[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

本發明公開了一種針對口罩設計參數的多性能優化方法。該方法通過將口罩的多個性能一體化建立口罩設計參數優化模型，結合口罩的設計參數與3D結構模型建立口罩的CFD計算模型，基于移動漸進算法優化設計參數，利用口罩的CFD模擬計算結果表征口罩性能，計算相關函數值及其對各設計參數的靈敏度，設置移動漸近線建立凸逼近子問題，構建拉格朗日函數，將求解凸逼近子問題轉化為求解拉格朗日函數的無條件極值問題，更新設計參數；判斷設計參數是否滿足收斂條件，若不滿足則繼續迭代計算，若滿足則輸出該設計參數為口罩性能要求的最優設計參數。本方法實現了多性能條件下對最優口罩設計參數的快速求解，對口罩的設計參數優化及性能提高具有指導作用。

技術領域

本發明涉及力學領域，具體涉及一種針對口罩設計參數的多性能優化方法。

背景技術

呼吸道傳染病主要通過咳嗽、噴嚏、飛沫、氣溶膠、接觸、近距離直接吸入呼出氣體等途徑進行傳播。口罩作為呼吸道疾病的常用防護用具，不僅可以防止患者呼吸、咳嗽、打噴嚏時產生的飛沫,降低患者噴出的飛沫含量和噴射速度；還可以阻擋含有病毒的飛沫核通過空氣傳播被健康的佩戴者吸入，保護健康的佩戴者，降低感染風險。

口罩需要具有良好的防護能力，阻擋飛沫中的病菌進入佩戴者的口鼻內，但長時間佩戴高防護能力的口罩會產生較大的呼吸阻力，容易引起佩戴者的呼吸功能障礙，造成佩戴者呼吸不適；同時，在口罩的佩戴過程中，口罩與面部的貼合縫隙大小也是評價口罩性能的重要指標，若口罩與面部貼合不緊密產生縫隙，空氣未經過濾即被人體吸收，增加了佩戴者的傳染風險。

因此，口罩的防護能力、呼吸阻力和氣密性作為口罩性能的重要評價指標，三者不僅關系緊密，并且相互制約，需要權衡口罩的防護能力、呼吸阻力和氣密性三者的關系，通過優化口罩設計參數將口罩的防護能力、呼吸阻力和氣密性進行最優配置，從而有效地提高口罩性能。

發明內容

本發明旨在確定滿足口罩防護能力、呼吸阻力和氣密性要求的最優設計參數，提出了一種針對口罩設計參數的多性能優化方法。

本發明具體采用如下技術方案：

一種針對口罩設計參數的多性能優化方法，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MMA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MMA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，