一種柔性織物表面風阻建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種建模方法，尤其是一種柔性織物表面風阻建模方法。
【背景技術】
[0002] 空氣阻力是指物體在運行時，由于前面的空氣被壓縮，兩側表面與空氣的摩擦，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，在自行車競賽中，以 32km/h的速度前進時，運動員的能量有90%消耗在克服空氣阻力上，因此減少空氣阻力對 于運動員贏得比賽十分重要。
[0003] 以往國內外相關學者在進行服裝空氣阻力的相關研究時，大多采用空氣阻力公 式Fw= (CdpAV2)/2來進行計算或者將空氣阻力系數CD作為測試指標。此方法適于用來 計算具有特定形態物體所受到的空氣阻力之和。但是由于空氣阻力系數CD測量的阻力是 包括壓差阻力和摩擦阻力等在內的總阻力。騎行運動員在騎行狀態中屬于流線型體型，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行研究。而以 往關于服裝材料這一柔性表面的減阻研究較少，為此單獨將空氣阻力中的摩擦阻力進行分 離，對柔性織物表面的空氣摩擦阻力進行研究，從而為設計表面抗風阻性能好的柔性織物 提供依據。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術的不足，提供了一種柔性織物表面風阻建模方法。
[0005] 本發明解決上述技術問題的技術方案是：通過對以往文獻的研究，提出柔性織物 空氣摩擦阻力系數指標f，提出初步模型P=fP設計風洞實驗，通過風洞實驗得到壓強 差P、空氣密度P、和風速v;根據同一種織物在不同風速下的織物空氣摩擦系數應相同的 理論，在η= 1-3內搜尋適合的n，經計算得出η= 2。采用最小二乘法，用模型P=fpv2 來確定每個面料的空氣摩擦阻力系數f;采取擬合優度檢驗通來驗證該模型P=fPv2的 可靠性。
[0006] 本發明與現有技術相比具有以下優點：本發明所述柔性織物風阻的建模方法，提 出了一個測量織物風阻的新的測量指標一一織物表面空氣摩擦阻力系數f，該指標更適合 用來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,并且擬合優度檢 驗顯示，模型擬合度高，模型可靠。
【附圖說明】
[0007] 圖1為本發明求解未知參數η程序流程圖；
[0008] 圖2為本發明求解織物空氣摩擦阻力系數f程序流程圖。
【具體實施方式】
[0009] 以下結合附圖對本發明作進一步說明。
[0010] 本發明具體包括以下步驟：
[0011] 1、通過對以往文獻的研究，提出柔性織物空氣摩擦阻力系數指標f，提出初步模型 P=fPvn〇
[0012] 由流體力學空氣阻力公式
[0014] 其中，F為空氣阻力，CD為空氣阻力系數，P為空氣密度kg/m3，A為迎風面積/m2， V為風速m/s。擬定空氣摩擦阻力初步模型
[0015] Ff=f·P·A·vn(n為常數）， (2)
[0016] 其中，Ff指表面摩擦阻力，f指與織物表面空氣摩擦阻力系數，它是與織物的抗風 阻性能有關的系數。又由壓強公式F=P·A(P為空氣經過織物表面產生的壓強差，A為織 物迎風面積）適用于流體領域，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。
[0019] 2、通過測量風洞實驗得到壓強差Ρ、空氣密度Ρ、和風速V。
[0020] 根據伯努力原理，有平板壓差計算方
由此公式將風速轉化成空氣經過面料產生的壓強差 Ρ#在每個η值下共有i組壓差值，分別記為· · ·，P6j，（i為織物編號，j為風速 編號）。
[0021] 3、根據同一種織物在不同風速下的織物空氣摩擦系數應相同的理論，在η= 1-3 內搜尋適合的η，經計算得出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系，η= 1表示速度 與空氣摩擦阻力呈線性關系即F=f*P·Α·ν，所以η= 1應該是η的起始搜尋值。鑒于 學者對不同面料的壓差值進行曲線擬合，冪函數的指數小于3。空氣阻力與風速之間的回歸 關系，可以將η= 3作為搜尋結束值。搜尋步長設定為0. 1即可使η精確到小數點后一位。 容忍方差D。和搜尋歩長共同決定η的取值精度。
[0023] 理論上同一種織物在不同風速下的織物空氣摩擦系數應相同。因此，由統計學中 方差相關理論可知，同一面料的空氣摩擦阻力系數f(由p=f·Ρ·Vn可得f=Ρ/ΡVη) 的方差D1= 0。然而實驗中，同一個面料在8個不同風速下的ΡΡν。/應該是趨近相等的 一組數，方差Di為無限趨近于0的一組數。方差D;就越小，η越趨近精確值。每一種織物 都可以算出一個方差，一共i個這樣的方差。此時程序在η= 1~3中開始搜尋。取其中 最大的方差D_與容忍方差D。來比較。容忍方差D。起到提高解的精度的作用，D。越趨近于 0表明數據的離散程度越小，η值越趨近于真實值。D。的取值需要在計算過程中需經過調試 得到，且lim隊=0。如果0_<0。，表明η已經非常趨近精確值，則可認為此時的η為適 合值。
[0024] 4、采用最小二乘法，用模型P=fp，來確定每個面料的空氣摩擦阻力系數f。
[0025] 如圖2所示，用模型P=f·Ρ·ν2來確定每個面料的空氣摩擦阻力系數f。計 算每個面料的空氣摩擦阻力系數f的原理為采用最小二乘法，對實驗數據進行曲線擬 合。假設fi在fimin~fimax之間，采用定步長搜索得到。步長為（fimax-fimin)/50,當滿足 Σ(?·1χ·P·V-P^)2最小時，對應的為該面料的空氣阻力摩擦系數。
[0026] 5、采取擬合優度檢驗R2來驗證該模型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 的擬合優度檢驗用f2統計量來進行評判。因此采取擬合優度檢驗戾2來驗證該模型的可靠 性。f2的取值在〇至1之間，戾2越接近1，說明回歸方程對樣本數據點的擬合優度越高； 反之，哀 2越接近〇,說明回歸方程對樣本數據點的擬合優度越低。通過研究結果，每組柔性 織物空氣摩擦阻力系數和模型的擬合優度檢驗玉 2都在〇. 976以上，說明模型擬合度高。
【主權項】
1. 一種柔性織物表面風阻建模方法，其特征在于該方法包括W下步驟： 步驟1、通過對W往文獻的研究，提出柔性織物空氣摩擦阻力系數指標f，提出初步模 型p=fpv"; 步驟2、通過測量風桐實驗得到壓強差P、空氣密度P和風速V; 步驟3、根據同一種織物在不同風速下的織物空氣摩擦系數應相同的理論，在η= 1-3 內捜尋適合的η，根據步驟2所得的多組壓強差Ρ、空氣密度Ρ和風速V得出η= 2 ; 步驟4、采用最小二乘法，用模型P=fpγ2來確定每個面料的空氣摩擦阻力系數f; 步驟5、采取擬合優度檢驗R2來驗證該模型P=fpV2的可靠性。2. 根據權利要求1所述的一種柔性織物表面風阻建模方法，其特征在于：步驟1具體 是： 由流體力學空氣阻力公式(1) 其中，F為空氣阻力，Cd為空氣阻力系數，P為空氣密度，A為迎風面積，V為風速；擬 定空氣摩擦阻力初步模型 Ff=f·P·A·Vη(2) 其中，Ff指表面摩擦阻力，f指與織物表面空氣摩擦阻力系數，它是與織物的抗風阻性 能有關的系數；又由壓強公式F=P·A，帶入（2)可得 P=f.P.V。， (3) 其中P為空氣經過織物表面產生的壓強差，A為織物迎風面積； 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。3. 根據權利要求1所述的一種柔性織物表面風阻建模方法，其特征在于：步驟2具體 是： 根據伯努力原理，有平板壓差計算方程由此公式將風速轉化成空氣經過面料產生的壓強差Pi，;在每個η值下共有i組壓差 值，分別記為Pij，Pzj，…，Pej，i為織物編號，j為風速編號。4. 根據權利要求1所述的一種柔性織物表面風阻建模方法，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系，η=1表示速度與空氣摩擦阻力呈 線性關系即F=f·Ρ·A·V，所Wη= 1應該是η的起始捜尋值；鑒于對不同面料的壓差 值進行曲線擬合，幕函數的指數小于3 ;空氣阻力與風速之間的回歸關系，將η= 3作為捜 尋結束值；捜尋步長設定為0. 1即可使η精確到小數點后一位；容忍方差D。和捜尋歩長共 同決定η的取值精度； 理論上同一種織物在不同風速下的織物空氣摩擦系數應相同；因此，由統計學中方差 相關理論可知，同一面料的空氣摩擦阻力系數f的方差Di=ο;然而實驗中，同一個面料在 八個不同風速下的Ρι，/Ρ V。，"應該是趨近相等的一組數，方差D1為無限趨近于0的一組數； 方差Di就越小，η越趨近精確值；每一種織物都可W算出一個方差，一共i個運樣的方差； 此時在η= 1~3中開始捜尋；取其中最大的方差Dm。、與容忍方差D。來比較；容忍方差D。 起到提高解的精度的作用，D。越趨近于0表明數據的離散程度越小，η值越趨近于真實值； D。的取值經過調試得到，且limD。= 0 ;如果Dmgx<D。，表明η已經非常趨近精確值，則可認 為此時的η為適合值；根據實驗結果，得出η的精確值為2。5. 根據權利要求1所述的一種柔性織物表面風阻建模方法，其特征在于：步驟4具體 是： 用模型Ρ=f.Ρ.y2來確定每個面料的空氣摩擦阻力系數f;計算每個面料的空氣摩 擦阻力系數f的原理為采用最小二乘法，對實驗數據進行曲線擬合；假設在fimi。~fim。、 之間，采用定步長捜索得到；步長為（fimex-fimJ/50,當滿足S(fu· P ·ν^η-Ρι,)2最小時， 對應的為該面料的空氣阻力摩擦系數。6. 根據權利要求1所述的一種柔性織物表面風阻建模方法，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 合優度檢驗用忌2統計量來進行評判；因此采取擬合優度檢驗異2來驗證該模型的可靠性； 露2;|的取值在0至1之間，巧2越接近1，說明回歸方程對樣本數據點的擬合優度越高；反之， 吞2越接近0,說明回歸方程對樣本數據點的擬合優度越低；通過研究結果，每組柔性織物 空氣摩擦阻力系數和模型的擬合優度檢驗疼 3都在0. 976W上，說明模型擬合度高。
【專利摘要】本發明涉及一種柔性織物表面風阻建模方法。本發明通過對以往文獻的研究，提出柔性織物空氣摩擦阻力系數指標f，提出初步模型P＝fρvn；設計風洞實驗，通過風洞實驗得到壓強差P、空氣密度ρ、和風速v；根據同一種織物在不同風速下的織物空氣摩擦系數應相同的理論，在n＝1-3內搜尋適合的n，經計算得出n＝2。采用最小二乘法，用模型P＝fρv2來確定每個面料的空氣摩擦阻力系數f；采取擬合優度檢驗來驗證該模型P＝fρv2的可靠性。本發明提出了一個織物表面空氣摩擦阻力系數f,該指標更適合用來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，并且擬合優度檢驗顯示，模型擬合度高，模型可靠。
【IPC分類】G06F19/00
【公開號】CN105404768
【申請號】CN201510732638
【發明人】閻玉秀, 聶宇思, 金子敏, 王怡
【申請人】浙江理工大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年11月2日