CN104307084A - 一种正压式呼吸面罩及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正压式呼吸面罩，主要包括罩体和单向阀，罩体上有进气口、出气口，罩体出气口处装有单向阀，其特征在于：进气口位于罩体左右两侧，出气口位于口腔的正前方。本发明还提供正压式呼吸面罩的设计方法，其特征在于设计步骤如下：在计算机上利用曲面造型软件(Solidworks)中的网格处理向导功能，对人体头部点云模型曲面化；根据人面部曲线变化规律，绘制三维的封闭式呼吸面罩内部结构图；利用网格划分软件(Gambit)对模型进行网格的划分以及边界条件的设置；利用计算流体力学软件(Fluent)对封闭式呼吸面罩进行流场特性分析；得出参数化设计结果。本发明提供的正压式呼吸面罩，其优点在于：该面罩可以进行个性化的设计，佩戴舒适，解决面罩造成面部损伤的事件。

Description

一种正压式呼吸面罩及其设计方法

技术领域

本发明涉及正压式呼吸面罩。 

背景技术

个体防护式呼吸面罩，主要使用在工作环境比较恶劣的场所，如有烟雾的 

工厂、车间，以及有较大粉尘的坑道等，用于个体呼吸系统的保护。经过调查， 

我国许多呼吸防护面具生产厂家仍沿用传统的顺序设计生产工艺。这种生产工 

艺不但使产品生产周期长，资金投入大，并且生产过程中很难对产品进行检测。 

武汉理工大学的张静基于流体力学对自吸式面罩进行参数优化设计。但这种自 

吸式面罩，使用者在呼吸时会感到费力、憋闷，如果呼吸频率较高时甚至会产 

生窒息感。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种保证面罩内部的微正压，佩戴舒适且使人呼吸顺畅的呼吸面罩。 

本发明提供一种正压式呼吸面罩，主要包括罩体和单向阀，罩体上有进气口、出气口，罩体出气口处装有单向阀，其特征在于：进气 口位于罩体左右两侧，出气口位于口腔的正前方。 

本发明提供的正压式呼吸面罩，其进气口的中心线方向与罩体对称面成向前倾斜75～85°、与水平面成向上5～15°，以获得气流偏转角的最佳值。 

本发明提供的正压式呼吸面罩，其罩体出气口上装有阀罩和/或罩体上备有固定组件，以保护单向阀和便于佩戴。 

本发明提供的正压式呼吸面罩，其罩体有一个与面部贴合的曲面，以达到既密封又舒适的条件。 

本发明提供的正压式呼吸面罩，其单向阀周围有高2～5mm的凸台，以防止阀片被外部气体吹开。 

本发明提供的正压式呼吸面罩，其单向阀中间有厚1～3mm的十字横梁，横梁中心有阀片安装孔。 

本发明还提供正压式呼吸面罩的设计方法，其特征在于设计步骤如下： 

1)在计算机上激活SolidWorks软件中的Scan To 3D插件，利用其网格处理向导功能，对标准化的人体头部点云模型曲面化； 

2)根据人面部曲线变化规律，绘制三维的封闭式呼吸面罩内部结构图； 

3)利用Gambit软件进行网格的划分以及边界条件的设置； 

4)利用计算流体力学软件Fluent，将边界条件具体化，在计算机上对封闭式呼吸面罩进行流场特性分析； 

5)得出参数化设计结果。 

本发明提供的正压式呼吸面罩，其优点在于：该面罩可以针对不同的人群进行个性化的设计，基于人体工程学理论，佩戴舒适，解决传统的个体防护式面罩造成面部损伤的事件。 

附图说明

图1为正压式呼吸面罩的结构示意图； 

图2点云模型曲面化图； 

图3网格的划分以及边界条件的设置图； 

图4为正压式呼吸面罩内部的流场特性分析图； 

图5为正压式呼吸面罩模型内部建立的动压云图； 

图6为正压式呼吸面罩的速度云图； 

图7为正压式呼吸面罩的速度矢量图； 

图8为正压式呼吸面罩的湍流动能云图。 

具体实施方式

实施例1 

正压式呼吸面罩，其结构如图1所示，包括罩体5和单向阀3，罩体上有进气口1、出气口2，罩体出气口处安装单向阀，进气口位于罩体左右两侧，出气口位于口腔的正前方，进气口的中心线方向与罩体对称面成向前倾斜75～85°、与水平面成向上5～15°，罩体出气口上装有阀罩4和罩体上备有固定组件7，罩体有一个与面部贴合的曲面6，单向阀周围有高2～5mm的凸台，单向阀中间有厚1～3mm的十字横梁，横梁中心有阀片安装孔，阀罩上侧封闭，下侧有六个排气孔；固定组件是四个凸台，用来安装松紧带，将面罩固定在头部。其设计步骤为： 

1、在计算机上利用SolidWorks软件中的网格处理向导功能，对点云模型曲面化： 

(1)将SolidWorks插件中的Scan To 3D激活，以导入网格文件； 

(2)利用网格处理向导功能，删除除面部以外的模型； 

(3)对模型进行整体平滑以及网格补洞操作，弥补点云模型生成过程中产生的孔洞问题； 

(4)得到亚洲人面部曲面模型。 

2、根据亚洲人面部曲线变化规律，绘制三维的封闭式呼吸面罩内部结构图： 

(1)根据得到的亚洲人面部曲面模型，按照人体面部曲线的变化规律，绘制三维的封闭式呼吸面罩内部结构图，并且对其进行适当的简化和假设； 

(2)此封闭式呼吸面罩模型为口鼻全封闭式模型，即面罩壳体包住口鼻且上抵鼻梁下至下巴。 

(3)按照上述要求，在鼻尖前3mm处建立一个平行于面部的平面，绘制呼吸面罩的大体轮廓，利用拔模功能，向亚洲人面部曲面进行投影，尽量增大拔模角度，以增加面罩内部体积； 

(4)由于人脸并不是完全对称，以人脸对称平面为基准，将较大体积的一侧删除，较小体积的一侧对称，防止由于边界过大导致压迫面部的情况。 

3、利用Gambit软件进行网格的划分以及边界条件的设置： 

(1)选取合适的网格类型以及网格尺寸，使封闭式呼吸面罩内部模型网格划分质量较高，增加计算的准确性； 

(2)进口边界选取的是质量流入口(massflow)，出口边界定义的是自由流出口(outflow)，其它边界条件设置为壁面(wall)； 

4、利用计算流体力学软件Fluent，将边界条件具体化，在计算机上对封闭式呼吸面罩内部进行流场特性分析： 

(1)对生成的非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型在计算流体力学软件Fluent中进行定义、假设以及参数设置； 

(2)在计算机上运行Fluent软件仿真，得到了封闭式呼吸面罩模型内部的多种参数图像； 

(3)对仿真结果进行处理分析，并对封闭式呼吸面罩模型进行改进； 

5、得出参数化设计结果。 

经过以上步骤，可以设计出人体佩戴舒适的呼吸面罩。 

如图2所示，在计算机上利用SolidWorks软件中的网格处理向导功能，对点云模型曲面化： 

(1)将SolidWorks插件中的Scan To 3D激活，以导入.ply格式的网格文件； 

(2)利用网格处理向导功能，删除除面部以外的模型； 

(3)对模型进行整体平滑以及网格补洞操作，弥补点云模型生成过程中产生的孔洞问题； 

(4)得到亚洲人面部曲面模型。 

(5)将只留下面部的亚洲人头部曲面模型另存为Face.sldprt文件，方便在SolidWorks中对封闭式呼吸面罩内部模型的建立。 

如图3所示，利用Gambit软件进行网格的划分以及边界条件的设置： 

(1)在计算机上利用通用格式的.x-t文件，将利用SolidWorks三维绘图软件建立的封闭式呼吸面罩内部结构图，导入计算流体力学软件Fluent的前处理器Gambit中； 

(2)利用Gambit建立封闭式呼吸面罩内部网格模型； 

(3)利用Gambit在计算机上对封闭式呼吸面罩内部模型进行网格划分，生成符合计算要求的非结构四面体网格单元，形成一个包含非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型； 

此模型网格采用非结构四面体网格，网格尺寸设定为0.8mm，得到封闭式呼吸面罩内部模型网格节点为167405，网格单元数为919946。 

如图4所示，利用计算流体力学软件Fluent，将边界条件具体化，在计算机上对封闭式呼吸面罩内部进行流场特性分析： 

对生成的非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型在计算流体力学软件Fluent中进行定义、假设以及参数设置； 

a.导入含有非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型 

将利用软件Gambit生成的包含非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型导入到计算流体力学软件Fluent中； 

b.检查含有非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型是否存在问题 

将含有非结构四面体网格单元的封闭式呼吸面罩内部模型导入计算流体力学软件Fluent后，必须对封闭式呼吸面罩内部模型进行网格质量检查，确定是否存在负体积，能否直接计算；由于Gambit中默认的单位是m，而Fluent中默认的单位是mm，模型导入后需进行单位的统一； 

c.选择求解器及运行环境 

封闭式呼吸面罩内部模型流场分析采用的求解器及运行环境设置均是计算流体力学软件Fluent的默认设置即分离式求解器； 

d.确定计算模型 

本发明的分析选择封闭式呼吸面罩内部为湍流动能模型，湍流动能模型选用RNGk-ε模型，k是湍流动能脉动动能，ε是湍流动能脉动动能的耗散率； 

e.定义材料 

封闭式呼吸面罩内部模型流场使用的气体是空气； 

f.设置边界条件 

针对封闭式呼吸面罩模型内部的仿真是分析的人体吸气过程，此过程中的气体是从两端的进气口进入，从嘴部和气阀排出，其中嘴部吸入30％，气阀排出70％，从而使整个系统内的气体达到平衡。 

进口边界选取的是质量流入口(massflow)，出口边界定义的是自由流出口(outflow)，其中嘴部气体流出0.3，气阀流出0.7，方向均是垂直于边界，其它边界条件设置为壁面(wall)； 

g.设置离散格式为SIMPLE格式，设置压力、动量、k和e的亚松弛因子分别为0.2、0.5、0.5和0.5，其余均按照计算流体力学软件Fluent中默认设置； 

h.设置求解过程的监视参数 

求解器计算过程中，通过检查变量的残差、统计值、力、面积分、体积分参数，动态监视计算的收敛性和当前的计算结果。在每一步迭代以后，求解器可以计算并保存湍流动能以及湍流耗散等各个变量的残差来创建收敛的历史记录；可以打印和绘制收敛的历史记录；也可以将他们保存到外部文件。本发明设置的分析精度为1e-05，即相应变量达到该值后则认为计算已经收敛。 

i.初始化流场的解 

在开始对封闭式呼吸面罩内部模型流场进行求解之前，用户必须 向计算流体力学软件Fluent提供对封闭式呼吸面罩内部模型流场的解的初始猜测值。该猜测值对解的收敛性有重要的影响，与最终的实际解越接近越好。有两种方法来初始化流场的解： 

(1)用相同的流场变量值来初始化整个封闭式呼吸面罩内部流场中的所有边界； 

(2)在选定的单元区域里给选择的流场变量覆盖一个值或函数。 

本发明分析选择的是第一种方法来初始化流场的解。 

j.封闭式呼吸面罩内部模型流场迭代计算； 

本发明的封闭式呼吸面罩内部模型流场分析选择的非稳态(unsteady)的计算要求，时间步长(Time Step Size)为0.1s，迭代步数(Number of Time Steps)为10步，每个时间步长内迭代20次，共计迭代200次； 

经过从a至j的步骤，在计算机上运行Fluent软件仿真，得到了如图6所示的封闭式呼吸面罩模型内部的多种参数图像。 

如图5～8所示，图5是在封闭式呼吸面罩模型内部建立的切面，这样可以观察模型内部的压力分布情况，用来优化模型。 

矢量图是一系列带有箭头的直线，箭头指向为气流方向，与图像的复杂程度有关，图像可以无级缩放。最大的缺点是难以表现色彩层次丰富的逼真图像效果，但是可以通过速度云图来弥补其不足，于是我们将封闭式呼吸面罩模型内部的速度云图和速度矢量图结合起来观察，可以达到互补的效果，观察图6和图7是模型内部切面图，直观的展示出模型内部区域气体的流动状态，判断出气体的流动方向，为优化模型提供依据。 

内部的湍流动能情况我们通过观察图8发现，模型内部由于在气阀处气体不能完全的排出所以产生了强烈的湍流，但这并不影响我们的呼吸。 

通过以上图像的分析，可以清楚地观察到模型内部的压力以及气体的流向，于是设计多组模型，改变模型进气口的偏转角度，对模型进行优化，使模型内部的压力以及气体的流向得以改变，从中找出人体感觉最佳的模型。 

经过多组流体分析实验得到了进气口角度的最佳值，进气口中心线方向与面罩竖直方向成80°角(向人脸倾斜)，然后再与水平方向成10°角，进气口的方向向下偏，气流方向为嘴部空腔偏前。 

Claims (10)

1.一种正压式呼吸面罩，主要包括罩体和单向阀，罩体上有进气口、出气口，罩体出气口处装有单向阀，其特征在于：进气口位于罩体左右两侧，出气口位于口腔的正前方。

2.按照权利要求1所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述进气口的中心线方向与罩体对称面成向前倾斜75～85°、与水平面成向上5～15°。

3.按照权利要求1所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述罩体出气口上装有阀罩和/或罩体上备有固定组件。

4.按照权利要求2所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述罩体出气口上装有阀罩和/或罩体上备有固定组件。

5.按照权利要求1～4之一所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述罩体有一个与面部贴合的曲面。

6.按照权利要求1～4之一所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述单向阀周围有高2～5mm的凸台。

7.按照权利要求5所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述单向阀周围有高2～5mm的凸台。

8.按照权利要求1、2、3、4或7所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述单向阀中间有厚1～3mm的十字横梁，横梁中心有阀片安装孔。

9.按照权利要求5所述的正压式呼吸面罩，其特征在于：所述单向阀中间有厚1～3mm的十字横梁，横梁中心有阀片安装孔。

10.一种权利要求1所述的正压式呼吸面罩的设计方法，其特征在于：设计步骤如下：利用Solidworks对人体头部点云模型曲面化；绘制呼吸面罩内部结构图；利用Gambit进行网格划分；利用Fluent对呼吸面罩进行流体力学分析；得出优化设计参数。