“高溫作業(yè)熱防護(hù)服”的最優(yōu)厚度

郎建志 宋文靜

摘要：高溫作業(yè)熱防護(hù)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(yè)環(huán)境為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)測試，無法重復(fù)且耗費(fèi)成本巨大，造成了不必要的資源浪費(fèi)。因此，建立高溫環(huán)境下熱防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)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(fā)現(xiàn)假人皮膚溫度隨時間增加而增高，并在時刻t=1645s達(dá)到穩(wěn)態(tài)。其次，利用動態(tài)目標(biāo)法，計(jì)算出第二層材料厚度的最優(yōu)值，最后，通過適應(yīng)度曲線，可知適應(yīng)度越小和進(jìn)化迭代越大表示其越收斂效果較好。結(jié)果表明，此模型在保證防護(hù)性能的前提下，可設(shè)計(jì)出最優(yōu)厚度的服裝。

關(guān)鍵詞：熱防護(hù)服；熱防護(hù)模型；穩(wěn)態(tài)；最優(yōu)厚度

1.引言

熱防護(hù)服是指在高溫環(huán)境中穿用的、能夠促使人體熱量散發(fā)、防止熱中暑、燒傷和灼傷等危害的個體防護(hù)服裝。熱防護(hù)服在擁有普通防護(hù)服的性能的同時，更具備對人體在高溫下進(jìn)行安全防護(hù)的功能。近年來，大量的以高溫作業(yè)環(huán)境為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)測試，無法重復(fù)且耗費(fèi)成本巨大，造成了不必要的資源浪費(fèi)。因此，建立高溫環(huán)境下熱防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)模型十分必要。所以為了節(jié)省資源，便于設(shè)計(jì)，本文將研究熱防護(hù)服的最優(yōu)厚度，為熱防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.基于熱傳遞方程的溫度分布模型

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

時間為0時，認(rèn)為衣服和人體都處于 。并且認(rèn)為最外層織物與外界環(huán)境的接觸面始終等于環(huán)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(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

初值條件：

邊界條件：

用MATLAB對圖1的點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到函數(shù)表達(dá)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(yuǎn)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(diǎn)進(jìn)行擬合，得到函數(shù)表達(dá)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(tài)目標(biāo)法（DOM）改進(jìn)PSO的單目標(biāo)尋優(yōu)模型

3.1總能量方程

根據(jù)能量守恒定律建立各個層之間的能量傳導(dǎo)方程，整理得到：

3.2動態(tài)目標(biāo)法

動態(tài)目標(biāo)法（DOM）可有效解決約束優(yōu)化問題，可以計(jì)算出第二層材料厚度的最優(yōu)值.

DOM通過定義一個距離函數(shù) ，將原有約束的單目標(biāo)優(yōu)化問題 轉(zhuǎn)化為一個無約束的雙目標(biāo)優(yōu)化問題 ，其中 看作第一個目標(biāo)， 看作第二個目標(biāo)。距離函數(shù) 定義如下：

通過此方法，粒子可以動態(tài)的調(diào)整自己的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

如圖5所示。

由圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度為65?C、IV層的厚度為5.5 mm時，II層的最優(yōu)厚度為6.2mm。

5.結(jié)論

近年來，大量的以高溫作業(yè)環(huán)境為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)測試，無法重復(fù)且耗費(fèi)成本巨大，造成了不必要的資源浪費(fèi)。為了節(jié)省資源，便于設(shè)計(jì)，本文研究出熱防護(hù)服的最優(yōu)厚度，通過數(shù)據(jù)擬合來評價該方案實(shí)施的效果，證明此模型在節(jié)省資源的同時，還為熱防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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（作者單位：哈爾濱理工大學(xué)）