“高温作业热防护服”的最优厚度

郎建志 宋文静

摘要：高温作业热防护服是保障高温中人体安全的重要工具。近年来，大量的以高温作业环境为基础的实验测试，无法重复且耗费成本巨大，造成了不必要的资源浪费。因此，建立高温环境下热防护服装的设计模型十分必要。首先，以假人为研究对象，列写出每层热传递的偏微分方程及其初始条件、边界条件，利用MATLAB等软件做出了各层的温度分布图像。发现假人皮肤温度随时间增加而增高，并在时刻t=1645s达到稳态。其次，利用动态目标法，计算出第二层材料厚度的最优值，最后，通过适应度曲线，可知适应度越小和进化迭代越大表示其越收敛效果较好。结果表明，此模型在保证防护性能的前提下，可设计出最优厚度的服装。

关键词：热防护服；热防护模型；稳态；最优厚度

1.引言

热防护服是指在高温环境中穿用的、能够促使人体热量散发、防止热中暑、烧伤和灼伤等危害的个体防护服装。热防护服在拥有普通防护服的性能的同时，更具备对人体在高温下进行安全防护的功能。近年来，大量的以高温作业环境为基础的实验测试，无法重复且耗费成本巨大，造成了不必要的资源浪费。因此，建立高温环境下热防护服装的设计模型十分必要。所以为了节省资源，便于设计，本文将研究热防护服的最优厚度，为热防护服装的设计提供理论依据。

2.基于热传递方程的温度分布模型

高温作业专用服由三层不同的防热材料组成，也就是I、II、III层。根据能量守恒定律，得出I层材料热传递方程：

时间为0时，认为衣服和人体都处于 。并且认为最外层织物与外界环境的接触面始终等于环境温度。因此，初始及边界条件如下：

初始条件：

边界条件：

利用MATLAB和EXCEL等软件，得出第一层温度与时间，距离的关系，结果如图1所示。

初值条件：

边界条件：

用MATLAB对图1的点进行拟合，得到函数表达式：

把此边界条件带入程序可以得到第二层的温度分布，如图2所示。

由图2可知，温度随着距边界距离的增大而降低，随着时间的推移而升高。且距离边界越远的，温度随时间增加越缓。

III层材料传递方程为：

类似，可以得到第III层初始及边界条件：

初值条件：

边界条件：

用MATLAB对图2的点进行拟合，得到函数表达式：

同理可得第三层温度分布图，如图3所示。

把此边界条件带入程序可以得到第四层的温度分布，如图4所示。

3.基于动态目标法（DOM）改进PSO的单目标寻优模型

3.1总能量方程

根据能量守恒定律建立各个层之间的能量传导方程，整理得到：

3.2动态目标法

动态目标法（DOM）可有效解决约束优化问题，可以计算出第二层材料厚度的最优值.

DOM通过定义一个距离函数 ，将原有约束的单目标优化问题 转化为一个无约束的双目标优化问题 ，其中 看作第一个目标， 看作第二个目标。距离函数 定义如下：

通过此方法，粒子可以动态的调整自己的优化目标函数。

如图5所示。

由图可知，当环境温度为65?C、IV层的厚度为5.5 mm时，II层的最优厚度为6.2mm。

5.结论

近年来，大量的以高温作业环境为基础的实验测试，无法重复且耗费成本巨大，造成了不必要的资源浪费。为了节省资源，便于设计，本文研究出热防护服的最优厚度，通过数据拟合来评价该方案实施的效果，证明此模型在节省资源的同时，还为热防护服装的设计提供理论依据。

参考文献

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（作者单位：哈尔滨理工大学）