基于压力舒适性的纺织材料设计反问题:数学建模、分析及数值计算

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本文依据弹性力学中的小变形理论,建立了人体-弹性织物系统的静态力学模型。通过模型及适当假设建立正问题,得到关于弹性织物位移函数的椭圆型偏微分方程组边值问题,利用有限差分法对椭圆型偏微分方程组边界值问题进行离散,利用正则化伴随共轭梯度法求解得到的线性代数方程,获得人体与织物接触部分的压力分布。利用本文的数值方法,对二维情形进行数值模拟,结果表明本问题所用的数值方法的有效性,并将本文的数值方法应用于三维情形。数值模拟实例验证了模型的正确性。  以正问题的研究为基础,首次提出了基于人体与织物接触面上压力舒适性决定弹性织物类型的反问题。反问题的研究可为纺织材料的类型设计提供实验解释和理论指导。反问题的研究主要有:首先从理论上诠释人体与织物接触面上压力舒适范围的涵义;其次依据关于具有各向同性弹性特征的弹性织物的弹性力学的小变形理论,结合人体着装时人体与弹性织物接触面上的压力舒适性范围和弹性织物各边界面上的应力、应变条件,构造由压力舒适性决定弹性织物材料类型的关于函数极小值的最小二乘问题(E*,μ*)=arg min∑P∈Ωω2P(σP(E,μ)-σ*P)2。最后以人体腿部弹性织物压力分布模型为例,通过有限差分方法、BFGS方法求解了弹性系数决定的反问题。数值结果表明弹性拉伸模量、剪切模量组合(E,μ)的最优选取应近似满足线性关系,从而验证了模型的合理性、算法的有效性。
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