一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種建模方法，尤其是一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 空氣阻力是指物體在運(yùn)行時(shí)，由于前面的空氣被壓縮，兩側(cè)表面與空氣的摩擦，以 及尾部后面的空間成為部分真空，這些作用所引起的阻力。研究表明，在自行車競(jìng)賽中，以 32km/h的速度前進(jìn)時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的能量有90%消耗在克服空氣阻力上，因此減少空氣阻力對(duì) 于運(yùn)動(dòng)員贏得比賽十分重要。
[0003] 以往國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行服裝空氣阻力的相關(guān)研究時(shí)，大多采用空氣阻力公 式Fw= (CdpAV2)/2來(lái)進(jìn)行計(jì)算或者將空氣阻力系數(shù)CD作為測(cè)試指標(biāo)。此方法適于用來(lái) 計(jì)算具有特定形態(tài)物體所受到的空氣阻力之和。但是由于空氣阻力系數(shù)CD測(cè)量的阻力是 包括壓差阻力和摩擦阻力等在內(nèi)的總阻力。騎行運(yùn)動(dòng)員在騎行狀態(tài)中屬于流線型體型，摩 擦阻力在空氣阻力中的比重較大。因此空氣阻力系數(shù)CD不能直觀地顯示出織物引起的空 氣摩擦阻力的大小。因此有必要從減少服裝材料引起的空氣摩擦阻力方面進(jìn)行研究。而以 往關(guān)于服裝材料這一柔性表面的減阻研究較少，為此單獨(dú)將空氣阻力中的摩擦阻力進(jìn)行分 離，對(duì)柔性織物表面的空氣摩擦阻力進(jìn)行研究，從而為設(shè)計(jì)表面抗風(fēng)阻性能好的柔性織物 提供依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是：通過(guò)對(duì)以往文獻(xiàn)的研究，提出柔性織物 空氣摩擦阻力系數(shù)指標(biāo)f，提出初步模型P=fP設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到壓強(qiáng) 差P、空氣密度P、和風(fēng)速v;根據(jù)同一種織物在不同風(fēng)速下的織物空氣摩擦系數(shù)應(yīng)相同的 理論，在η= 1-3內(nèi)搜尋適合的n，經(jīng)計(jì)算得出η= 2。采用最小二乘法，用模型P=fpv2 來(lái)確定每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f;采取擬合優(yōu)度檢驗(yàn)通來(lái)驗(yàn)證該模型P=fPv2的 可靠性。
[0006] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明所述柔性織物風(fēng)阻的建模方法，提 出了一個(gè)測(cè)量織物風(fēng)阻的新的測(cè)量指標(biāo)一一織物表面空氣摩擦阻力系數(shù)f，該指標(biāo)更適合 用來(lái)衡量服裝織物的空氣阻力；建立了織物空氣摩擦阻力模型P=fPv2,并且擬合優(yōu)度檢 驗(yàn)顯示，模型擬合度高，模型可靠。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1為本發(fā)明求解未知參數(shù)η程序流程圖；
[0008] 圖2為本發(fā)明求解織物空氣摩擦阻力系數(shù)f程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0010] 本發(fā)明具體包括以下步驟：
[0011] 1、通過(guò)對(duì)以往文獻(xiàn)的研究，提出柔性織物空氣摩擦阻力系數(shù)指標(biāo)f，提出初步模型 P=fPvn〇
[0012] 由流體力學(xué)空氣阻力公式
[0014] 其中，F(xiàn)為空氣阻力，CD為空氣阻力系數(shù)，P為空氣密度kg/m3，A為迎風(fēng)面積/m2， V為風(fēng)速m/s。擬定空氣摩擦阻力初步模型
[0015] Ff=f·P·A·vn(n為常數(shù)）， (2)
[0016] 其中，F(xiàn)f指表面摩擦阻力，f指與織物表面空氣摩擦阻力系數(shù)，它是與織物的抗風(fēng) 阻性能有關(guān)的系數(shù)。又由壓強(qiáng)公式F=P·A(P為空氣經(jīng)過(guò)織物表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，A為織 物迎風(fēng)面積）適用于流體領(lǐng)域，帶入（2)可得
[0017] p=f.p. vn, (3)
[0018] 公式（3)即為織物表面與空氣摩擦的初步模型，其中η為未知參數(shù)。
[0019] 2、通過(guò)測(cè)量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到壓強(qiáng)差Ρ、空氣密度Ρ、和風(fēng)速V。
[0020] 根據(jù)伯努力原理，有平板壓差計(jì)算方

由此公式將風(fēng)速轉(zhuǎn)化成空氣經(jīng)過(guò)面料產(chǎn)生的壓強(qiáng)差 Ρ#在每個(gè)η值下共有i組壓差值，分別記為· · ·，P6j，（i為織物編號(hào)，j為風(fēng)速 編號(hào)）。
[0021] 3、根據(jù)同一種織物在不同風(fēng)速下的織物空氣摩擦系數(shù)應(yīng)相同的理論，在η= 1-3 內(nèi)搜尋適合的η，經(jīng)計(jì)算得出η= 2。
[0022] 如圖1所示，η反映的是速度與空氣摩擦阻力之間的非線性關(guān)系，η= 1表示速度 與空氣摩擦阻力呈線性關(guān)系即F=f*P·Α·ν，所以η= 1應(yīng)該是η的起始搜尋值。鑒于 學(xué)者對(duì)不同面料的壓差值進(jìn)行曲線擬合，冪函數(shù)的指數(shù)小于3?？諝庾枇εc風(fēng)速之間的回歸 關(guān)系，可以將η= 3作為搜尋結(jié)束值。搜尋步長(zhǎng)設(shè)定為0. 1即可使η精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。 容忍方差D。和搜尋歩長(zhǎng)共同決定η的取值精度。
[0023] 理論上同一種織物在不同風(fēng)速下的織物空氣摩擦系數(shù)應(yīng)相同。因此，由統(tǒng)計(jì)學(xué)中 方差相關(guān)理論可知，同一面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f(由p=f·Ρ·Vn可得f=Ρ/ΡVη) 的方差D1= 0。然而實(shí)驗(yàn)中，同一個(gè)面料在8個(gè)不同風(fēng)速下的ΡΡν。/應(yīng)該是趨近相等的 一組數(shù)，方差Di為無(wú)限趨近于0的一組數(shù)。方差D;就越小，η越趨近精確值。每一種織物 都可以算出一個(gè)方差，一共i個(gè)這樣的方差。此時(shí)程序在η= 1~3中開(kāi)始搜尋。取其中 最大的方差D_與容忍方差D。來(lái)比較。容忍方差D。起到提高解的精度的作用，D。越趨近于 0表明數(shù)據(jù)的離散程度越小，η值越趨近于真實(shí)值。D。的取值需要在計(jì)算過(guò)程中需經(jīng)過(guò)調(diào)試 得到，且lim隊(duì)=0。如果0_<0。，表明η已經(jīng)非常趨近精確值，則可認(rèn)為此時(shí)的η為適 合值。
[0024] 4、采用最小二乘法，用模型P=fp，來(lái)確定每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f。
[0025] 如圖2所示，用模型P=f·Ρ·ν2來(lái)確定每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f。計(jì) 算每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f的原理為采用最小二乘法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬 合。假設(shè)fi在fimin~fimax之間，采用定步長(zhǎng)搜索得到。步長(zhǎng)為（fimax-fimin)/50,當(dāng)滿足 Σ(?·1χ·P·V-P^)2最小時(shí)，對(duì)應(yīng)的為該面料的空氣阻力摩擦系數(shù)。
[0026] 5、采取擬合優(yōu)度檢驗(yàn)R2來(lái)驗(yàn)證該模型P=fPv2的可靠性。
[0027] 由于織物表面空氣摩擦阻力模型P=f·P·v2為多元回歸方程，多元回歸方程 的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)用f2統(tǒng)計(jì)量來(lái)進(jìn)行評(píng)判。因此采取擬合優(yōu)度檢驗(yàn)戾2來(lái)驗(yàn)證該模型的可靠 性。f2的取值在〇至1之間，戾2越接近1，說(shuō)明回歸方程對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合優(yōu)度越高； 反之，哀 2越接近〇,說(shuō)明回歸方程對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合優(yōu)度越低。通過(guò)研究結(jié)果，每組柔性 織物空氣摩擦阻力系數(shù)和模型的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)玉 2都在〇. 976以上，說(shuō)明模型擬合度高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法，其特征在于該方法包括W下步驟： 步驟1、通過(guò)對(duì)W往文獻(xiàn)的研究，提出柔性織物空氣摩擦阻力系數(shù)指標(biāo)f，提出初步模 型p=fpv"; 步驟2、通過(guò)測(cè)量風(fēng)桐實(shí)驗(yàn)得到壓強(qiáng)差P、空氣密度P和風(fēng)速V; 步驟3、根據(jù)同一種織物在不同風(fēng)速下的織物空氣摩擦系數(shù)應(yīng)相同的理論，在η= 1-3 內(nèi)捜尋適合的η，根據(jù)步驟2所得的多組壓強(qiáng)差Ρ、空氣密度Ρ和風(fēng)速V得出η= 2 ; 步驟4、采用最小二乘法，用模型P=fpγ2來(lái)確定每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f; 步驟5、采取擬合優(yōu)度檢驗(yàn)R2來(lái)驗(yàn)證該模型P=fpV2的可靠性。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法，其特征在于：步驟1具體 是： 由流體力學(xué)空氣阻力公式(1) 其中，F(xiàn)為空氣阻力，Cd為空氣阻力系數(shù)，P為空氣密度，A為迎風(fēng)面積，V為風(fēng)速；擬 定空氣摩擦阻力初步模型 Ff=f·P·A·Vη(2) 其中，F(xiàn)f指表面摩擦阻力，f指與織物表面空氣摩擦阻力系數(shù)，它是與織物的抗風(fēng)阻性 能有關(guān)的系數(shù)；又由壓強(qiáng)公式F=P·A，帶入（2)可得 P=f.P.V。， (3) 其中P為空氣經(jīng)過(guò)織物表面產(chǎn)生的壓強(qiáng)差，A為織物迎風(fēng)面積； 公式（3)即為織物表面與空氣摩擦的初步模型，其中η為未知參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法，其特征在于：步驟2具體 是： 根據(jù)伯努力原理，有平板壓差計(jì)算方程由此公式將風(fēng)速轉(zhuǎn)化成空氣經(jīng)過(guò)面料產(chǎn)生的壓強(qiáng)差Pi，;在每個(gè)η值下共有i組壓差 值，分別記為Pij，Pzj，…，Pej，i為織物編號(hào)，j為風(fēng)速編號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法，其特征在于：步驟3具體 是： η反映的是速度與空氣摩擦阻力之間的非線性關(guān)系，η=1表示速度與空氣摩擦阻力呈 線性關(guān)系即F=f·Ρ·A·V，所Wη= 1應(yīng)該是η的起始捜尋值；鑒于對(duì)不同面料的壓差 值進(jìn)行曲線擬合，幕函數(shù)的指數(shù)小于3 ;空氣阻力與風(fēng)速之間的回歸關(guān)系，將η= 3作為捜 尋結(jié)束值；捜尋步長(zhǎng)設(shè)定為0. 1即可使η精確到小數(shù)點(diǎn)后一位；容忍方差D。和捜尋歩長(zhǎng)共 同決定η的取值精度； 理論上同一種織物在不同風(fēng)速下的織物空氣摩擦系數(shù)應(yīng)相同；因此，由統(tǒng)計(jì)學(xué)中方差 相關(guān)理論可知，同一面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f的方差Di=ο;然而實(shí)驗(yàn)中，同一個(gè)面料在 八個(gè)不同風(fēng)速下的Ρι，/Ρ V。，"應(yīng)該是趨近相等的一組數(shù)，方差D1為無(wú)限趨近于0的一組數(shù)； 方差Di就越小，η越趨近精確值；每一種織物都可W算出一個(gè)方差，一共i個(gè)運(yùn)樣的方差； 此時(shí)在η= 1~3中開(kāi)始捜尋；取其中最大的方差Dm。、與容忍方差D。來(lái)比較；容忍方差D。 起到提高解的精度的作用，D。越趨近于0表明數(shù)據(jù)的離散程度越小，η值越趨近于真實(shí)值； D。的取值經(jīng)過(guò)調(diào)試得到，且limD。= 0 ;如果Dmgx<D。，表明η已經(jīng)非常趨近精確值，則可認(rèn) 為此時(shí)的η為適合值；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出η的精確值為2。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法，其特征在于：步驟4具體 是： 用模型Ρ=f.Ρ.y2來(lái)確定每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f;計(jì)算每個(gè)面料的空氣摩 擦阻力系數(shù)f的原理為采用最小二乘法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合；假設(shè)在fimi。~fim。、 之間，采用定步長(zhǎng)捜索得到；步長(zhǎng)為（fimex-fimJ/50,當(dāng)滿足S(fu· P ·ν^η-Ρι,)2最小時(shí)， 對(duì)應(yīng)的為該面料的空氣阻力摩擦系數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法，其特征在于：步驟5具體 是： 由于織物表面空氣摩擦阻力模型P=f·P-v2為多元回歸方程，多元回歸方程的擬 合優(yōu)度檢驗(yàn)用忌2統(tǒng)計(jì)量來(lái)進(jìn)行評(píng)判；因此采取擬合優(yōu)度檢驗(yàn)異2來(lái)驗(yàn)證該模型的可靠性； 露2;|的取值在0至1之間，巧2越接近1，說(shuō)明回歸方程對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合優(yōu)度越高；反之， 吞2越接近0,說(shuō)明回歸方程對(duì)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合優(yōu)度越低；通過(guò)研究結(jié)果，每組柔性織物 空氣摩擦阻力系數(shù)和模型的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)疼 3都在0. 976W上，說(shuō)明模型擬合度高。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種柔性織物表面風(fēng)阻建模方法。本發(fā)明通過(guò)對(duì)以往文獻(xiàn)的研究，提出柔性織物空氣摩擦阻力系數(shù)指標(biāo)f，提出初步模型P＝fρvn；設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)得到壓強(qiáng)差P、空氣密度ρ、和風(fēng)速v；根據(jù)同一種織物在不同風(fēng)速下的織物空氣摩擦系數(shù)應(yīng)相同的理論，在n＝1-3內(nèi)搜尋適合的n，經(jīng)計(jì)算得出n＝2。采用最小二乘法，用模型P＝fρv2來(lái)確定每個(gè)面料的空氣摩擦阻力系數(shù)f；采取擬合優(yōu)度檢驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該模型P＝fρv2的可靠性。本發(fā)明提出了一個(gè)織物表面空氣摩擦阻力系數(shù)f,該指標(biāo)更適合用來(lái)衡量服裝織物的空氣阻力；并建立了織物空氣摩擦阻力模型P＝fρv2，并且擬合優(yōu)度檢驗(yàn)顯示，模型擬合度高，模型可靠。
【IPC分類】G06F19/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105404768
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510732638
【發(fā)明人】閻玉秀, 聶宇思, 金子敏, 王怡
【申請(qǐng)人】浙江理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年11月2日