利用MATLAB設計并預測高溫作業專業服裝的最優厚度

羅鑫錦

（西北民族大學 電氣工程學院，甘肅 蘭州 730124）

0 引 言

假設人體溫度均勻分布，均保持在人體37 ℃下，借用假人模型模擬設計出具有三層隔熱的防護專用服裝。從服裝設計角度分析，首先深入研究專用服裝的溫度原理。根據材料的物理特性如熱傳導率、密度、溫度傳導速度以及服裝厚度等[1]，確保服裝在最輕便的情況下，人體也恰好達到臨界值37 ℃，從而避免造成溫度過高發生人體灼傷事故。

1 設計應用軟件

MATLAB具有頂尖的數值計算功能、強大的圖形可視化功能及簡潔易學的“科學便捷式”工作環境和編程語言，已發展成為由MATLAB語言、MATLAB工作環境、MATLAB圖形處理系統、MATLAB數學函數庫和MATLAB應用程序接口五部分組成的集數值計算、圖形處理、程序開發為一體的功能強大的應用軟件[2]。運用MATLAB圖形處理系統進行編程，可繪制出三維球體模擬假人結構，如圖1所示。

2 高溫防護服最優設計

假設人體對外界環境距離均勻，高溫防護服每個視角對外界溫度穿透能力一致。利用殘差和估算求極值的方法計算高溫防護服的最優厚度，并用MATLAB繪圖功能繪制曲線。

圖1 模擬假人結構

2.1 高溫防護服最優計算殘差檢驗

設原始序列為：

設檢驗水平為α，若F≤Fα(k-1,T-k)，接受H0；若F＞Fα(k-1,T-k)，拒絕 H0。

檢驗求得的結果，可得出準確率為94.56%。

2.2 高溫防護服參數關系

由熱傳學中的Fourier實驗定律[3]可知，物體在無窮小時間段dt內流過一個無窮小面積dS的熱量dQ與時間段dt、曲面面積dS以及物體溫度u沿法線方向導數 三者成正比，即：

其中，k=k(x, y, z)稱為物體的熱傳導系數(k＞0)。當物體均勻且各向同性時，k為常數。需要說明的是，式中出現負號是由于熱量的流向與溫度梯度的正向相反。

從時刻t1-t2通過曲面S流入區域V的全部熱量為：

流入的熱量使V內溫度發生變化，在時間間隔內區域V內各點溫度u(x,y,z,t)變化到u(x,y,z,t)內溫度升高所需的熱量為：

其中C為物體的比熱，p為物體的密度。對均勻且各項同性的物體來說，它們都是常數。

由于時間間隔及區域是任意取的，并且被基函數是連續的，得到：

當時間設為60 min，對Ⅱ層溫度進行調節，溫度隨時間變化的情況如表1所示。

改變第Ⅱ層厚度時，通過公式計算溫度變化，進而控制溫度，求出最優厚度，結果如表2所示。

通過求極值得出，當厚度為3.751 mm時能確保工作60 min，且皮膚外側溫度不超過47 ℃，如表3所示。

3 結 論

簡單介紹高溫防護服的設計編程軟件，結合數學和物理知識設計出市場最優的高溫防護服，為高溫作業的人員提供了最新的安全保障，具有低質量、安全性高的強大功能。該高溫防護服在市場上具有較高的性價比，未來具有廣闊的市場。

表1 溫度隨時間變化的情況

表2 溫度隨厚度變化

表3 溫度與厚度關系