及固有频率进行合理匹配。为了简化设计,设主动臂与从动臂的转动惯量相等,式(3)化为式(8)形式

要使得共振放大系数达到5左右,式(4)中的频率比约为0.95,即工作频率与固有频率之比为0.95,摆体参数需同时满足式(8)和频率比的要求。试验曲轴的柔度计算式为

式中,e为柔度;p1、p2、p3、p4为中间变量;G1为弹性模量;Lj为主轴颈长度;Lw为曲柄臂厚度;Dj为主轴颈直径;Lc为曲柄销长度;Dc为曲柄销直径;B为曲柄臂宽度;R为曲柄半径。

试验曲轴单拐刚度k为:

将各项曲轴参数代入式(14)计算得出曲轴单拐刚度为5.9×106N·m/rad,根据试验经验,试验频率一般29~35Hz之间,固有频率则为30~37Hz之间。以最小频率计算转动惯量J为:

摆体后端安装配重块以调节实际的惯量,来满足不同尺寸曲轴的疲劳试验。由转动惯量估算出摆体尺寸:宽280mm,厚200mm,后端长度约1 000mm。

2.4 有限元模态计算

在2.3节的参数设计方法采用了单拐的弯曲刚度估算,而实际的试验台架对整根曲轴试验,显然固有频率的估计会有一定的偏差。为了提高设计精度,利用有限元技术对台架设计参数进行修正。

根据以上的设计参数进行计算机辅助(computer aided engineering,CAE)建模,通过计算固有频率大小调整摆体长度,主轴颈至摆体后端长度1 020mm即可达到最小固有频率时的要求。网格模型如图3所示。

选用线性摄动分析步(abaqus linear perturbation)进行模态的计算[6,7],提取前30阶固有频率。试验台利用的模态为一阶平动,以此模拟曲轴受到对称弯矩作用。前两阶计算结果见表1。

通过模态计算验证,最小固有频率在30~37Hz之间,频率比满足要求,台架各项参数符合设计要求。

3 试验验证

本试验台为谐振式曲轴疲劳试验台,在按照以上参数设计制造后需要对其稳定性进行检验,验证各项参数是否满足试验要求。

根据曲轴弯矩疲劳试验台的试验方法,采用静标动测的方法对曲轴试验转速和弯矩进行标定。试验实际弯矩和由式(6)计算的理论弯矩见表2。

对表中数据进行分析可知,采用式(6)计算的理论加载弯矩和试验实际弯矩相对误差在20%左右。这是因为,采用式(6)计算弯矩并没有考虑实际阻尼对振动系统的影响,使理论预测的加载弯矩比实际偏大。台架在运行24h后,对各部件进行检查,发现主动臂、被动臂、夹持部分及支撑弹簧均工作正常,并未出现温度升高、转速不稳等异常情况。综合试验结果表明:该台架设计各项参数基本达到试验预期要求。

4 结论

(1)传统的设计方法采用了单拐弯曲刚度估算,对台架摆体设计整体把握不足,参数估算精度不高,但比较快捷;有限技术恰好可以弥补这方面的不足,整体性更强。两种设计方法均可满足工程应用,可视情况选择。

(2)谐振式曲轴弯曲疲劳试验台架经试验验证,曲轴循环寿命满足S-N线规律,试验弯矩和估算弯矩误差约20%,激振频率符合预计范围,各项参数满足试验使用要求,部件能够经受耐久考验,性能良好。

(3)系统阻尼对于系统的共振频率有一定影响,在台架调试阶段使用配重块来消除阻尼误差,工程应用可以忽略,理论研究时则需要加以考虑。

摘要：针对曲轴疲劳试验台架适用情况,分别采用单拐刚度估算法和有限元模态估算法,设计出适用于较大主轴颈和回转半径的曲轴疲劳试验台。经试验验证,新设计台架运行正常,满足各项试验使用需求。研究结果表明:传统单拐设计法对试验台参数估算较为快捷,但精度略显不足,台架后期调整耗时长;有限元估算整体性较强,减少台架后期调整时间,但设计阶段周期长;两种设计方法均能满足工程应用。

关键词：内燃机,曲轴试验,弯曲疲劳,模态,有限元,台架设计

参考文献

[1]徐家炽,冯美斌,徐卫,等.DC-1电动谐振式曲轴疲劳试验装置的研制[J].内燃机工程,1991,12(2):6-16.XU J C,FENG M B,XU W,et al.Development of DC-1electrodynamic resonant fatigue test machine for crankshaft[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,1991,12(2):6-16.

[2]耿瑞光,张洪田,王慧文,等.内燃机轴系可控扭振模拟试验台研制[J].内燃机工程,2010,21(3):105-108.GENG R G,ZHANG H T,WANG H W,et al.Development of test bed of controllable torsional excitation for shafting of IC engine[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2010,21(3):105-108.

[3]周迅.曲轴弯曲疲劳试验系统的研究与开发[D].杭州:浙江大学,2003.

[4]何忠义.曲轴弯曲疲劳试验台的研制[J].内燃机车,1983,15(3):2-50.HE Z Y.Development of bending fatigue test machine for crankshaft[J].Diesel Locomotive,1983,15(3):2-50.

[5]黄钟瑜.HQF谐振式曲轴疲劳试验机的设计[J].内燃机工程,1987,8(1):19-26.HUANG Z Y.Design of HQF resonant fatigue test bench for crankshaft[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,1987,8(1):19-26.

[6]刘慕双,孙占刚,苏海青,等.曲轴疲劳试验机的模态分析[J].拖拉机与农用运输车,2005,3(1):43-45.LIU M S,SUN Z G,SU H Q,et al.Modal analysis of the bending tester for crankshaft[J].Tractor and Farm Transporter,2005,3(1):43-45.

穿墙套管试验方法篇5

关键词穿墙套管;介质损耗角正切值和电容量;反接线;接地

0引言

穿墙套管是电力系统中广泛使用的一种重要电器，它的作用是使高压导线安全地穿过接地墙壁，从而与其他设备相连接。

因此，它既具有绝缘的作用，又有机械上的固定作用。

穿墙套管在运行中的工作条件非常恶劣，所以常常因为绝缘的劣化而造成损坏，导致发生电网事故，因此，在交接试验和预防性试验过程中，对穿墙套管的试验必不可少。

穿墙套管的试验项目一般有：测量绝缘电阻;测量20kV及以上非纯瓷套管的介质损耗角正切值和电容量;交流耐压试验;绝缘油试验或SF6气体的试验等。

1原因分析

1.1内部结构

电容式穿墙套管利用电容分压原理调整电场，使导电管的径向和轴向电场分布更均匀，保证了设备的局部放电量很低，从而具有耐压高、体积小及性能好等优点。

油浸电容式穿墙套管的主绝缘结构采用绝缘纸和铝箔电极交替缠绕在导电管上，组成一串同心圆柱型串联电容器，使电场分布在径向和轴向上得到了有效的均匀，电容屏数目越多，绝缘中电场分布越均匀。

主绝缘经真空干燥而除去内部空气与水分，并用变压器油充分浸渍处理后成为电气性能极高的油纸组合绝缘体，从而使绝缘耐受电压水平得到了极大提高。

其中靠近高压导电部分的第一个屏为首屏，它与一次导电部分相连，最外一层屏称为末屏，通过绝缘瓷套引出接地。

通过末屏可以测量其电容屏的电容量和介损，从而判断电容屏的.绝缘状况，掌握绝缘性能。

通过末屏测量端子能有效地发现主末屏绝缘受潮、绝缘油劣化、电容屏间开路或短路等缺陷，但运行中末屏如开路，末屏将形成高电压，极易导致设备损坏。

在运行中为了保证设备和人身安全，末屏必须可靠接地，套管生产厂家也无一例外地在说明书中明确要求末屏必须接地。

如果由于各种原因造成末屏没有接地或接地不良，轻者将发生设备运行异响或造成开关跳闸，重者将使设备爆炸或着火，严重影响电网的安全稳定运行，而对巡视人员也是一个巨大的人身安全威胁。

1.2常规试验方法

在预防性试验中，我们针对穿墙套管的特点主要进行绝缘电阻的测量和介质损耗角正切值和电容值的测量。

通过对穿墙套管主绝缘及电容型套管末屏对地绝缘电阻的测量，初步检查穿墙套管的绝缘情况。

而对穿墙套管进行介质损耗角正切值的测量，是为了更灵敏的发现穿墙套管的绝缘状况所进行的更准确的界定。

穿墙套管通过以上项目的试验，可以比较灵敏地反映出绝缘受潮或其他某些局部缺陷，特别是测量末屏对地的介质损耗角正切值测试，更容易发现缺陷。

1.3发现缺陷

在今年的预防性试验中，我们在对炼钢厂的一座110kV变电站穿墙套管的试验中，偶然发现，在对一组穿墙套管进行正接线测量介质损耗角正切值和电容量时，先进行了一次反接线测试，发现其中有一相的介质损耗角正切值明显偏大，具体测试数据如下：

由于是反接线测试，外界干扰因素较多，随后对外绝进行了清扫和擦拭，拆除了连接引线，重新测试后，数据如下：

根据测试结果分析，外界因素影响不大，随后，拆除末屏接地小盖，重新进行正接线测试，数据如下：

此次测试中，B相测试值只有稍大变化，根据《电力设备预防性试验规程》分析，应该在合格范围，但在对末屏检查时发现，末屏与电容屏的连接引线有95%以上的部分已烧断，只有很少一部分连接在一起，外面接地小盖由于进水受潮，已严重锈蚀，并有明显的放电痕迹，由此可见，这是由于接地不良引起悬浮放电，进而造成末屏的烧损。

后经处理，将末屏接地引线更换后，重新更换接地小盖后复测，数据如下：

2对策探讨

引起套管末屏接地故障的可能原因有以下两个方面：一是末屏接地装置内部故障，即末屏与小套管内的导电杆接触不良或焊接点脱落;二是末屏接地装置外部故障，即小套管内的导电杆与外部接地部位接触故障，如外部引线断裂、悬空或接触不良等。

对于内部故障主要靠保证产品质量来预防，这就要求在产品的采购、监造过程中把关。

对于外部故障，就需要在平时的运行中进行检测和停电时的试验。

在运行中，可以进行末屏部位的红外测温。

套管末屏内部断裂后，末屏上产生的高电压会产生悬浮放电，引起局部过热，红外测温能够有效地检测到这种过热现象。

停电时，采用反接线法进行介质损耗角正切值和电容量的测试，与历次实验结果比较，如无明显变化，既说明末屏接地良好，也可说明主绝缘未受潮，如有疑问，可进行正接线测试，进一步分析可能出现的问题。

3 结论

通过此次试验分析，末屏接地是否良好，可以通过反接线法测试及时发现，同时，也可对主绝缘进行检测。

由此可见，在设备投运前进行交接试验时，首先使用正接线法测量介质损耗角正切值和电容量，与出厂值比较，是否符合标准要求，其次，再进行反接线法测试，记录试验时的初次值，以便在预防性试验时进行比较，从而避免由于末屏接地不良造成的设备损坏。

参考文献

鞋眼拔出力试验方法的研究篇6

关键词：鞋眼拔出力试验方法分析研究

中图分类号：U467.3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（a）-0016-01

中国是鞋类生产大国。近年来，随着大量国外先进制鞋工艺的借鉴，以及自主创新领域的拓展，我国制鞋工艺技术日新月异，各类标准规范相继发布实施，产品性能得到大幅提高。但作为鞋类使用性能中的关键质量指标鞋眼拔出力的测试，国内还没有相关行业标准对其进行规范。鞋眼拔出力主要是考核鞋眼与鞋帮的结合牢度。目前市场上鞋眼种类繁多，形态各异。但一般常见的鞋眼都为同心圆环状，有些特殊鞋眼则有着各种不同形状，如方形、多边形、椭圆形以及不规则形态等。

1 方法原理

鞋眼从附着材料拔出力的试验方法，借鉴了目前市场上两种测试的主流方法，确定为A法和B法两种试验方法，A法为圆锥棒顶出法，B法为鞋带拉出法。其适用范围为适用于一般穿用鞋的鞋眼拔出力（特殊鞋眼可参照使用）。

其原理如下：

A法：将附有鞋眼的帮面或其他材料固定在拉力机的夹具上，圆锥棒通过材料的背面穿过鞋眼，通过拉力机不断施加力于圆锥棒，直至鞋眼从材料上分离或材料破坏，记录下该过程中施加的最大力值，即为鞋眼拔出力。

B法：将附有鞋眼的帮面一端夹持固定在拉力机的夹具上，鞋带穿过鞋眼固定在另一端的夹具上，拉力机不断施加力（使得鞋眼受力方向与日常系鞋带受力方法一致），当鞋眼任意部位从材料上分离或材料破坏，立即停止试验，记录下该过程中施加的最大力值，即为鞋眼拔出力。

2 试样制备

2.1 方法A

裁剪附有鞋眼的帮面，鞋眼周边应保留不小于20 mm的帮面，相邻鞋眼不得同时作为试样，必要时可移除邻近的鞋眼。

2.2 方法B

裁剪附有鞋眼的帮面，鞋眼帮面外侧应保留不小于30 mm的帮面，相邻鞋眼不得同时作为试样。

试样数量一般为3个。

3 试验装置

3.1 拉力试验机

符合GB/T16825.1—2008中的2级要求，力值范围为0N～1000N，最小分辨值不大于1N，移动速度应包括（50±5）mm/min和（100±5）mm/min，并可记录下最大断裂力的指示装置。

3.2 夹具

3.2.1 方法A

夹具如图1所示。圆锥棒长度不小于70 mm，尖部直径不大于3 mm，锥体最大直径不小于10 mm。

夹具下方应有孔洞，正对着圆锥棒，当待测鞋眼边外径小于10 mm时，孔洞直径15 mm，当待测鞋眼边外径大于等于10 mm，且小于15 mm时，孔洞直径20 mm。

孔洞上应有合适的夹持固定试样的装置，使得鞋眼正对着圆锥棒和孔洞。

3.2.2 方法B

夹具应能牢固固定帮面材料和鞋带（鞋带从测试样品上获取）。

4 试验步骤

4.1 方法A

（1）将夹持试样的装置固定在夹具上，鞋眼正对着圆锥棒，反面朝上。

（2）调整拉力试验机的零点，设定拉力试验机夹具的移动速度为100 mm/min。

（3）启动拉力试验机，直至鞋眼从帮面分离或材料破坏，记录最大负荷值。

（4）停止拉力机，使得圆锥棒回到原来位置。

（5）重复上述步骤测试另两个试样。

4.2 方法B

（1）将制备好的试样一端夹持在夹具上，鞋带穿过鞋眼固定在另一端的夹具上，使得鞋眼受力方向应与日常系鞋带受力方向一致。

（2）调整拉力试验机的零点，设定拉力试验机夹具的移动速度为50 mm/min。

（3）启动拉力试验机，当鞋眼任意部位从帮面分离或材料破坏，立即停止试验，记录最大负荷值。

（4）重复上述步骤测试另两个试样。

5 试验结果处理

方法A（或方法B）的试验结果处理：取3个试样试验结果的最小值，精确到1N。

6 结语

此两种试验方法均经取样进行测试，取样时选择了不同种类的鞋子，主要包括皮鞋、旅游鞋、胶鞋、注塑鞋等，并重点关注不同规格、不同类型鞋眼的区别，从验证试验情况看，此两种方法适合于我国鞋类产品与国情，方法科学、可行，具有一定的可操作性。

参考文献

[1]HG/T2877-2014.拖、凉鞋帮带拔出力试验方法[S].北京：化学工业出版社，2014.

[2]QB/T2675-2013.鞋带扯断力试验方法[S].北京：中国轻工业出版社，2013.

试验设计方法篇7

Marshsll试验设计法是通过对沥青混合料的密度、稳定度和空隙率等体积指标进行分析, 确保沥青混合料达到良好的性能。而且试验设备价格低廉, 试验方法简单较易在现场和实验室里成型试件, 被广大的施工单位作为施工质量控制的常用方法。但Mashall击实成型的受力状态与实际路面的受力状态极为不符, 沥青混合料结构性能不同于现场压实的沥青混凝土, 成型的试件也无法模拟通车多年后橡胶轮舱对沥青路面的压实效果。

SGc试验设计法是美国公路战略研究计划 (SHRP) 中沥青混合料设计的重要成果之一, 在改善沥青混合料的路用性能上有着显著的优势。SGC设计法将压实条件和交通量条件建立起更加密切的关系, 以旋转压实方式成型试件, 减少了集料在压实过程中的破碎, 集料形状排列更接近于实际路面情况。其以体积参数作为控制指标的混合料设计方法尤其具有特色, 与Marshall设计方法中的稳定度、流值等控制指标不同, 在SGC体积设计方法中, 重点考虑的是集料与集料之间以及集料与结合料之间的体积比例。

GTM试验设计法是提供高抗剪强度沥青混合料的一种设计方法。GTM旋转压实仪成型试件的原理和SGC设计法基本相同, 但压实功大于SGC设计法。GTM旋转压实仪根据路面所承受的轮胎接地压强设定垂直压力, 变化揉搓旋转角度。通过对试件进行充分的揉搓、压实, 降低沥青膜厚度, 使试模中的沥青混合料密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的密实度。以推理的方法来设计沥青混合料, 一旦试件成型完毕, 不用进行另外强度实验即可得到混合了的设计密度和沥青用量。

通过GTM试验, 可得到确定最佳沥青用量的3个技术指标, 其分别为:

a.试件压实到平衡状态时的密度;b.旋转压实稳定值GSI (即最终应变与中间最小应变比, GSI应该小于等于1) , 检验沥青混合料在被压实到平衡状态时是否会出现塑性变形;c.安全系数GSF (即抗剪强度除以剪应变, GSF应该大于1) , 检验沥青混合料被压实到平衡状态时的抗剪强度是否达到沥青路面所需的剪应力。

2 采用三种试验设计方法确定最佳沥青用量

2.1 Marshall试验设计法

按照沥青与沥青混合料的试验规程, 材料和级配选定后, 配料进行Marshall击实成型试件。沥青用量选用3.0%~5.0%, 间隔沥青用量为0.5%, 进行Marshall试件的物理指标测定, 再进行沥青混合料的力学试验, 通过各试件的稳定度、流值、密度、饱和度、矿料间隙率等指标与沥青用量的关系图, 确定沥青用量范围, 然后根据不同地区气候条件进行最佳沥青用量的确定。

2.2 GTM试验设计法

GTM试验设计法采用美国工程旋转压实剪切试验机 (GTM) 进行混合料配合设计。根据规范ASTMD33887-96, 选用不同的沥青用量进行GTM旋转压实试验, 确定的沥青用量范围3.4%~3.9%, 最佳沥青用量为3.6%, 相应密度为2.4808/立方厘米。

2.3 SGC试验设计法

按照superpave水准1沥青混合料设计规范, 在进行最佳沥青用量确定时, 先根据不同粒径的集料密度, 采用superpave的一系列公式计算出初始沥青用量, 并在初始沥青用量下旋转压实试件成型, 根据道路实际交通量确定试件最小、设计和最大旋转压实次数, 通过压实次数与高度的关系图确定出估算沥青用量, 再在估算沥青用量范围内选取4种不同沥青用量进行旋转压实, 测定试件的技术指标 (如空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等) , 最后根据混合料的技术指标与沥青用量的关系图确定空隙率为4%下的最佳沥青用量。

2.4 试验分析

为了便于分析, 现将各试验方法确定的最佳沥青用量汇总于表1。

由表1可以看出, 3种试验方法中, Marshall试验设计法确定的最佳沥青用量最大, GTM试验设计法最小, SGC试验设计法介于中间。沥青用量与沥青混合料路用性能密切相关, 在高温条件下, 沥青结合料的劲度降低, 尤其在沥青用量高的情况下, 沥青结合料的润滑作用更加突出, 严重影响沥青混合料的高温强度, 降低沥青混合料的高温抗变形能力。

基于沥青混合料的高温性能, Marashall试验设计法确定的最佳沥青用量过大, 导致其高温性能相对较差。GTM确定的最佳沥青用量比Marshall和SGC确定的最佳沥青用量都要小, 虽然GTM可以得到很密实的混合料, 但很干燥, 沥青用量少, 混合料容易松散, 其抗疲劳性能很差。虽然减少沥青用量可以提高沥青混合料的高温稳定性, 但是仅仅是通过减少沥青用量来提高路面抗车辙能力并不是一个明智的选择。SGC试验设计方法不但克服了Marshall试验设计法的不足, 将Marashall试验的击打方式改为旋转压实的成型方式, 而且由于其确定的最佳沥青用量介于GTM和Marashall试验确定的最佳沥青用量之间。不但提高了沥青混合料的抗车辙性能, 而且在保证混合料的疲劳性能方面也作了一定的考虑。

将沥青用量控制在一个合理的水平内, 可以有效降低车辙发展速率, 延长路面使用寿命。由于试验设计方法上存在很大的差异, 很难在它们之间建立非常有效的对应关系, 还有待于进一步研究和完善。

5 结论

5.1 3种设计方法中, Marshall设计法确定的最佳沥青用量最大, GTM设计法最小, SGC设计法介于中间。由于试验设计方法上存在很大的差异, 很难在它们之间建立非常有效的对应关系, 还有待于进一步研究和完善。

5.2通过分析比较, 3种试验设计方法各有利弊, 但GTM和SGC试验设计法以旋转压实方式成型试件, 减少了集料在压实过程中的破碎, 集料形状排列更接近于实际路面情况。

5.3基于保证沥青路面的高温性能, 建议在Marshall试验设计法确定的最佳沥青用量的基础上再减少0.15%。

5.4 SGC试验设计方法确定的最佳沥青用量介于GTM和Marshall试验设计法之间。不但提高沥青混合料的抗车辙性能, 而且在保证混合料的疲劳性能方面也作了一定的考虑。

参考文献

[1]张争奇, 梁晓莉, 李平.沥青老化性能评价方法[J].交通运输工程学报, 2005, 1.

[2]张争奇, 王永财.沥青胶浆对沥青混合料高低温性能的影响[J].长安大学学报 (自然科学版) , 2006, 2.

[3]齐琳.采用间接拉伸试验评价沥青混合料低温性能研究[D].西安:长安大学, 2006.

试验设计方法在结构优化中的应用篇8

结构优化设计的目标在于寻求既安全又经济的结构形式。至今结构优化设计已给工程界带来了巨大的经济效益,且由于有限元的应用相对成熟和计算机的广泛应用,人们对结构优化设计的研究和应用更加关注。目前已有多种结构优化设计的方法和算法[1,2,3]。为了寻求新的算法,本文参考了试验设计方法[4],试验设计总是力求用最少试验次数达到最佳试验效果,这与优化的思想一致。主要研究了1978年由王元和方开泰教授提出的“均匀设计”,这是一种仅考虑试验点在试验范围内均匀散布的试验设计方法。采用“均匀设计”安排试验时,每个因素的每个水平仅做一次试验,解决了用最短时间和最少次数达到完整全面的试验效果这一难题。均匀设计已广泛用于军事工程、医药工业、化学工业和电子工业等诸多领域,取得了显著成效。本文尝试将均匀设计原理和方法引入结构优化设计问题中,也得到了较好的结果。

1 均匀设计及在结构优化中的应用

均匀设计是通过均匀设计表进行试验设计的。每一个均匀设计表是一个方阵,设方阵有L行n列,每一列是{1,2,…,L}的一个置换(即1,2,…,L的重新排列),表的第一行是{1,2,…,L}的一个子集,但不一定是真子集。均匀设计表记为UL(Ln)。其中,L表示试验数,也表示表的行数;n代表试验的因素数,也表示表的列数,本文采用的均匀设计表是用“好格子点法”[4]构造的:给定试验数L,寻找h(h<L),使L与h互质,h的个数决定表的列数。表中第i行j列元素记为uij,其递推公式如下:

其中,i=1,2,…,L。

若在某项试验中,要求各因素相加为一定值,欲寻求最佳配方,需要做配方试验或混料试验。由于各因素间不独立,上述均匀设计表就不适用了。由王元和方开泰教授用均匀设计思想来做的配方设计,生成配方均匀设计表,记为UML(Ln)。

其中,UM表示配方均匀设计。具体生成办法是:给定L,生成均匀设计表UL(Ln),取表中前n-1列元素组成UL(Ln-1),新表中的元素记为qkl;计算Cki=(qki-1/2)/L,其中,k=1,2,…,L;再计算:

$x_{k i} = n (1 - C_{k i}^{\frac{1}{n - i}}) \prod_{j = 1}^{i - 1} C_{k j}^{\frac{1}{n - j}}$ 。

$x_{k n} = n \prod_{j = 1}^{n - 1} C_{k j}^{\frac{1}{n - j}}$ 。

其中,i=1,2,…,n-1;k=1,2…,L。则{xki}就给出了对应L,n的配方均匀设计表。

通常,优化需要三要素:初始迭代点,迭代步长和搜索方向。目前有多种算法来帮助寻找合适的搜索方向。本文借助均匀设计的思想,建立了一种新的算法,可以有效地寻找合适的搜索方向:即给定初始迭代点后,通过构造余表来提供可能的迭代方向。具体做法如下:

给定生成配方均匀表UML(Ln),其中每行元素之和都等于n,将每个元素减去1后得到的表本文称为余表,记为UNL(Ln),其中元素为ηij,可知: $\sum_{j = 1}^{n} η_{i j} = 0$ 。

余表的意义在于:给定一组变量u1,u2,…,un,满足 $\sum_{i = 1}^{n} u_{i} = n$ ,将其与余表某行元素的倍数(ε)叠加后得到一组值u*i1,…,u*in,满足 $\sum_{j = 1}^{n} u_{i j}^{*} = \sum_{j = 1}^{n} (u_{i} + ε η_{i j}) = n$ 。由此可见,ε相当于迭代步长,余表则从均匀性的角度提供了几种可能的优化方向,由计算结果的比较从中选择优化方向。

2 算例分析

2.1 体积约束条件下悬臂梁的刚度优化问题

如图1所示,一矩形等截面悬臂梁,长1 m,宽b=50 mm,高h0=100 mm,弹模E=210 GPa,自由端受荷载F=5 kN。梁最大挠度在自由端:wmax=1.89 mm。

假设梁宽度固定,高度是变化的,则优化问题表述为:

其中,n为梁所分段数;hi为第i段梁的高度。

2.2 优化过程及结果

给定某一L,生成余表UNL(Ln)。将梁等分成n段,以h0=[1,1,…,1](即等厚度杆)为初始迭代点,选择合适的步长ε,将h0=[1,1,…,1]与余表各行元素的ε倍叠加后得到一新表,表中每行元素均代表了初步迭代后杆的一种厚度分布,这组厚度分布就代表了一个可能的迭代点。从新表中L个可能的迭代点中选择最优点作为下一次迭代的起始点,重复上述过程,多次迭代得优化后的厚度分布(优化过程中未考虑梁的强度问题)。

优化后梁的最大挠度wmax=1.47 mm,比同体积的等截面梁的最大挠度降低了22.22%。优化后梁的形状如图2所示。优化过程中自由端端部单元刚度随迭代步数的变化规律如图3所示。最大位移随迭代步数的变化规律如图4所示。

3 结语

为了合理地选择优化过程中的迭代方向,提出了余表的构想。从理论上讲余表是从n维灵敏度空间中以均匀设计的思想寻求最佳搜索方向,利用均匀设计可以剔除灵敏度中非重要因素,这与优化中的灵敏度分析方法是一致的。但将均匀设计引入到结构优化问题中只是一种尝试,仍有很多问题需做进一步探讨,如迭代中步长如何最佳确定以及当所取单元数目不同时,各设计表之间如何建立联系等问题都是有待探索的问题。

参考文献

[1]唐焕文,秦学志.最优化方法[M].大连:大连理工大学出版社,1994.

[2]陈宝林.最优化理论与算法[M].北京:清华大学出版社,2002.

[3]OLHOFF N,TAYLOR J.On structural optimization[J].Ap-plied Mechanics,1983,50(4b):1139-1151.

[4]方开泰.均匀设计与均匀设计表[M].北京:科学出版社,1994.

试验设计方法篇9

1 医疗器械临床试验

医疗器械临床试验分为医疗器械临床试用和医疗器械临床验证。医疗器械临床试用是指通过临床使用来验证该医疗器械理论原理、基本结构、性能等要素能否保证安全性、有效性。医疗器械临床验证是指通过临床使用来验证该医疗器械与已上市产品的主要结构、性能等要素是否实质性等同,是否具有同样的安全性、有效性。医疗器械临床试用的范围:市场上尚未出现过,安全性、有效性有待确认的医疗器械。医疗器械临床验证的范围:同类产品已上市,其安全性、有效性需要进一步确认的医疗器械。所以,本次试验为临床验证。

2 医疗器械临床试验的制定原则

遵照人类的伦理道德原则,选择和实施人体试验应该遵循“世界医学大会赫尔辛基宣言之人体医学研究的伦理准则”,其第13条规定:每项人体试验的设计和实施均应在试验方案中明确说明,并应将试验方案提交给伦理审批委员会进行审核、评论、指导,适当情况下进行审核批准。该伦理委员会必须独立于研究者和申办者,并且不受任何其他方面的影响。第16条规定:每项人体医学研究开始之前,应首先认真评价受试者或其他人员的预期风险、负担与受益比。这并不排除健康受试者参加医学研究,所有研究设计都应公开可以获得[4]。

3 DC-CR 2005计算机X线影像板扫描仪临床试验方案

3.1 临床试验的背景

CR系统是数字化影像设备,它提高了放射影像技术的水平,在我国三甲医院已使用多年,取得了明显的经济效益和社会效益。DC-CR 2005系统是由我国自主研发,拥有全部的自主知识产权,各项性能指标已达国际同类产品的水平,性能价格比高,适于我国广大城乡医院使用。其企业标准、各项性能指标都已经得到北京市卫生医疗部门审核确认。

3.2 产品的机理、特点与试验范围

3.2.1 机理

CR系统是将传统的X射线摄影数字化的医疗设备。它采用可重复使用的IP板代替X线胶片进行拍摄,用激光飞点扫描激发IP板存储的影像信息,经光电放大后计算机采集,数字化的影像由显示屏显示。

3.2.2 特点

本产品利用图像处理技术,方便医生反复观察影像,利于诊断;由于影像数字化既节约胶片又方便存储,还可利用网络进行远程会诊,对广大城乡医院十分有用。

3.2.3 试验范围

本临床试验受试者为门诊需要进行X射线诊断的患者,诊断部位分别采取胸部正位、腹部正位、头颅侧位、腰椎正侧位、膝关节正侧位进行摄片。

3.3 产品的适应证和功能

3.3.1 适应证

产品适用于常规X线摄影。

3.3.2 功能

将X线影像数字化,由计算机显示器显示X光影像,利用医学图像处理技术,方便医生观察和诊断病情,并可进行远程医疗会诊。

3.4 临床试验的项目内容和目的

本临床研究的主要目的是通过与进口日本柯尼卡170型CR系统的图像显示结果对比,评价DC-CR 2005计算机X线影像板扫描仪对于临床诊断的有效性和安全性。

3.5 总体设计

3.5.1 试验方法

采用自身对照的试验设计方法,即用同一例受试者使用同一X线机,采用相同的投照条件,使用本试验仪器IP板和柯尼卡IP板投照后,分别在本试验仪器和对照仪器(日本柯尼卡REGIUS Model 170型CR)上扫描出影像,然后在各自的诊断显示器上,评价二者的影像质量及诊断的一致性和临床适用性。在仪器应用的同时,进行仪器的运行性能和不良事件的评价。

3.5.2 试验产品

产品名称:计算机X线影像板扫描仪;型号:DC-CR2005;生产厂家:北京迪康医疗设备有限公司。

3.5.3 对照产品

产品名称:日本柯尼卡CR系统;型号:REGIUS MODEL170;生产厂家:日本柯尼卡美能达。

3.6 制定试验相关文件

其主要包括:(1)临床试验协议书;(2)试验和对照产品技术操作规程;(3)临床试验方案;(4)知情同意书;(5)病例观察表;(6)伦理委员会审批件。

3.7 设立专职临床试验监察员

由实施者派出1名人员作为本试验临床监察员。

3.8 试验成功和失败的可能性分析

3.8.1 试验成功可能性分析

本试验仪器已经通过国家规定的医疗器械产品注册标准,在临床应用中属于无创检查,因此患者接受的可能性极大。试验组织者和实施者均为熟悉临床验证的专业人员,试验严格按照国家药品食品监督管理局《医疗器械临床验证规定》执行,从产品的质量和临床技术上为试验的成功奠定了基础。同时,我院门诊各类病种病员充足,能满足本试验的需要。

3.8.2 试验失败可能性及采取的相应措施

试验的失败原因可能有:患者不愿接受连续2台仪器的检测;所测量的数据、所形成的图像质量较差,无法进行正确的诊断;仪器软硬件故障导致无法完成本临床试验;病例选择不当等。

采取的相应措施有:加强与受试者的沟通,获得其充分理解和配合,并在试验前签署知情同意书;选择临床经验丰富并获得中高级技术职称的临床医师进行操作;加强试验期间的监护和仪器的保养;严格按照试验方案入选标准筛选;同时,给予受试者一定的经济补偿。

3.9 临床评价标准

3.9.1 影像成像质量评价标准

根据放射科质量管理与控制诊断学,要求影像显示标准系指在照片影像上能显示特别重要的解剖结构和细节,并用可见程度来表征其性质。可见程度的表征分3级。甲级:清晰显示,解剖学结构的细节能清晰辨认,即细节清晰;乙级:显示,解剖学结构的细节可见,但不能清晰辨认,即细节显示;丙级:可见,解剖学结构可探知,但细节未显示,只特征可见。

3.9.2 临床诊断评价标准

A:完全清晰;B:部分清晰,但不影响诊断;C:部分清晰,影响诊断;D:严重影响诊断。

3.9.3 试验仪器稳定性评价标准

稳定:试验期间系统设备工作正常,没有发生故障;较稳定:试验期间系统设备工作正常,发生故障但不影响使用;不稳定:试验期间系统设备不能工作正常,影响使用。

3.9.4 安全性评价标准

记录临床试验期间所发生的不良事件,并判断与试验仪器的相关性,计算不良事件发生率。

3.1 0 临床试验持续时间及其确定理由

持续时间:4个月左右,其中包含试验方案的制定约1个月,初步确定临床试验持续时间为1个月,另需预留时间进行数据分析和总结报告的撰写。

3.1 1 每病种临床试验例数及其确定理由

临床试验中我们选择X线拍片评价的部位为胸部正位、腹部正位、头颅侧位、腰椎正侧位和膝关节正侧位5个部位,选择原因如下:

胸部正位:选择胸部正位片是因为它是门诊患者申请量最大的片种,具有典型的代表意义。

腹部正位:选择腹部正位片是代表仪器对软组织诸如肠梗阻等疾病的成像能力。

头颅侧位:选择头颅侧位片是代表仪器对精细骨组织的成像能力。

腰椎正侧位和膝关节正侧位:代表仪器对运动骨组织的成像能力。

上述部位是人体的主要部位且经常发生疾病,体厚且解剖结构复杂,其影像质量是否达到诊断要求是CR系统有效性最有利的依据。每个部位拟入选30例,能满足统计学最少样品量的要求。

3.1 2 选择对象范围、数量及理由

3.1 2. 1 入选标准

(1)住院或门诊患者,需要进行X线诊断者;(2)年龄18～80岁,性别不限;(3)若受试者符合多个部位拍片条件,只能选择一个部位参加本试验;(4)受试者自愿参加试验,受试者或其法定代理人签署知情同意书。

3.1 2. 2 受试者排除标准

(1)有严重骨伤或移动极其不便者;(2)不易合作或精神不正常者;(3)可能存在骨髓抑制者,如近期内接受放化疗者;(4)研究者认为不适合进行X线检测者。

3.1 2. 3 剔除标准

(1)无法顺利完成试验而被迫中途终止试验者;(2)受试者要求退出本临床试验。

3.1 3 临床性能的评价方法和统计处理方法

临床评价方法分为胶片成像级别和临床诊断级别评价。使用SPSS 12.0统计软件对试验仪器和对照仪器的胶片成像级别和临床诊断级别做配对t检验,在α=0.05水平,检验差别P≤0.05时有统计学意义。

3.1 4 试验数据管理

3.1 4. 1 试验过程中源资料和源数据的记录

试验过程中源资料和源数据的记录是指受试者的门诊病历及相关检查数据和试验记录数据。所有资料和试验数据均应详细、完整、准确记录,任何人不得伪造、销毁和任意涂改。试验记录表或记录纸应保持完整,妥善保存,不得缺页或挖补,如有缺、漏页,应详细说明原因并记录在案。试验记录数据保存在硬盘的统一目录中并有备份,试验结束后将试验数据制作成光盘保存。

3.1 4. 2 不良试验数据的处理

不良试验数据是指由于操作不当、产品故障等非正常中断试验等原因记录的数据。不良试验数据不作为试验有效性评价统计分析的试验数据。对不良试验数据应仔细分析原因,如实填写不良试验数据记录表,记录试验时间、原因和采取的措施。不良试验数据应保存在硬盘指定的不良试验数据目录中并备份。由于产品故障原因产生的不良试验数据应登记产品故障统计记录表,记录导致产品故障的原因,对产品故障作统计处理。

3.1 4. 3 诊断结论

本临床试验中任何书面和口头的诊断结论所参考的依据应为对照仪器产生的数据,并且不应受到试验仪器所产生数据的影响。

3.1 5 受试者知情同意书

在受试者参加本试验前,应先与受试者或其家属说明本试验目的、内容、过程、受益和可能的风险,征得书面同意后方能实施。

知情同意过程应由试验者和受试者或法定代理人在指定的环境中进行,避免其他人为因素干扰,互相尊重,共同协商,取得受试者充分了解和完全同意。

受试者或法定代理人在知情同意书上签署姓名和日期,执行知情同意过程的试验方代表也需要在知情同意书上签署姓名和日期。

3.16各方承担的职责(略)

见国家食品药品监督管理局令第5号《医疗器械临床试验规定》。

3.17临床试验人员姓名、职务、职称和任职部门表格(略)

医疗器械临床试验人员应当具备以下条件:(1)具备承担该项临床试验的专业特长、资格和能力;(2)熟悉实施者所提供的与临床试验有关的资料与文献。负责医疗器械临床试验的医疗机构应当确定主持临床试验的专业技术人员作为临床试验负责人。临床试验负责人应当具备主治医师以上的职称。

4 临床试验方案递交医院伦理委员会进行审核批准

伦理委员会人员组成中应有临床医学专家、药学专家、医学工程专家、行政专家、法律专家、心理专家等。医疗器械临床试验的伦理审查主要考虑如下几点:试验的科学设计、试验的风险和收益、知情同意、受试人群的选择、受试者的医疗和保护[5]。方案若有修改,必须经伦理委员会同意。

5 医疗机构与实施者签署双方同意的临床试验方案,并签订临床试验合同

临床试验方案与合同双方签字盖章。合同内容包括临床试验费用的数额和支付方式等。

摘要：阐述了医疗器械临床试验方案的制定原则和具体的设计方法。通过介绍DC-CR2005计算机X线影像板扫描仪临床试验方案,详细论述了医疗器械临床试验的目的、背景、内容、方法、临床评价标准、临床性能的评价方法和统计处理方法、总体设计等,旨在提供临床试验参考方案,进一步规范医疗器械临床试验行为,提高医疗器械临床试验水平,保证临床试验结果真实、可靠。

关键词：医疗器械,临床试验,方案

参考文献

[1]惠培业,禹志霞,韩永娟,等.医疗机构器械不良事件风险成因及对策[J].医疗卫生装备,2009,30(6):89-90.

[2]徐研偌.论临床试验的充分和必要性——学习GHTF文件心得[J].上海食品药品监管情报研究,2007(5):36-39.

[3]国家食品药品监督管理局令第5号.医疗器械临床试验规定[S].

[4]第18届世界医学大会.世界医学大会赫尔辛基宣言——人体医学研究的伦理准则[S].

试验设计方法篇10

不同《试验设计与与数据处理》教材的内容差别较大,对于不同专业的学生来说,可以选择与其专业密切相关的教材。对许多高校来说,普遍存在课时少、任务重的问题[2,5],因此在课时少、任务重的情况下如何提高教学质量是一个值得深入探讨的问题。

1 教材选择

目前,《试验设计与数据处理》课程可选用的教材颇多,教材名称一般为《试验设计与数据处理》或《实验设计与数据处理》。前者如李云雁等编著的适合化工、轻工、材料、制药、食品、生物、环境、农林等专业的“十一五”规划教材;邱轶兵编著的适合材料、矿业、化工、医药、食品、机械、农林等相关专业的21世纪高等院校教材;潘丽军和陈锦权主编的适合化工、材料、制药、食品、生物等专业的《试验设计与数据处理》教材等。后者主要包括刘振学等编著的适合化学化工、矿物加工、医学、环境学等专业使用的教材;张成军主编的适合化学化工、矿物加工、医学、环境等专业的教材;曹贵平等主编的适用于化工相关专业的《化工实验设计与数据处理》教材;在实际教学中可根据学生的专业特点与学校的实际情况选用合适的《试验设计与数据处理》教材。我院目前设有化学教育、应用化学和材料化学三个专业。结合我院学生专业情况,我院在众多教材中选择了李云雁等编著的《试验设计与数据处理》作为教材。该教材经过第二版印刷,添加了一些新内容,本书结合大量实例,介绍了一些常用的试验设计及试验数据处理方法在科学试验和工业生产中的实际应用,并介绍了计算机在试验数据处理中的强大功能,内容覆盖面广,实例丰富,图文并茂,是一本可以作为化工、食品、制药、生物、材料、轻工、环境、农林等相关专业本科生或研究生的教学用书。

2 合理设置教学内容

《试验设计与数据处理》是一门工具课,其教学目的主要是让学生掌握《试验设计与数据处理》中各种试验设计与数据处理的方法原理及其在工农业生产中的实际应用。专业不同,对这门工具课的需求不同,因此,在教学中需要根据专业特点而区别对待,讲授的内容侧重点应该有所不同。如在应用化学和材料化学等专业教学中可以补充一些化工产品配方优方案确定方面的内容,在实例中可以详细讲授一些化妆品、涂料等最佳配方的试验方案的设计方法与数据处理方法方面的内容。

3 教学方式探讨

由于《试验设计与数据处理》涉及到的图表繁多,公式推导过程复杂,为了简化计算,有时一些数据的处理需要借助计算机软件来完成。计算机软件技术在复杂公式推导、数据处理和试验方案优化方面表现出了极大的优势,可以省去繁杂的计算步骤,迅速得到处理结果和试验的优方案,不仅节省了时间,而且同学们也更容易掌握,因此传统的“黑板加粉笔”的授课方式已无法满足这门课的教学要求。

3.1 计算机辅助教学

计算机在《试验设计与数据处理》中的主要应用是利用多媒体工具和计算机软件来辅助教学。对各种方法的原理、方案设计步骤和试验处理过程,可以通过多媒体课件直观地展现出来,这种直观的展现使老师易于讲解,学生也易于理解与掌握,从而可以提高教学效率。主要利用Excel的图表功能和函数功能解决实际问题,在处理比较复杂的运算、进行方差分析和回归分析时,则更显示出计算机软件的优势。对大多数专业学生来说,课时少、任务重,利用多媒体和计算机软件可明显提高教学效果。如在均匀设计试验中[1]:其中有一个例题是为了制备高吸水性树脂,目的是提高树脂吸盐水的能力,其中考察了丙烯酸用量(x1),引发剂用量(x2),丙烯酸中和度(x3)和甲醛用量(x4)四个因素,每个因素取9个水平,让求出回归方程、确定优方案并进行统计分析。若直接根据试验数据推导回归方程,则计算量很大,如果利用Excel中的回归分析则相当简便,学生也很容易掌握这一处理方法。所以在教学过程中,尽量应用计算机软件来完成试验方案的设计和数据处理。

3.2 具体授课方式讨论

李云雁等主编的《试验设计与数据处理》教材共有9章,对于多数专业学生来说,课时一般较少。以我院为例,课时只有36学时,基本上每4课时要讲授1章内容,因此,面面俱到是无法达到的,特别是具有大量的公式推导及计算过程,势必涉及到大量的计算,烦琐费时,学生难懂。既然该课程是一门工具课,开设这门课的主要目的是让学生熟悉和掌握试验设计的一般步骤和试验数据处理的方法。因此,复杂的计算步骤可以不要求学生掌握,在教学中也可以忽略板书推导过程,这些计算完全可以用Excel的函数功能来处理,处理过程简便,学生也更容易掌握。由于我国大学教学主要存在的问题是学生缺乏主动性和创造性[7],为了弥补这一不足,可以采用多层次、立体化的教学模式。在课堂上以实际问题的处理来激发学生的学习热情,让学生积极参与,产生良好互动[8]。授课主线可以按照各种方法的基本原理、应用范围和应用实例这一主线来讲授。课堂授课主要以现场示范为主,一些公式的推导过程可以一笔带过,重点讲授图表的制作和处理软件的应用,这一过程通过实例在课堂上用Excel或者Origin工具现场示范,从而让学生学习实际问题的处理方法和处理过程。课下可以给出几道练习题,让学生用计算机软件进行处理,既及时复习了课堂上学到的知识,又学会了软件的使用方法,可以达到良好的教学效果。

4 上机实践

《试验设计与数据处理》是一门重要的工具课,学习这门课的主要目的是应用《试验设计与数据处理》的方法原理及计算机软件来处理试验设计和试验结果的实际问题,因此上机实践是学好这门课非常重要的一环[4,8]。上机实践课时可以与理论课占有相同的比重,每一章节的内容均有上机实践。在上机实践课上可以练习课堂上涉及到的配方实验设计问题。对几种主要试验设计方法的掌握首先可以从模仿教材例题中的试验内容入手,然后再自主设计试验,完成实验并对结果进行统计处理,从而提高学生对几种常用试验设计方法的深入了解与掌握。并且对那些对试验设计与数据处理具有浓厚兴趣的学生可以进行全程培养。以均匀设计为例[1],其基本步骤一般包括下面几个方面:(1)明确试验目的,确定试验指标;(2)选因素;(3)确定因素的水平;(4)选择均匀设计表;(5)进行表头设计;(6)明确试验方案,进行试验;(7)试验结果统计分析。可以让学生按照这一方法给出一种涂料配方的优方案,考察3~4个影响因素,每个因素取9~10个水平,按照均匀设计的这一步骤进行试验设计,从方案的制定到方案的实施,再到试验及试验结果的统计分析让学生自主完成。这样有利于学生独立思考问题、分析问题和解决问题能力的培养。

5 课程考查

既然这门课程是一门工具课,其主要目的是让学生掌握这门工具课的实际应用,因此课程考查最好以实际应用为主体,即考查学生对图表制作、数据处理及几种试验设计方法基本步骤的掌握,以能处理实际问题为导向。因此,课程考查最好以机考为主,笔试为辅。但由于条件所限,多数学校的课程考查仍然是以笔试为主,这也是大家需要改进之处。

6 结语

《试验设计与数据处理》教学方法是值得广大教育工作者深入研究的问题,是一项艰巨而长期的任务。由于我国在《试验设计与数据处理》方面的研究与应用相对起步较晚,从而使这门科学的普及程度及重视度不够,在一定程度上影响了我国科技水平的提高和经济的发展。虽然多数高校已经开设了这门课程,但由于条件所限,目前许多高校还没有上机实践这一环节,从而造成学生不能掌握这门工具课的实际应用,特别是对于工科类学生来说,更应该重视这门工具课。在授课中,不应只注重于《试验设计与数据处理》方法基本原理和公式推导的讲授,而应该让学生掌握各种试验设计与数据处理方法的实际应用,主要借助Excel和origin来完成。同时应该通过阅读相关资料和文献,补充一些实例以增加同学们对几种优选方法的理解与掌握。对学有余力和对《试验设计与数据处理》具有浓厚兴趣的学生,可以深入培养,培养其对其他常用统计软件的掌握及几种常见

设计方法整个过程的掌握,从而开阔学生的视野,培养学生的创新性思维,为培养试验设计人才奠定基础。

参考文献

[1]李云雁,胡传荣.试验设计与数据处理(第二版)[M].化学工业出版社,2008:1,165-166.

[2]马萍,郑丽娜,曹冬梅.试验设计与数据处理课程教学改革初探[J].农产品加工,2010(5):93-94.

[3]林立,熊文高,尹志芳,等.“试验设计与数据处理”课程教学的思考[J].广州化工,2009,37(9):238-239.

[4]许彬,薛刚,李慧星,等.生物工程专业试验设计与数据处理课程教学对策[J].农业基础科学,2010(17):31-33.

[5]陈红,黄海东.《试验设计与数据处理》课程教学改革的探讨[J].农机化研究,2004(2):266-267.

[6]李延伟,姚金环.浅谈化学化工专业试验设计与数据处理课程教学方法[J].广东化工,2008,35(8):176-178.

[7]苏小东,贾云.谈仪器分析实验阶段教学[J].重庆科技学院学报:社会科学版,2010(2):172-173.

基于白车身的模态试验方法分析篇11

（东风汽车公司技术中心，襄阳 441004）

近年来，随着科技的进步，试验模态分析技术取得了快速的发展，受到了汽车行业的高度重视，已经成为解决汽车振动噪声问题的必备工具［1］。

目前，基于模态试验的车身结构分析大多采用单输入多输出的SIMO试验法完成。但是由于SIMO法自身的局限性，从20世纪80年代开始，陆续出现了一些多输入多输出（MIMO）的模态参数识别方法。

对于白车身模态试验而言，SIMO法的激励能量是否足够，是否会丢失一些重要的整体模态，MIMO法是否会得到更理想的试验结果，对于常规的乘用车白车身模态试验，究竟哪种试验方法更适用？这些问题目前还没有确定答案［2-3］。

本文针对某一指定车型白车身（不带附件）分别进行SIMO和MIMO测试系统条件下的试验模态分析，即分别用SIMO法和MIMO法对该指定车型进行试验模态分析。将两次试验获得的测试结果进行对比分析，研究采用两种方法得到的模态参数的差异，从而为以后针对不同的试验对象确定更好的模态试验方法积累相关经验。

1 模态试验分析

为研究SIMO和MIMO测试系统条件下的试验模态分析结果差异，本文选取某一指定车型白车身作为试验样品，先后用SIMO法和MIMO法对其进行试验模态测试。

1.1 模态试验测试［2，3］

本次试验选择自由模态方式。

为保证试验结果可比性，本次试验的两次测试选用同一样品，并确保悬挂点、悬挂方式、响应拾振点、模态识别原则等其他测试、分析条件相同，以期最大可能的实现两次测试仅激励状态存在差异。试验测试条件详情见表1。

本次试验通过移动传感器分批进行测量，相干函数和频响函数同步观察，对相干函数紊乱的测点要重新测量。

表1 试验测试条件详情表

依据试验要求依次对样品进行测试，获得试验结果见图1～图4。

1.2 模态参数估计

对所得试验数据进行模态参数估计，获得模态测试结果，其中测试1获得12阶模态振型，测试2获得13阶模态振型。主要模态测试结果见表2。

表2 模态测试结果

模态参数估计后，获得样品模态试验的MAC图，见图 5、图 6。

1.3 试验结果分析

本次试验针对某一指定车型白车身（不带附件）分别进行SIMO和MIMO测试系统条件下的试验模态分析，得出如下分析结论。

1）两次试验存在多个频率相同或相近，振型相同的模态振型，具体见表3。

表3 频率相同或相近，振型相同

2）两次试验存在多个频率相同或相近，振型相似的模态振型，具体见表4。

表4 频率相同或相近，振型相似

3）本次试验，测试1获得12阶模态振型，测试2获得13阶模态振型，且测试1获得的全部12阶振型在测试2中均可找到相同或相近振型与之对应。各阶振型对应情况见表5。

表5 各阶振型对应情况一览表

4）由幅频特性图，两次试验在频率≤60 Hz时，幅频特性曲线基本一致，在60～100 Hz之间，幅频特性曲线虽有一定差异，但总体差异不大。

5）由相干曲线图可知，测试2获得的相干明显好于测试1所得相干。

6）两次试验相同或相近频率对应获得的阻尼比差异不大。

7）综合分析试验操作过程及试验数据后处理结果，认为本次试验所得数据有效。

2 试验分析

本次试验分别用SIMO法和MIMO法对某一指定车型白车身（不带附件）进行试验模态分析，对比试验结果，得到如下结论。

1）两次测试获得试验数据存在极大相似度。尤其是对于整体一阶垂直弯曲变形，整体一阶扭转变形，以及整体沿Z向收缩膨胀变形等典型的白车身模态振型的识别，两次测试获得试验结果无明显差异。

2）本次试验，测试1获得12阶模态振型，测试2获得13阶模态振型，且测试1获得的全部12阶振型在测试2中均可找到相同或相近振型与之对应。而测试2中有一阶模态振型在测试1中无相同或相近振型与之对应，亦即较之测试2，测试1存在丢失的模态振型。

3）从幅频特性曲线图，相干曲线图，以及测试数据后处理得到的MAC图，振型清晰度等存在的差异可以看出，本次试验测试2得到的试验结果优于测试1到的试验结果。

3 结论

本文针对某一指定车型白车身（不带附件）分别进行SIMO和MIMO测试系统条件下的试验模态分析，并对获得的试验结果进行对比分析，研究两种测试方法下获得的试验结果差异，以期能够针对不同的试验对象确定更好的模态试验方法。本次试验结论如下。

1）两种测试方法均能较好的识别整体一阶垂直弯曲变形，整体一阶扭转变形等典型的白车身模态振型，且试验结果差别不大，因而当试验目的为仅对样品整体一阶垂直弯曲变形，整体一阶扭转变形等典型振型进行分析时，SIMO法足可以满足试验要求。

2）从试验结果看MIMO法较之SIMO法存在一定优势，因而当对样品进行精确、详尽分析时，建议使用MIMO法进行试验模态分析。

［1］陈永新，谭继锦，陈剑，汪文江.轿车白车身模态试验研究［J］.汽车技术， 2007， 11：45-48.

［2］沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯著，白化同，郭继忠，译.模态分析理论与试验［M］.北京:北京理工大学出版社，2001.

试验设计方法篇12

1 拉丁超立方方法简介

拉丁超立方方法是一种基于随机数学理论的数学方法。相对于传统的随机采样方法来看, 拉丁超立方方法引入了“分层”的概念, 它将采样值在整个样本空间随机分布的同时, 也可以保证不集聚, 即对于整个采样空间有很好的覆盖率。拉丁超立方方法的采样过程:首先必须要分层, 分层过程直接决定了采样值对于采样空间的覆盖程度;第二步进行采样, 采样的过程是要保证在分层后得到的每一个子域内都存在样品值, 即保证均匀性;第三步进行组合, 组合的过程是将各个子域内的样品随机配对, 形成样本;最后在所有的组合配对中进行筛选, 筛选的原则是对各个样本的位置随机抽取。通过上述步骤即可以得到拉丁超立方的采样结果。整个过程的优点在于既能够保证采样值的整体覆盖程度, 又可以保证采样的效率, 即减少采样的次数。

2 抽水试验方案设计

现欲在某场地进行双孔抽水试验, 需要确定18个抽水方案用于后续计算。已知两个抽水井的抽水量允许范围均为 (0, 2250m3/d) 。

2.1 传统随机方法的抽水试验方案设计

传统的随机方法属于完全随机的采样方法, 即在采样范围内完全随机的抽取样品。由于两个抽水井的抽水量允许范围均为 (0, 2250m3/d) , 因此采样范围是{1, 2, 3, (43) 2250}。经过随机抽取后, 可得到下列结果:

由下图可以明显看出, 传统的随机采样方法得出的结果, 有样品集聚的现象, 对于整个样本空间的覆盖程度不佳。

2.2 基于拉丁超立方采样方法的抽水试验方案设计

拉丁超立方采样方法在传统的随机采样方法的基础上, 添加了分层的概念, 是对传统随机采样方法的改进。具体步骤如下:

1) 由于需要确定18个采样方案, 因此确定出采样数目为18。分层时, 需要将采样空间分成18个子域, 即将 (0, 2250) 这个样本空间分成均匀的18个子域, 可得出每个子域的长度为125;

2) 在每个子域内采样:为了使后面的组合和筛选运算过程更加明确清晰, 先将抽水井A在18个子域内的取值从小到大依次定义为M101, M102, ……, M118。同理, 将抽水井D在18个子区间内的取值依次定义为M201, M202, ……, M218;

3) 将抽水井A与抽水井D在18个子域内的采样结果进行组合配对, 组合结果如下:M101 M201到M101 M218, M102M201到M102 M218, M118 M201到M118 M218, 共得到182=324种组合;

4) 筛选, 筛选过程也遵循随机原则, 最终的筛选结果如下图所示:

最后得到最终的采样结果, 即18个抽水方案为: