Optimisation et prédiction du comportement tribologique des composites de polytétrafluoroéthylène chargés à l'aide de modèles de régression de vecteurs de support hybrides de Taguchi Deng

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10393 (2022) Citer cet article

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Cette étude présente l'optimisation et la prédiction du comportement tribologique des composites de polytétrafluoroéthylène (PTFE) chargés à l'aide de modèles hybrides Taguchi et de régression vectorielle de support (SVR). Pour réaliser l'optimisation, Taguchi Deng a été utilisé en considérant plusieurs réponses et paramètres de processus pertinents pour le comportement tribologique. Le coefficient de frottement (µ) et le taux d'usure spécifique (Ks) ont été mesurés à l'aide d'un tribomètre à broche sur disque. Dans cette étude, la charge, la taille des grains, la distance et la vitesse étaient les paramètres du processus. Un réseau orthogonal L27 a été appliqué pour la conception expérimentale de Taguchi. Un ensemble de paramètres optimaux ont été obtenus en utilisant l'approche Deng pour des réponses multiples de µ et KS. Une analyse de variance a été réalisée pour étudier l'effet de paramètres individuels sur les réponses multiples. Pour prédire µ et Ks, SVR a été couplé à l'optimisation de Harris Hawks (HHO) et à l'optimisation de particules en essaim (PSO), formant respectivement les modèles SVR-HHO et SVR-PSO. Quatre mesures d'évaluation du modèle ont été utilisées pour évaluer la précision des prévisions des modèles. Les résultats de validation ont révélé une amélioration dans des conditions de test optimales. Les modèles SVR hybrides ont indiqué une précision de prédiction supérieure à celle du modèle SVR unique. De plus, SVR-HHO a surpassé le modèle SVR-PSO. Il a été constaté que les modèles Taguchi Deng, SVR-PSO et SVR-HHO conduisaient à une optimisation et à une prévision à faible coût et avec une précision supérieure.

Les composites à matrice polymère chargés (PMC) contenant des charges continuent de recevoir une attention particulière de la part des universitaires et des industries en raison de leurs comportements mécaniques et tribologiques modifiés par rapport aux polymères vierges1. Les composites à base de polymères ont montré une résistance tribologique améliorée2. Parmi les différents types de polymères, le polytétrafluoroéthylène (PTFE) chargé de fibres de carbone ou de bronze est largement utilisé en raison de son comportement mécanique élevé et de son faible comportement tribologique3. Il a été indiqué que ces composites conviennent dans des secteurs où les comportements tribologiques des pièces mécaniques, notamment des freins et des embrayages, sont importants4,5,6,7. Il a été généralement admis que la résistance tribologique des matériaux peut être améliorée en ajoutant davantage de charges jusqu'à une certaine limite8,9 aux polymères purs. Le polytétrafluoroéthylène (PTFE) est l'une des matrices thermoplastiques couramment utilisées pour les conditions d'usure en raison de son faible coefficient de frottement, de sa facilité de transformation, de son inertie chimique, de sa faible densité et de son faible coût10,11.

L'usure est l'un des problèmes les plus fréquemment rencontrés dans les industries, entraînant un remplacement fréquent des pièces, notamment l'abrasion. L'usure par abrasion de divers polymères et polymères chargés a été étudiée expérimentalement. Les taux d'usure par abrasion de différentes matrices ont été étudiés par 12 et il a été constaté que différents polymères présentaient des taux d'usure différents. L'inclusion de tissus de verre et de carbone dans le vinyle/ester a été analysée. Il s’agissait d’une combinaison vinyle/ester renforcé qui indiquait un taux d’usure inférieur à celui du composite vinyle/ester renforcé de verre et/ou de tissu de carbone13. Tel que rapporté par 14, la charge appliquée est considérée comme le paramètre de processus le plus important ; un taux d'usure réduit a été observé lorsque l'UHMWPE performant était renforcé avec des charges. Selon15, il a été constaté que la perte de masse et µ augmentaient avec l'augmentation de la vitesse et la diminution de la taille des grains pour les composites époxy chargés de noix de bétel.

Afin d'étudier les réponses multiples liées aux comportements tribologiques des composites, plusieurs méthodes de prise de décision incluant le développement de données, la hiérarchie analytique ainsi que l'analyse relationnelle grise (GRA) ont été proposées dans la littérature16. Parmi ces modèles, le GRA proposé par Deng en 1989 est la méthodologie la plus utilisée, notamment lorsque la nature de l'information n'est pas certaine et complète17. Dharmalingam, Subramanian et Kok ont ​​combiné l'analyse relationnelle grise (GRA) avec Taguchi pour optimiser la propriété tribologique abrasive des composites métalliques hybrides en aluminium. L'analyse de variance (ANOVA) a indiqué que la taille des grains était le paramètre qui avait le plus d'influence sur le taux d'usure et que la charge avait le plus grand effet sur le coefficient de frottement18. Sylajakumar et al.19 ont utilisé la méthode Taguchi-GRA pour étudier l'effet de la charge, de la vitesse et de la distance sur le coefficient de frottement et le taux d'usure du composite co-long. L'ANOVA a montré que la vitesse affecte de manière significative la propriété d'usure du composite co-continu. Savaran et Thanigaivelan20 ont optimisé la géométrie des fossettes et les paramètres du laser à l'aide de l'analyse en composantes principales (ACP) couplée au GRA. L'ANOVA a montré que la puissance moyenne contribuait le plus, tandis que la profondeur contribuait moins aux mesures de performance. Une méthode intégrée Taguchi OA et GRA a été appliquée pour optimiser les paramètres de moulage par injection des nanocomposites HDPE-TiO2 Pervez et al.21. Les travaux ont établi que les paramètres optimaux étaient la teneur en TiO2 à 5 %, la température du fût de 225 °C, le temps de séjour de 30 min et le temps de maintien de 20 s. Adediran et al. propriétés mécaniques optimisées des biocomposites hybrides renforcés de propylène à l'aide du modèle Taguchi. Il a été constaté que le collage de 4 % de PSS et de 10 % de fibres de kénaf produisait la combinaison optimale pour les biocomposites hybrides22. En outre, la méthode Taguchi hybridée avec la qualité relationnelle grise a également été utilisée pour l'optimisation multi-réponses de l'usinage par électroérosion par fil23, du processus de tournage24 et des paramètres de fraisage25.