[發明專利]一種針對口罩設計參數的多性能優化方法

有效

• 申請號: 202010314789.3
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111539161B
• 公開（公告）日: 2022-05-17
• 發明（設計）人: 曹小建;李靜;劉建林;李家亮
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06T17/00;G06F111/04;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 青島智地領創專利代理有限公司 37252
• 代理人: 陳海濱

1.一種針對口罩設計參數的多性能優化方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟1，選取口罩性能及口罩設計參數，口罩性能包括防護能力、呼吸阻力、氣密性，口罩設計參數包括口罩厚度、材料層孔隙率、面部貼合處縫隙大小，設置口罩綜合性能函數φ(x)中防護能力、呼吸阻力和氣密性的比重，其中口罩防護能力的加權系數為α、呼吸阻力的加權系數為β、氣密性的加權系數為γ，通過加權系數將口罩的防護能力、呼吸阻力和氣密性一體化，建立基于移動漸進算法的口罩設計參數優化模型；

步驟2，設置口罩設計參數值為利用三維激光掃描技術對口罩進行3D掃描，獲得與實物結構相同的3D掃描模型，利用計算流體力學分析軟件CFX，確定流體控制方程、多孔介質兩相流方法和湍流模型，根據口罩的3D掃描模型和口罩設計參數的初始值，建立口罩的CFD計算模型；

步驟3，基于移動漸進算法對口罩設計參數進行優化，利用口罩的CFD計算模型，通過設置邊界、流質流速、環境溫度及濕度，模擬口罩對外部流質的阻擋過程及呼吸、咳嗽、打噴嚏時口罩對佩戴者產生流質的阻擋過程，計算口罩內外粒子濃度差、口罩內外氣流壓力差和口罩與面部貼合縫隙處的流量值，并對口罩的防護能力、呼吸阻力和氣密性進行表征，得到無量綱化后的防護能力呼吸阻力氣密性利用無量綱化后的防護能力呼吸阻力氣密性計算口罩綜合性能函數φ(x^(k))及口罩綜合性能函數φ(x^(k))對口罩厚度、材料層孔隙率和面部貼合處縫隙大小的靈敏度再計算約束函數g(x^(k))及其對口罩厚度、材料層孔隙率和面部貼合處縫隙大小的靈敏度

步驟4，通過設置上移動漸近線和下移動漸近線建立嚴格的凸逼近子問題，公式如下所示：

其中，

式中，n為口罩設計參數總數，用于求取正的一階導數量的和，用于求取負的一階導數量的和；

針對各口罩設計參數的一階導數按照一階導數的符號劃分僅有一個上移動漸近線和下移動漸近線進入下次迭代循環前，對n個上移動漸近線和下移動漸近線進行修改，修改規則如下所示：

當k＝0或1時，

當k≥2時，

若時，

若時，

其中γ₁、γ₂、γ₃表示移動漸進系數，取值范圍為：

式中，表示設計參數x_i的閾值最大值，x_i表示設計參數x_i的閾值最小值；

步驟5，根據Kuhn-Tucker條件，設置拉格朗日乘子λ，通過構建拉格朗日函數將步驟4中對凸逼近子問題的求解轉化為求解拉格朗日函數的無條件極值，根據拉格朗日函數的極值條件更新口罩設計參數，確定新的口罩設計參數x^(k+1)；

步驟6，判斷口罩設計參數x^(k+1)是否滿足收斂條件max|x^(k+1)-x^(k)|≤1e-4；若不滿足收斂條件，則返回步驟2，利用新確定的口罩設計參數x^(k+1)繼續模擬進行迭代計算，若滿足收斂條件，則結束對口罩設計參數的優化，輸出口罩的最優設計參數x^(k+1)，確定最優的口罩厚度、材料層孔隙率和面部貼合處縫隙大小；

所述步驟1中，基于移動漸進算法的口罩設計參數優化模型如下所示：

式中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T為口罩設計參數，x₁為口罩厚度，單位為mm，x₂為材料層孔隙率，單位為％，x₃為面部貼合處縫隙大小，單位為mm；φ(x)為口罩綜合性能函數，為無量綱化后的防護能力，為無量綱化后的呼吸阻力，為無量綱化后的氣密性；α、β、γ為加權系數，α為防護能力的加權系數，β為呼吸阻力的加權系數，γ為氣密性的加權系數，加權系數α、β、γ必須滿足α+β+γ＝1；g(x)為口罩綜合性能函數φ(x)的約束函數，為口罩內粒子濃度，為口罩外粒子濃度，g(x)應在95％以上；

所述步驟2中，第k次迭代計算的口罩設計參數值為包括第k次迭代計算所確定的口罩厚度材料層孔隙率和面部貼合處縫隙值