CN111539161B - 一种针对口罩设计参数的多性能优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对口罩设计参数的多性能优化方法。该方法通过将口罩的多个性能一体化建立口罩设计参数优化模型，结合口罩的设计参数与3D结构模型建立口罩的CFD计算模型，基于移动渐进算法优化设计参数，利用口罩的CFD模拟计算结果表征口罩性能，计算相关函数值及其对各设计参数的灵敏度，设置移动渐近线建立凸逼近子问题，构建拉格朗日函数，将求解凸逼近子问题转化为求解拉格朗日函数的无条件极值问题，更新设计参数；判断设计参数是否满足收敛条件，若不满足则继续迭代计算，若满足则输出该设计参数为口罩性能要求的最优设计参数。本方法实现了多性能条件下对最优口罩设计参数的快速求解，对口罩的设计参数优化及性能提高具有指导作用。

Description

一种针对口罩设计参数的多性能优化方法
技术领域
本发明涉及力学领域，具体涉及一种针对口罩设计参数的多性能优化方法。
背景技术
呼吸道传染病主要通过咳嗽、喷嚏、飞沫、气溶胶、接触、近距离直接吸入呼出气体等途径进行传播。口罩作为呼吸道疾病的常用防护用具，不仅可以防止患者呼吸、咳嗽、打喷嚏时产生的飞沫,降低患者喷出的飞沫含量和喷射速度；还可以阻挡含有病毒的飞沫核通过空气传播被健康的佩戴者吸入，保护健康的佩戴者，降低感染风险。
口罩需要具有良好的防护能力，阻挡飞沫中的病菌进入佩戴者的口鼻内，但长时间佩戴高防护能力的口罩会产生较大的呼吸阻力，容易引起佩戴者的呼吸功能障碍，造成佩戴者呼吸不适；同时，在口罩的佩戴过程中，口罩与面部的贴合缝隙大小也是评价口罩性能的重要指标，若口罩与面部贴合不紧密产生缝隙，空气未经过滤即被人体吸收，增加了佩戴者的传染风险。
因此，口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性作为口罩性能的重要评价指标，三者不仅关系紧密，并且相互制约，需要权衡口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性三者的关系，通过优化口罩设计参数将口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性进行最优配置，从而有效地提高口罩性能。
发明内容
本发明旨在确定满足口罩防护能力、呼吸阻力和气密性要求的最优设计参数，提出了一种针对口罩设计参数的多性能优化方法。
本发明具体采用如下技术方案：
一种针对口罩设计参数的多性能优化方法，具体包括以下步骤：
步骤1，选取口罩性能及口罩设计参数，口罩性能包括防护能力、呼吸阻力、气密性，口罩设计参数包括口罩厚度、材料层孔隙率、面部贴合处缝隙大小，设置口罩综合性能函数φ(x)中防护能力、呼吸阻力和气密性的比重，其中口罩防护能力的加权系数为α、呼吸阻力的加权系数为β、气密性的加权系数为γ，通过加权系数将口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性一体化，建立基于移动渐进算法MMA的口罩设计参数优化模型；
步骤2，设置口罩设计参数值为
Figure BDA0002459036250000021
利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型，利用计算流体力学分析软件CFX，确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，根据口罩的3D扫描模型和口罩设计参数的初始值，建立口罩的CFD计算模型；
步骤3，基于移动渐进算法MMA对口罩设计参数进行优化，利用口罩的CFD计算模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，模拟口罩对外部流质的阻挡过程及呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，计算口罩内外粒子浓度差、口罩内外气流压力差和口罩与面部贴合缝隙处的流量值，并对口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性进行表征，得到无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000022
呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000023
气密性
Figure BDA0002459036250000024
利用无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000025
呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000026
气密性
Figure BDA0002459036250000027
计算口罩综合性能函数φ(x(k))及口罩综合性能函数φ(x(k))对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure BDA0002459036250000028
再计算约束函数g(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure BDA0002459036250000029
步骤4，通过设置上移动渐近线
Figure BDA00024590362500000210
和下移动渐近线
Figure BDA00024590362500000211
建立严格的凸逼近子问题，公式如下所示：
Figure BDA00024590362500000212
其中，
Figure BDA00024590362500000213
式中，n为口罩设计参数总数，
Figure BDA00024590362500000214
用于求取正的一阶导数量的和，
Figure BDA00024590362500000215
用于求取负的一阶导数量的和；
针对各口罩设计参数的一阶导数
Figure BDA00024590362500000216
按照一阶导数
Figure BDA00024590362500000217
的符号划分仅有一个上移动渐近线
Figure BDA00024590362500000218
和下移动渐近线
Figure BDA00024590362500000219
进入下次迭代循环前，对n个上移动渐近线
Figure BDA00024590362500000220
和下移动渐近线
Figure BDA0002459036250000031
进行修改，修改规则如下所示：
当k＝0或1时，
Figure BDA0002459036250000032
当k≥2时，
若
Figure BDA0002459036250000033
时，
Figure BDA0002459036250000034
若
Figure BDA0002459036250000035
时，
Figure BDA0002459036250000036
其中γ1、γ2、γ3表示移动渐进系数，取值范围为：
Figure BDA0002459036250000037
式中，
Figure BDA0002459036250000038
表示设计参数xi的阈值最大值，x i表示设计参数xi的阈值最小值；
步骤5，根据Kuhn-Tucker条件，设置拉格朗日乘子λ，通过构建拉格朗日函数
Figure BDA0002459036250000039
将步骤4中对凸逼近子问题的求解转化为求解拉格朗日函数
Figure BDA00024590362500000310
的无条件极值，根据拉格朗日函数
Figure BDA00024590362500000311
的极值条件
Figure BDA00024590362500000312
更新口罩设计参数，确定新的口罩设计参数x(k+1)；
步骤6，判断口罩设计参数x(k+1)是否满足收敛条件max|x(k+1)-x(k)|≤1e-4；若不满足收敛条件，则返回步骤2，利用新确定的口罩设计参数x(k+1)继续模拟进行迭代计算，若满足收敛条件，则结束对口罩设计参数的优化，输出口罩的最优设计参数x(k+1)，确定最优的口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小。
优选地，所述步骤1中，基于移动渐进算法MMA的口罩设计参数优化模型如下所示：
Figure BDA0002459036250000041
式中，x＝[x1,x2,x3]T为口罩设计参数，x1为口罩厚度，单位为mm，x2为材料层孔隙率，单位为％，x3为面部贴合处缝隙大小，单位为mm；φ(x)为口罩综合性能函数，
Figure BDA0002459036250000042
为无量纲化后的防护能力，
Figure BDA0002459036250000043
为无量纲化后的呼吸阻力，
Figure BDA0002459036250000044
为无量纲化后的气密性；α、β、γ为加权系数，α为防护能力的加权系数，β为呼吸阻力的加权系数，γ为气密性的加权系数，加权系数α、β、γ必须满足α+β+γ＝1；g(x)为口罩综合性能函数φ(x)的约束函数，
Figure BDA0002459036250000045
为口罩内粒子浓度，
Figure BDA0002459036250000046
为口罩外粒子浓度，g(x)应在95％以上。
优选地，所述步骤2具体包括如下子步骤：
步骤2.1：设置口罩设计参数值为
Figure BDA0002459036250000047
包括设置口罩厚度为
Figure BDA0002459036250000048
材料层孔隙率为
Figure BDA0002459036250000049
面部贴合处缝隙值为
Figure BDA00024590362500000410
k为迭代次数；
步骤2.2：利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型；
步骤2.3：确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，其中流体控制方程组包括连续性方程和Navier-Stokes方程，多孔介质两相流方法中，多孔介质理论采用Darcy-Forchheimer定律，两相流方法采用欧拉-拉格朗日描述法，湍流模型选用标准k-ε模型；利用计算流体力学分析软件CFX，根据口罩的3D扫描模型和口罩设计参数的初始值，设置口罩厚度为
Figure BDA00024590362500000411
材料层孔隙率为
Figure BDA00024590362500000412
面部贴合处缝隙值为
Figure BDA00024590362500000413
建立口罩的CFD计算模型。
优选地，所述步骤3具体包括如下子步骤：
步骤3.1：设置口罩的CFD计算模型边界、环境温度及湿度，其中，设置边界为口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面，并将口鼻处设置为流质入口、口罩与面部缝隙处设置为流质出口、口罩面设置为多孔域面、人面部设置为壁面；
步骤3.2：设置流质流速，利用计算流体力学分析软件CFX模拟口罩对外部流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外粒子浓度差，利用口罩内外粒子浓度差表征口罩的防护能力，得到无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000051
再模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外气流压力差及口罩与面部贴合缝隙处的流量值，利用口罩内外气流压力差表征口罩的呼吸阻力，得到无量纲化后的呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000052
利用口罩与面部贴合缝隙处的流量值表征口罩的气密性，得到无量纲化后的气密性
Figure BDA0002459036250000053
步骤3.3：将无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000054
呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000055
气密性
Figure BDA0002459036250000056
代入口罩综合性能函数，计算口罩综合性能函数φ(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure BDA0002459036250000057
其中xi (k)为第k次迭代计算的口罩设计参数，
Figure BDA0002459036250000058
为口罩综合性能函数φ(x(k))对口罩厚度x1 (k)的灵敏度，
Figure BDA0002459036250000059
为口罩综合性能函数φ(x(k))对材料层孔隙率x2 (k)的灵敏度，
Figure BDA00024590362500000510
为口罩综合性能函数φ(x(k))对面部贴合处缝隙大小x3 (k)的灵敏度；再计算约束函数g(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure BDA00024590362500000511
其中
Figure BDA00024590362500000512
为约束函数g(x(k))对口罩厚度x1 (k)的灵敏度，
Figure BDA00024590362500000513
为约束函数g(x(k))对材料层孔隙率x2 (k)的灵敏度，
Figure BDA00024590362500000514
为约束函数g(x(k))对面部贴合处缝隙大小x3 (k)的灵敏度。
本发明具有如下有益效果：
本方法有效地将计算流体力学流场分析与口罩设计参数优化相结合，实现了多学科的交叉应用；本方法通过建立口罩设计参数优化模型将口罩的防护能力、呼吸阻力、气密性一体化，通过设置口罩厚度、材料层孔隙率及面部贴合处缝隙大小的权重系数，使得口罩设计参数与口罩性能相关联；本方法通过在泰勒级数线性扩展的基础上采用移动渐进算法MMA对口罩设计参数进行优化，应用迭代近似方法，利用凸逼近子问题近似原问题，再通过移动渐进子问题的解不断逼近原问题的解，实现了多性能条件作用下对口罩各设计参数最优解的快速求解，对于口罩设计参数优化及口罩性能的提高具有重要作用，同时，本方法对口罩的设计具有指导作用。
附图说明
图1为一种针对口罩设计参数的多性能优化方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种针对口罩设计参数的多性能优化方法，如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤1，选取口罩性能及口罩设计参数，口罩性能包括防护能力、呼吸阻力、气密性，口罩设计参数包括口罩厚度、材料层孔隙率、面部贴合处缝隙大小，设置口罩综合性能函数φ(x)中防护能力、呼吸阻力、气密性的比重，本实施例中，设置口罩防护能力的加权系数α＝0.5、呼吸阻力的加权系数β＝0.3、气密性的加权系数γ＝0.2，通过加权系数将口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性一体化，基于移动渐进算法MMA建立口罩设计参数优化模型，如下所示：
Figure BDA0002459036250000061
式中，x＝[x1,x2,x3]T为口罩设计参数，x1为口罩厚度，x2为材料层孔隙率，x3为面部贴合处缝隙大小，本实施例中口罩厚度x1的阈值范围为[5.00,8.00]mm，材料层孔隙率x2的阈值范围为[0.6,0.9]，面部贴合处缝隙大小x3的阈值范围为[3.0,6.0]mm；φ(x)为口罩综合性能函数，
Figure BDA0002459036250000062
为无量纲化后的防护能力，
Figure BDA0002459036250000063
为无量纲化后的呼吸阻力，
Figure BDA0002459036250000064
为无量纲化后的气密性；α、β、γ为加权系数，α为防护能力的加权系数，β为呼吸阻力的加权系数，γ为气密性的加权系数，加权系数α、β、γ必须满足α+β+γ＝1。g(x)为口罩综合性能函数φ(x)的约束函数，
Figure BDA0002459036250000065
为口罩内粒子浓度，
Figure BDA0002459036250000066
为口罩外粒子浓度，g(x)应在95％以上。
步骤2，设置口罩设计参数值
Figure BDA0002459036250000067
利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型，利用计算流体力学分析软件CFX，确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，根据口罩的3D扫描模型和口罩设计参数的初始值，建立口罩的CFD计算模型，具体子步骤如下：
步骤2.1：设置口罩设计参数值为
Figure BDA0002459036250000071
包括设置口罩厚度为
Figure BDA0002459036250000072
材料层孔隙率为
Figure BDA0002459036250000073
面部贴合处缝隙值为
Figure BDA0002459036250000074
k为迭代次数；当k＝0时，设置口罩设计参数的初始值为
Figure BDA0002459036250000075
步骤2.2：利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型。
步骤2.3：确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，其中流体控制方程组包括连续性方程和Navier-Stokes方程，多孔介质两相流方法中，多孔介质理论采用Darcy-Forchheimer定律，两相流方法采用欧拉-拉格朗日描述法，湍流模型选用标准k-ε模型；利用计算流体力学分析软件CFX，根据口罩的3D扫描模型和口罩设计参数的初始值，设置口罩厚度为5mm、材料层孔隙率为0.9、面部贴合处缝隙值为6mm，建立口罩的CFD计算模型。
步骤3，基于移动渐进算法MMA对口罩设计参数进行优化，利用口罩的CFD计算模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，模拟口罩对外部流质的阻挡过程及呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，计算口罩内外粒子浓度差、口罩内外气流压力差和口罩与面部贴合缝隙处的流量值，并对口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性进行表征，得到无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000076
呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000077
气密性
Figure BDA0002459036250000078
利用无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000079
呼吸阻力
Figure BDA00024590362500000710
气密性
Figure BDA00024590362500000711
计算口罩综合性能函数φ(x(k))及口罩综合性能函数φ(x(k))对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure BDA00024590362500000712
再计算约束函数g(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure BDA00024590362500000713
具体子步骤如下所示：
步骤3.1：设置口罩的CFD计算模型边界、环境温度及湿度，其中，设置边界为口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面，并将口鼻处设置为流质入口、口罩与面部缝隙处设置为流质出口、口罩面设置为多孔域面、人面部设置为壁面，设置模拟环境温度为25℃、湿度为32％。
步骤3.2：利用计算流体力学分析软件CFX模拟口罩对外部流质的阻挡过程，设置人体正常呼吸的流质流速为2.5m/s，模拟获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外粒子浓度差，利用口罩内外粒子浓度差表征口罩的防护能力，得到无量纲化后的防护能力
Figure BDA00024590362500000714
再模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，其中，人体正常呼吸时设置流质流速为2.5m/s，打喷嚏时设置流质流速为50m/s，咳嗽时设置流质流速为39m/s，模拟获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外气流压力差及口罩与面部贴合缝隙处的流量值，利用口罩内外气流压力差表征口罩的呼吸阻力，得到无量纲化后的呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000081
利用口罩与面部贴合缝隙处的流量值表征口罩的气密性，得到无量纲化后的气密性
Figure BDA0002459036250000082
步骤3.3：将无量纲化后的防护能力
Figure BDA0002459036250000083
呼吸阻力
Figure BDA0002459036250000084
气密性
Figure BDA0002459036250000085
代入公式(2)中，计算口罩综合性能函数φ(x(k))，分别计算口罩综合性能函数φ(x(k))对口罩厚度的灵敏度
Figure BDA0002459036250000086
口罩综合性能函数φ(x(k))对材料层孔隙率x2 (k)的灵敏度
Figure BDA0002459036250000087
口罩综合性能函数φ(x(k))对面部贴合处缝隙大小x3 (k)的灵敏度
Figure BDA0002459036250000088
利用模拟口罩对外部流质的阻挡过程中得到的口罩内粒子浓度
Figure BDA0002459036250000089
及口罩外粒子浓度
Figure BDA00024590362500000810
计算约束函数g(x(k))，再分别计算约束函数g(x(k))对口罩厚度x1 (k)的灵敏度
Figure BDA00024590362500000811
约束函数g(x(k))对材料层孔隙率x2 (k)的灵敏度
Figure BDA00024590362500000812
约束函数g(x(k))对面部贴合处缝隙大小x3 (k)的灵敏度
Figure BDA00024590362500000813
步骤4，通过设置上移动渐近线
Figure BDA00024590362500000814
和下移动渐近线
Figure BDA00024590362500000815
建立严格的凸逼近子问题，公式如下所示：
Figure BDA00024590362500000816
其中，
Figure BDA00024590362500000817
式中，
Figure BDA00024590362500000818
用于求取正的一阶导数量的和，
Figure BDA00024590362500000819
用于求取负的一阶导数量的和；
针对各口罩设计参数的一阶导数
Figure BDA00024590362500000820
按照一阶导数
Figure BDA00024590362500000821
的符号划分仅有一个上移动渐近线
Figure BDA00024590362500000822
和下移动渐近线
Figure BDA00024590362500000823
每进入下次迭代循环前，对3个上移动渐近线
Figure BDA00024590362500000824
和下移动渐近线
Figure BDA0002459036250000091
进行修改，修改规则如下所示：
当迭代次数k＝0或1时，
Figure BDA0002459036250000092
当迭代次数k≥2时，
若
Figure BDA0002459036250000093
时，
Figure BDA0002459036250000094
若
Figure BDA0002459036250000095
时，
Figure BDA0002459036250000096
其中γ1、γ2、γ3表示移动渐进系数，取值范围为：
Figure BDA0002459036250000097
本实施例中移动渐进系数γ1＝0.5，γ2＝1.2，γ3＝0.7；
Figure BDA0002459036250000098
表示设计参数xi的阈值最大值，x i表示设计参数xi的阈值最小值，其中，
Figure BDA0002459036250000099
表示口罩厚度的x1阈值最大值，
Figure BDA00024590362500000910
x 1表示口罩厚度x1的阈值最小值，x 1＝5mm；
Figure BDA00024590362500000911
表示材料层孔隙率x2的阈值最大值，
Figure BDA00024590362500000912
x 2表示口罩厚度x2的阈值最小值，x 2＝5mm；
Figure BDA00024590362500000913
表示面部贴合处缝隙大小x3的阈值最大值，
Figure BDA00024590362500000914
x 3表示面部贴合处缝隙大小x3的阈值最小值，x 3＝5mm。
步骤5，根据Kuhn-Tucker条件，设置拉格朗日乘子λ，通过构建拉格朗日函数
Figure BDA00024590362500000915
将步骤4中对凸逼近子问题的求解转化为求解拉格朗日函数
Figure BDA00024590362500000916
的无条件极值，根据拉格朗日函数
Figure BDA00024590362500000917
的极值条件
Figure BDA00024590362500000918
更新口罩设计参数，确定新的口罩设计参数x(k+1)。
步骤6，判断口罩设计参数x(k+1)是否满足收敛条件max|x(k+1)-x(k)|≤1e-4；若不满足收敛条件，则返回步骤2，利用新确定的口罩设计参数x(k+1)继续模拟进行迭代计算，若满足收敛条件，则结束基于移动渐进算法MMA对口罩设计参数的优化；在本实施例中，当迭代次数k＝12时，口罩设计参数x(13)满足收敛条件max|x(13)-x(12)|≤1e-4，此时迭代计算终止，输出口罩防护能力的加权系数α＝0.5、呼吸阻力的加权系数β＝0.3、气密性的加权系数γ＝0.2时的最优设计参数x(13)＝[6.6mm,0.81,5.2mm]T。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种针对口罩设计参数的多性能优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，选取口罩性能及口罩设计参数，口罩性能包括防护能力、呼吸阻力、气密性，口罩设计参数包括口罩厚度、材料层孔隙率、面部贴合处缝隙大小，设置口罩综合性能函数φ(x)中防护能力、呼吸阻力和气密性的比重，其中口罩防护能力的加权系数为α、呼吸阻力的加权系数为β、气密性的加权系数为γ，通过加权系数将口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性一体化，建立基于移动渐进算法的口罩设计参数优化模型；
步骤2，设置口罩设计参数值为
Figure FDA0003509609100000011
利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型，利用计算流体力学分析软件CFX，确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，根据口罩的3D扫描模型和口罩设计参数的初始值，建立口罩的CFD计算模型；
步骤3，基于移动渐进算法对口罩设计参数进行优化，利用口罩的CFD计算模型，通过设置边界、流质流速、环境温度及湿度，模拟口罩对外部流质的阻挡过程及呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，计算口罩内外粒子浓度差、口罩内外气流压力差和口罩与面部贴合缝隙处的流量值，并对口罩的防护能力、呼吸阻力和气密性进行表征，得到无量纲化后的防护能力
Figure FDA0003509609100000012
呼吸阻力
Figure FDA0003509609100000013
气密性
Figure FDA0003509609100000014
利用无量纲化后的防护能力
Figure FDA0003509609100000015
呼吸阻力
Figure FDA0003509609100000016
气密性
Figure FDA0003509609100000017
计算口罩综合性能函数φ(x(k))及口罩综合性能函数φ(x(k))对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure FDA0003509609100000018
再计算约束函数g(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure FDA0003509609100000019
步骤4，通过设置上移动渐近线
Figure FDA00035096091000000110
和下移动渐近线
Figure FDA00035096091000000111
建立严格的凸逼近子问题，公式如下所示：
Figure FDA00035096091000000112
其中，
Figure FDA00035096091000000113
式中，n为口罩设计参数总数，
Figure FDA0003509609100000021
用于求取正的一阶导数量的和，
Figure FDA0003509609100000022
用于求取负的一阶导数量的和；
针对各口罩设计参数的一阶导数
Figure FDA0003509609100000023
按照一阶导数
Figure FDA0003509609100000024
的符号划分仅有一个上移动渐近线
Figure FDA0003509609100000025
和下移动渐近线
Figure FDA0003509609100000026
进入下次迭代循环前，对n个上移动渐近线
Figure FDA0003509609100000027
和下移动渐近线
Figure FDA0003509609100000028
进行修改，修改规则如下所示：
当k＝0或1时，
Figure FDA0003509609100000029
当k≥2时，
若
Figure FDA00035096091000000210
时，
Figure FDA00035096091000000211
若
Figure FDA00035096091000000212
时，
Figure FDA00035096091000000213
其中γ1、γ2、γ3表示移动渐进系数，取值范围为：
Figure FDA00035096091000000214
式中，
Figure FDA00035096091000000215
表示设计参数xi的阈值最大值，xi表示设计参数xi的阈值最小值；
步骤5，根据Kuhn-Tucker条件，设置拉格朗日乘子λ，通过构建拉格朗日函数
Figure FDA00035096091000000216
将步骤4中对凸逼近子问题的求解转化为求解拉格朗日函数
Figure FDA00035096091000000217
的无条件极值，根据拉格朗日函数
Figure FDA00035096091000000218
的极值条件
Figure FDA00035096091000000219
更新口罩设计参数，确定新的口罩设计参数x(k+1)；
步骤6，判断口罩设计参数x(k+1)是否满足收敛条件max|x(k+1)-x(k)|≤1e-4；若不满足收敛条件，则返回步骤2，利用新确定的口罩设计参数x(k+1)继续模拟进行迭代计算，若满足收敛条件，则结束对口罩设计参数的优化，输出口罩的最优设计参数x(k+1)，确定最优的口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小；
所述步骤1中，基于移动渐进算法的口罩设计参数优化模型如下所示：
Figure FDA0003509609100000031
式中，x＝[x1,x2,x3]T为口罩设计参数，x1为口罩厚度，单位为mm，x2为材料层孔隙率，单位为％，x3为面部贴合处缝隙大小，单位为mm；φ(x)为口罩综合性能函数，
Figure FDA0003509609100000032
为无量纲化后的防护能力，
Figure FDA0003509609100000033
为无量纲化后的呼吸阻力，
Figure FDA0003509609100000034
为无量纲化后的气密性；α、β、γ为加权系数，α为防护能力的加权系数，β为呼吸阻力的加权系数，γ为气密性的加权系数，加权系数α、β、γ必须满足α+β+γ＝1；g(x)为口罩综合性能函数φ(x)的约束函数，
Figure FDA0003509609100000035
为口罩内粒子浓度，
Figure FDA0003509609100000036
为口罩外粒子浓度，g(x)应在95％以上；
所述步骤2中，第k次迭代计算的口罩设计参数值为
Figure FDA0003509609100000037
包括第k次迭代计算所确定的口罩厚度
Figure FDA0003509609100000038
材料层孔隙率
Figure FDA0003509609100000039
和面部贴合处缝隙值
Figure FDA00035096091000000310
2.如权利要求1所述的一种针对口罩设计参数的多性能优化方法，其特征在于，所述步骤2具体包括如下子步骤：
步骤2.1：设置口罩设计参数值为
Figure FDA00035096091000000311
包括设置口罩厚度为
Figure FDA00035096091000000312
材料层孔隙率为
Figure FDA00035096091000000313
面部贴合处缝隙值为
Figure FDA00035096091000000314
k为迭代次数；
步骤2.2：利用三维激光扫描技术对口罩进行3D扫描，获得与实物结构相同的3D扫描模型；
步骤2.3：确定流体控制方程、多孔介质两相流方法和湍流模型，其中流体控制方程组包括连续性方程和Navier-Stokes方程，多孔介质两相流方法中，多孔介质理论采用Darcy-Forchheimer定律，两相流方法采用欧拉-拉格朗日描述法，湍流模型选用标准k-ε模型；利用计算流体力学分析软件CFX，根据口罩的3D扫描模型和口罩设计参数的初始值，设置口罩厚度为
Figure FDA00035096091000000315
材料层孔隙率为
Figure FDA00035096091000000316
面部贴合处缝隙值为
Figure FDA00035096091000000317
建立口罩的CFD计算模型。
3.如权利要求1所述的一种针对口罩设计参数的多性能优化方法，其特征在于，所述步骤3具体包括如下子步骤：
步骤3.1：设置口罩的CFD计算模型边界、环境温度及湿度，其中，设置边界为口鼻处、口罩与面部缝隙处、人面部、流固耦合面，并将口鼻处设置为流质入口、口罩与面部缝隙处设置为流质出口、口罩面设置为多孔域面、人面部设置为壁面；
步骤3.2：设置流质流速，利用计算流体力学分析软件CFX模拟口罩对外部流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外粒子浓度差，利用口罩内外粒子浓度差表征口罩的防护能力，得到无量纲化后的防护能力
Figure FDA0003509609100000041
再模拟呼吸、咳嗽、打喷嚏时口罩对佩戴者产生流质的阻挡过程，获得口罩内外的流场分布，计算口罩内外气流压力差及口罩与面部贴合缝隙处的流量值，利用口罩内外气流压力差表征口罩的呼吸阻力，得到无量纲化后的呼吸阻力
Figure FDA0003509609100000042
利用口罩与面部贴合缝隙处的流量值表征口罩的气密性，得到无量纲化后的气密性
Figure FDA0003509609100000043
步骤3.3：将无量纲化后的防护能力
Figure FDA0003509609100000044
呼吸阻力
Figure FDA0003509609100000045
气密性
Figure FDA0003509609100000046
代入口罩综合性能函数，计算口罩综合性能函数φ(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure FDA0003509609100000047
其中xi (k)为第k次迭代计算的口罩设计参数，
Figure FDA0003509609100000048
为口罩综合性能函数φ(x(k))对口罩厚度x1 (k)的灵敏度，
Figure FDA0003509609100000049
为口罩综合性能函数φ(x(k))对材料层孔隙率x2 (k)的灵敏度，
Figure FDA00035096091000000410
为口罩综合性能函数φ(x(k))对面部贴合处缝隙大小x3 (k)的灵敏度；再计算约束函数g(x(k))及其对口罩厚度、材料层孔隙率和面部贴合处缝隙大小的灵敏度
Figure FDA00035096091000000411
其中
Figure FDA00035096091000000412
为约束函数g(x(k))对口罩厚度x1 (k)的灵敏度，
Figure FDA00035096091000000413
为约束函数g(x(k))对材料层孔隙率x2 (k)的灵敏度，
Figure FDA00035096091000000414
为约束函数g(x(k))对面部贴合处缝隙大小x3 (k)的灵敏度。
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