“高溫作業熱防護服”的最優厚度

郎建志 宋文靜

摘要：高溫作業熱防護服是保障高溫中人體安全的重要工具。近年來，大量的以高溫作業環境為基礎的實驗測試，無法重復且耗費成本巨大，造成了不必要的資源浪費。因此，建立高溫環境下熱防護服裝的設計模型十分必要。首先，以假人為研究對象，列寫出每層熱傳遞的偏微分方程及其初始條件、邊界條件，利用MATLAB等軟件做出了各層的溫度分布圖像。發現假人皮膚溫度隨時間增加而增高，并在時刻t=1645s達到穩態。其次，利用動態目標法，計算出第二層材料厚度的最優值，最后，通過適應度曲線，可知適應度越小和進化迭代越大表示其越收斂效果較好。結果表明，此模型在保證防護性能的前提下，可設計出最優厚度的服裝。

關鍵詞：熱防護服；熱防護模型；穩態；最優厚度

1.引言

熱防護服是指在高溫環境中穿用的、能夠促使人體熱量散發、防止熱中暑、燒傷和灼傷等危害的個體防護服裝。熱防護服在擁有普通防護服的性能的同時，更具備對人體在高溫下進行安全防護的功能。近年來，大量的以高溫作業環境為基礎的實驗測試，無法重復且耗費成本巨大，造成了不必要的資源浪費。因此，建立高溫環境下熱防護服裝的設計模型十分必要。所以為了節省資源，便于設計，本文將研究熱防護服的最優厚度，為熱防護服裝的設計提供理論依據。

2.基于熱傳遞方程的溫度分布模型

高溫作業專用服由三層不同的防熱材料組成，也就是I、II、III層。根據能量守恒定律，得出I層材料熱傳遞方程：

時間為0時，認為衣服和人體都處于 。并且認為最外層織物與外界環境的接觸面始終等于環境溫度。因此，初始及邊界條件如下：

初始條件：

邊界條件：

利用MATLAB和EXCEL等軟件，得出第一層溫度與時間，距離的關系，結果如圖1所示。

初值條件：

邊界條件：

用MATLAB對圖1的點進行擬合，得到函數表達式：

把此邊界條件帶入程序可以得到第二層的溫度分布，如圖2所示。

由圖2可知，溫度隨著距邊界距離的增大而降低，隨著時間的推移而升高。且距離邊界越遠的，溫度隨時間增加越緩。

III層材料傳遞方程為：

類似，可以得到第III層初始及邊界條件：

初值條件：

邊界條件：

用MATLAB對圖2的點進行擬合，得到函數表達式：

同理可得第三層溫度分布圖，如圖3所示。

把此邊界條件帶入程序可以得到第四層的溫度分布，如圖4所示。

3.基于動態目標法（DOM）改進PSO的單目標尋優模型

3.1總能量方程

根據能量守恒定律建立各個層之間的能量傳導方程，整理得到：

3.2動態目標法

動態目標法（DOM）可有效解決約束優化問題，可以計算出第二層材料厚度的最優值.

DOM通過定義一個距離函數 ，將原有約束的單目標優化問題 轉化為一個無約束的雙目標優化問題 ，其中 看作第一個目標， 看作第二個目標。距離函數 定義如下：

通過此方法，粒子可以動態的調整自己的優化目標函數。

如圖5所示。

由圖可知，當環境溫度為65?C、IV層的厚度為5.5 mm時，II層的最優厚度為6.2mm。

5.結論

近年來，大量的以高溫作業環境為基礎的實驗測試，無法重復且耗費成本巨大，造成了不必要的資源浪費。為了節省資源，便于設計，本文研究出熱防護服的最優厚度，通過數據擬合來評價該方案實施的效果，證明此模型在節省資源的同時，還為熱防護服裝的設計提供理論依據。

參考文獻

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（作者單位：哈爾濱理工大學）