纤维材料结构参数和气流相关特性的MATLAB工具

软件X 20（2022）101213原始软件出版物AFDeter：一个基于MATLAB的工具，用于简单快速地确定纤维材料的结构参数和气流相关特性杨涛a，胡丽珠b，陈安雅c，马若琳·图纳克d，张尚勇e，张晓，余德友f，Xiaodong Tangg，MichalPetría，Ivan Mašína，Sundaramoorthy Palanisamyfa纳米材料、先进技术和创新研究所，利贝雷茨技术大学，461 17 Liberec，捷克共和国b江西服装学院江西现代服装工程技术中心，中国南昌330200c图宾根大学中国研究系，720 74 Tübingen，Germanyd捷克共和国利贝雷茨技术大学纺织工程学院纺织评估系，邮编461 17武汉纺织大学纺织科学与工程学院，武汉，430200f浙江理工大学纺织品生态染整教育部工程研究中心，浙江g捷克共和国利贝雷茨工业大学纺织工程学院材料工程系，邮编461 17ar t i cl e i nf o文章历史记录：接收日期：2022年收到修订版，2022年7月22日接受，2022年保留字：MATLAB气流穿透特性的逆表征纤维材料a b st ra ctAFDeter是一个集成软件包，用于研究和学习目的，根据纤维材料的气流渗透行为同时确定其结构参数和气流相关特性。一些容易获得的数据（即，气流速度和压降）通过求解反问题来获得参数和性质。AFDeter适用于各种纤维材料，包括传统的纤维无纺布和纳米纤维材料。还包括其他功能，例如导入数据和边界设置验证。AFDeter的操作简单方便，可以作为基于MATLAB的应用程序或独立应用程序运行©2022作者（S）。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据代码元数据描述请填写此栏当前代码版本v1.1用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SOFTX-D-22-00111可复制胶囊的永久链接Legal code license 3-clause BSD使用git的代码版本控制系统使用MATLAB的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境和依赖关系在Windows、macOS、MATLAB R2020b和R2021b上进行了测试如果可用，请链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件tao. tul.cz*通讯作者。电子邮件地址：tao. tul.czlizhu.hu hotmail.com（TaoYang），www.example.com@wwwoutlook.de. com（Lizhu Hu），anya.tul.cz（Anja Chen），maros.shangyong027@qq.com（MaroanTunák），tul.cz（Shangyong Zhang），www.example.com（Deyou Yu），xiaodong.tul.cz（Xiaodong Tan），michal. petru@www.example.com（Michal Petravan），ivan.tul.cz（Ivan Mašín），sundaramoorthy.palanisamy@www.example.com（Sundaramoorthy Palanisamy）。yudeyou92@zstu.edu.cntul.czhttps://doi.org/10.1016/j.softx.2022.1012131. 动机和意义反问题是科学和数学中最重要的数学问题之一，因为它们提供了关于难以直接确定的参数的信息。反问题在声学[1]、医学成像[2]、地球物理[3]、无损检测[4]等许多领域都有成功的应用最小二乘法和概率方法是主要的方法2352-7110/©2022作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx杨涛，胡丽珠，陈安雅等。软件X 20（2022）1012132∑（）求逆问题[5]。在这项工作中，开发了一个集成的软件平台（称为AFDeter），通过最小二乘法解决其气流渗透行为的逆问题，同时表征纤维材料。同时，与气流相关的特性（即，根据达西定律、ISO 9053-1：2018和ISO 9053-2：2020 [ 6，7 ]测定渗透系数和气流阻力如今，纤维集合体已成为各种工业和民用领域应用中不可或缺的材料，例如纤维增强材料[8-结构参数的重要性（例如，孔隙率、纤维直径和厚度）对用于此类应用的纤维的最终性质的影响已经被广泛研究[17]。现有的直接方法被广泛用于单独表征结构参数[18然而，在传统的直接表征方法中，各种不同的特定设备是必不可少的。显然，逐个测量参数是耗时的。随着逆问题的数学优化和相应算法的发展[22]，可以通过逆表征方法同时确定纤维材料的结构参数[23反向声学表征已成功应用于估计纤维材料的纤维直径、孔隙率、体积密度、弯曲度、粘性和热特征长度[5，26]。然而，声学反演方法需要四麦克风阻抗管，并且在管中的测量相对复杂。采用气流法快速测定了自上世纪中叶以来，羊毛纤维的细度（或直径）和棉纤维的成熟度[27，28]。近日更已经证明，气流方法是反向表征纤维材料的替代方法，包括正常纤维材料和纳米纤维材料[29]。此外，气流法适用于确定渗透系数和气流阻力[16]。这两个参数很重要，在某些情况下不易测量。例如，渗透系数是决定液体复合材料成型工艺中浸渍质量的关键参数[30，31]，气流阻力是吸声性能的最重要参数之一[32]。研究人员仍在努力寻求一种稳定准确的方法来确定前一个参数[30]，后一个参数通常在特定的设备中测量（例如，AFD 300 AcoustiFlow），在非声学实验室中并不总是可用。在AFDeter的帮助下，通过简单地输入气流速度-压降数据和设定结构参数的界限，可以快速地获得与气流有关的然而，到目前为止，还没有一个软件包实现了反向表征方法，以检查基于声学特性或气流渗透行为的纤维材料的结构参数和此外，常规的广泛使用的方法对于纳米纤维材料的孔隙率和厚度的测定是不可行的或不准确的。因此，开发一套快速、简便地确定纤维材料结构参数和气流相关性能的软件是非常有价值和意义的2. 软件描述2.1. 软件构架软件包AFDeter在Windows和macOS系统中作为独立应用程序工作。一个MATLAB应用程序，也AFDeter是安装在MATLAB中的系统的替代解决方案独立应用程序通过应用程序编译器打包，附加组件中的Package App选项用于打包MATLAB应用程序。应用程序设计器来布局图形用户界面（GUI）的可视化组件，并在MATLAB R2021b中对软件行为进行编程AFDeter应用程序适用于MATLAB版本R2020b及更高版本，早期版本的MATLAB也应该可以工作，但尚未经过测试。AFDeter 工 具 有 三 个 选 项 卡 ： 1. 主 功 能 选 项 卡 ， 也 称 为“AFDeter”; 2.“说明”选项卡用于通过描述和插图向用户演示操作步骤; 3. The ‘Help’ tab provides the contact infor- mation of thekey developer and some additional information, such 所有的功能和操作都在“AFDeter”选项卡中实现 图 1显示了AFDeter操作流程的示意图。主要有三个操作步骤：导入数据并验证其有效性，设置并验证边界，运行核心函数并获得结果。在第一步中，用户从xlsx格式的文件中导入气流速度和压降数据。应储存气流速度和压降分别在第一列和第二列中。在执行工具的核心功能之前，参数的界限Kozeny型和Ergun型方程）需要被设置以用于更精确的表征。解决最小化问题是AFDeter工具箱的核心功能，它是通过Nelder-Mead优化算法[ 22 ]执行的2.2. 软件功能如图 1、AFDeter工具有三个功能，分别是数据验证、检查边界设置、找到合适的方程和结果输出。2.2.1. 数据验证AFDeter显示气流速度和压降，导入数据后的表格和图形。如果数据具有不相等的数量或数据包含此外，在工具箱中还嵌入了数据量推荐功能如果数据量小于20，则显示提示信息，但不影响进一步操作。为了计算精度，建议使用大量的数据2.2.2. 检查边界设置如上所述，通过给出参数的边界，有助于提高纤维材料逆表征在“设置和验证边界”步骤中，需要为优化算法给出上下界。如果下限高于上限，将显示一条警告消息，工具箱将无法继续运行。如果一个或多个参数是已知的（例如，厚度或孔隙度，或两者），每个参数的下限和上限应设置为相同的值。2.2.3. 找到合适的方程和结果输出在最后一步中，即nf（x）=pcal−i=1杨涛，胡丽珠，陈安雅等。软件X 20（2022）1012133−图1.一、A F D e t e r 操作流程和功能的示意图。其中N是导入数据的设定数量（即，气流这两个方程表示为[29，34，35]：氟化物纳米膜等）在作者的前期工作中得到了证实主界面使用户能够导入、验证和显示数据，设置和验证边界，并获得结果。这些功能被组织在不同的面板中（见图1）。（第2（a）段）A= A（1−φ）2φ3恩胡（1. 5d）2，（2）数据导入和显示：从Excel（.xlsx格式）文件中加载测量的气流速度和压降A= A（1−φ）2恩胡+B（1−φ）ρ空气胡二、（3）并验证其有效性。• 边界设置：设置参数上限和下限φ3（1.5d）2φ31。5d减少操作时间和增加式中，ρair是纤维材料两侧之间的压降，h是厚度，φ是孔隙率，η是气流的动态粘度，d是平均纤维直径，u是气流速度，ρair是空气密度，式中的A（2）是Konzey型方程中Blake-Kozeny-Carman常数的反演值（3）是系数的倒数值Ergun型方程此外，气流阻力和渗透系数根据以下公式[17]获得结果的准确性，并验证了边界设置的合理性。运行核心功能和结果输出：显示测量（或给定）压降与基于Kozeny型和Ergun型方程的预测值之间的比较，呈现获得的Kozeny型和Ergun型方程，并在主界面底部给出确定的相应的方程以LaTeX的格式在两个图的下方给出。灯用于指示合适的方程和相应的结果，（1 φ）2ηr=Aφ3（1. 5d）2+Bφ3（1. 5d）2（1 − φ）ρair0.5×10−31 .一、5d“绿色”表示较适合，而“红色”则表示不适合。（iv）简要教程的面板帮助用户轻松地操作应用程序。K=A（1−φ）2，（5）其中r是气流阻力，K是渗透系数。3. 说明性示例AFDeter的界面截图如图所示。数据来自于一种聚酯非织造布的实验结果。AFDeter中使用的方法对不同类型纤维材料的适用性和准确性聚丙烯无纺布，羊毛/涤纶无纺布，黄麻无纺布，真丝无纺布，聚偏二乙烯对于气流速度-压降的导入数据，决定哪一个方程更合适有两个规则1. 当最大气流速度小于或等于400 mm/s时，Kozeny型方程更适用，推荐相应的计算结果;2. 如果最大气流速度大于400 mm/s，则将比较给定压降与两个方程计算值推荐了相对误差较小的方程。此外，··、（四）杨涛，胡丽珠，陈安雅等。软件X 20（2022）1012134图二. A F D e t e r 的界面说明：（a）主界面，包括（i）数据导入和显示，（ii）边界设置，（iii）运行核心功能和结果输出，以及（iv）简要教程;（b）“ 说 明 ” 界 面 ;（ c ） “ 帮 助 ” 界 面 。提示.在“帮助”界面中4. 影响本工作的主要贡献是提供了一个集成的平台，同时获得关键的结构参数，通过求解反问题的方法，研究了纤维材料的温度和气流特性。据作者所知，AFDeter是第一个解决各种纤维材料表征问题的应用程序，包括传统的非织造材料和纳米纤维材料。AFDeter使用容易获得的数据来获得一些复杂的测量参数和属性（例如，孔隙率，平均纤维直径，杨涛，胡丽珠，陈安雅等。软件X 20（2022）1012135气流阻力和渗透系数）。通过一些简单而广泛使用的装置，可以快速地获得重要的AFDeter能够帮助用户节省大量的时间和精力，通过传统的方法逐个测量参数和属性。此外，AFDeter是非常简单和 方便的操作和详 细的说明包括 在内。我 们相信，AFDeter应用程序将在纤维材料表征和纤维材料的研究和应用领域中有用，包括但不限于纤维过滤器的过滤效率、吸声预测和纤维增强复合材料的树脂浸渍。5. 结论我 们 提 出 了 一 个 应 用 程 序 包 开 发 的 应 用 程 序 设 计 师 在MATLAB（Mathworks公司）。用于研究和教育目的。AFDeter是一个开源应用程序，供研究人员反向表征纤维材料的关键结构参数，并获得其气流相关特性。它可以作为基于MATLAB的应用程序或独立应用程序在Windows和macOS的操作环境下运行。AFDeter由三个主要功能组成，可以验证导入数据和参数的范围，找到合适的模型并显示结果。解决逆问题的所有必要步骤都包含在一个易于使用的软件包中。一个使用真实实验数据的例子被用来证明应用程序的有用性和效率。由于多孔纤维和不均匀材料（例如，层压结构、机织和针织织物），AFDeter无法表征其结构参数。然而，AFDeter可以为非均匀材料提供等效的结构参数.进一步的工作将扩展应用程序，以包括更多类型的多孔材料（例如，由泡沫或颗粒组成的介质）。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据可用性数据将根据要求提供。致谢这项工作得到了欧洲联盟（欧洲结构和投资基金-业务方案研究、发展和教育）的支持，在项目“货运和设备运输专用电动车辆自主底盘模块化平台”的框架内CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/作者要感谢女士。陈安雅先生王远峰博士感谢Xiaomeng Wang、KaiYang先生、Lizhu Hu先生和Mengru Li博士在AFDeter测试过程中的支持和帮助。作者感谢匿名评论者的宝贵意见。附录A. 补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.101213上找到。引用[1][10]杨文，杨文.多孔吸收材料的超声表征：逆问题。J SoundVib2007;302：746-59.[2]李M，Hugonnet H，Park Y.利用修正玻恩级数求解多重光散射反问题。光学2022;9：177。[3]Dantas RRS，Medeiros WE，Pereira JVF.一约束版本为体视学反问题 ： 遵 循 幂 律 和 任 意 表 面 上 暴 露 的 断 裂 痕 迹 的 持 续 性 。 J Pet SciEng2022;208：109661.[4]Ebrahiminejad A，Mardanshahi A，Kazemirad S.用兰姆波传播法对涂层结构进行无损评价。应用声学2022;185：108378。[5]Niskanen M，Groby J-P，Duclos A，Dazel O，Le Roux JC，Poulain N等人 ， 阻 抗 管 测 量 刚 性 框 架 多 孔 材 料 的 确 定 性 和 统 计 表 征 。 J Acoust SocAm2017;142：2407-18.[6]ISO 9053-1：2018声学-气流阻力的测定-第一部分1 ：静态气流法。2018年[7]ISO 9053-2：2020声学气流阻力的测定第一部分2 ：交替气流法。2020年。[8]杨涛，胡玲，熊晓，王艳，王晓，彼得·梅，等。碳 纤维增强复合材料的织物结构：层压和正交编织结构。Polym Compos 2021;42：5300-9.[9]赵丹，滨田宏，杨勇.聚氨酯分散体作为表面处理对层压机织碳纤维增强聚酰胺6 复 合 材 料 的 力 学 、 热 学 和 动 态 力 学 性 能 的 影 响 。 ComposPart B Eng2019;160：535-45.[10][10]李国雄，李国雄.薄层聚合物复合材料：综述。132.第一次见面[11]赵丹，马燕，杨燕.不同层数CF/PA 6平纹机织层合板的弯曲损伤行为。复合材料B2019;162：631-42.[12]Xiong X，Venkataraman M，Jašíková D，Yang T，Mishra R，MilitkovanJ，等. 由不同中间层结构组成的多层纤维材料对流换热的实验评估。J IndText2019.[13]杨涛，熊旭，陈晓，谭旭，金子，李明，等。聚酯非织造纤维材料热性能的理论与实验研究。材料（巴塞尔）2020;13：2882。[14]Yang T ， Xiong X ， Mishra R ， Novák J， Chaloupek J ， Sanetrnik F ， etal.Struto非织造布声学性能和透气性的研究。Fibers Polym2016;17：2078-84.[15]Tan X，Peng Q，Yang K，Yang T，Saskova J，Wiener J，et al.和 表征电纺聚酰胺6上的玉米壳纳米纤维素涂层。亚历山大工程J 2021;0[16][1] Kim CS，Bao L，Okuyama K，Shimada M，Niinuma H. 纤维过滤器对纳米颗粒的过滤效率。J NanopartRes 2006;8：215[17]杨涛，胡玲，彼得雷明，王晓，熊晓，于丹，等。非 织造材料的透气系数和气流阻力。Text Res J 2021;92：126-42.[18]埃斯皮纳尔湖孔隙率及其测量。Charact Mater 2012.[19]康肖肯W用真空法测定耐火型材的表观孔隙率、液体吸收率、表观比重和体积密度的 标 准 试 验 方 法 。1999年，p.1比6[20]Andrews RN，Hawker H，Crosbie SF.新西兰绵羊被毛纤维平均直径五种测量方法的评价 NewZeal J Exp Agric 1987;15：23-31.[21]欧洲标准化委员会纺织品-纺织品和纺织产品厚度的测定。 1996，第1 - 5页，（ISO 5084：1996）996。[22]Nelder JA，Mead R.函数极小化的单纯形法。ComputJ1965;7：308[23]Alba J，Romina Del REY，Ramis J，Arenas JP.纤维吸声材料孔隙率、纤维直径和密度的反演方法。Arch Acoust2011;36：561-74.[24]Yang T，Saati F，Groby JP，Xiong X，Petringo M，Mishra R等，聚酯纤维板的表征及其均匀性评估。聚合物（巴塞尔）2020;12.[25]Bansod PV，Mohanty AR.用粒子群优化方法反演天然黄麻吸声材料的声学特性。ApplAcoust2016;112：41-52.[26]杨涛，熊晓，王艳，李晓梅.非织造材料声学特性的研究.北京：机械工业出版社，2000.纤维聚合物2021;22：831-40。[27]纤维细度测量的基本原理。 澳大利亚羊毛测试认证有限公司2006;3：22-9.[28]布朗HM，格雷厄姆JS。用气流法测量棉花细度。Text Res J1950;20：418-25.[29]杨涛，胡丽，于丹，熊晓，Chvojka J，Venkataraman M，等。基于Ergun型和Kozeny型方程的纤维材料关键结构参数的简单确定。聚合物测试2022;108：107514。杨涛，胡丽珠，陈安雅等。软件X 20（2022）1012136[30][10] Vernet N，Ruiz E，Advani S，Alms JB，Aubert M，Barburski M，etal. 工程纺织品渗透性的实验测定：基准II。Compos Part A Appl Sci Manuf2014;61：172[31]Arbter R，Beraud JM，Binetruy C，Bizet L，Bréard J，Comas-Cardona S，et al. 纺织品渗透性的实验测定：基准练习。Compos Part A Appl Sci Manuf2011;42：1157[32]杨泰，萨蒂F，霍罗申科夫KV，熊X，杨K，米什拉R，等。多组分聚酯非织造布吸声性能的研究：实验和数值方法。文本研究J2019;89：3342-61。[33] D’Errico fminsearchbnd，fminsearchcon-文件交换-MATLAB中心在线提供。2022年，https://www.mathworks.com/matlabcentral/文件交换/8277-fminsearchbnd-fminsearchcon。[2022年4月12日]。[34]杜普莱西斯JP，Woudberg S. 对Ergun方程进行了孔隙尺度推导，以增强其适应性和通用性。化学与工程科学2008;63：2576-86.[35]额尔古纳湾流体流过填充柱。化学工程进展1952;48：89-94.