插层熔喷非织造材料产品性能调控机制的研究
摘要
熔喷非织造材料是口罩生产中不可或缺的材料，新型的插层熔喷非织造材料可以解
决传统情况下产品压缩回弹性差的问题，但插层熔喷非织造材料制备工艺参数复杂，参
数间相互影响，如若可以建立工艺参数与结构变量、结构变量和产品性能之间的关系模
型，则可进一步掌握产品性能调控机制，助推该技术全面推广。
针对问题一，首先依据 3原则对数据进行异常值处理，并用均值代替，再进行数
据可视化处理，初步了解插层前后变量指标的变化趋势，然后构建插层变化率指标来分
析研究插层后结构变量、产品性能的变化规律；接着构建单因素方差分析模型分析插层
率对于参数的影响，计算得出厚度、孔隙率、弹性率的 p 值小于 0.01，过滤效率、透气
性 p 值小于 0.05，过滤阻力 p 值为 0.2，最后得出结论插层对厚度、孔隙率、弹性率的
影响非常显著，对过滤效率、透气性影响显著，对过滤阻力无显著影响。
针对问题二，首先采用多元回归模型拟合多项式定量确定工艺参数与结构变量之
间的表达关系，假设两者存在线性、纯二次、交叉、完全二次四种关系，通过最小二乘
法拟合参数，再通过均方根误差和回归平方和来选取最优关系，厚度、孔隙率与工艺参
数之间为线性模型，收缩回弹性率与工艺参数之间为纯二次模型，具体表达式见公式
（18）、（19）、（20）；然后我们建立 BP 神经网络模型，依据题目信息确定输入层、输出
层，通过公式（16）精确确定隐藏层，然后通过合理的划分训练集、测试集反复训练模
型，训练测试拟合效果良好均高达 0.97，最后利用已有模型完成了对结构变量的预测，
结果见表 3。
针对问题三，首先采用多元回归模型确定结构变量与产品性能之间的表达关系，具
体表达式见 (23)，然后采用相关性分析模型来探究结构变量、工艺参数之间的关系，绘
制组合散点图, 再对其进行显著性检验来判断是否存在统计上的显著性差异，通过检验
后计算秩相关系数，得出厚度与孔隙率两者显著性相关，而压缩回弹性与厚度、压缩回
弹性与孔隙率低度相关。产品性能中，三者互为中度相关；最后利用多元回归模型得到
的变量间表达式相互联立得出工艺参数和过滤效率之间的函数表达式，转化为目标规划
问题求得接受距离为 33.5cm，热风速度为 1068.3r/min, 过滤效率最高。
针对问题四，我们采用多目标规划模型，利用已知模型得出过滤效率与过滤阻力参
数的表达式，联立上述方程得出过滤阻力和过滤效率与工艺参数的参数关系，从而确定
了目标函数，结合题目实际确立约束条件，利用 NSGA-II 算法基于 matlab 求解此多目
标问题，得出 15 组最优解，根据实际生产需要，我们选择接受距离为 24.3386cm, 热空
气速度为 1253.2r/min 作为最优工艺参数应用于生产，此时过滤阻力为 27.2643Pa，过
滤效率为 56.2346%。
关键字：单因素方差分析 多元回归模型 BP 神经网络 秩相关系数 NSGA-
II 算法
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