王紫葉 龔文喆 郭祎達(dá)

摘 要：針對高溫作業(yè)服各層織物厚度設(shè)計問題，建立基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型。用衣服的重量和松緊度衡量衣服的舒適度，以服裝舒適度最大化作為目標(biāo)函數(shù)，以高溫工作期間不發(fā)生燙傷的情況構(gòu)建約束條件，根據(jù)三層織物、一層空氣層以及兩層皮膚組織的密度、比熱、熱傳導(dǎo)率和厚度，分別對六層介質(zhì)建立熱傳導(dǎo)方程，采用有限差分格式求解人體外表皮溫度，再運(yùn)用擬牛頓算法求解基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型，最終第Ⅱ?qū)涌椢锏淖顑?yōu)厚度為19.8mm，空氣層的最優(yōu)厚度為3.2mm。

關(guān)鍵詞：基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型;有限差分格式;擬牛頓算法

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.09.091

1 引言

高溫作業(yè)服近些年被廣泛關(guān)注，消防、礦藏勘探及開采這些高溫作業(yè)行業(yè)都需要專用的服裝來避免工作人員在工作時被熱蒸汽及各種高溫環(huán)境所灼傷。因此研究高溫作業(yè)的專用服裝對于保障工作人員高溫作業(yè)安全并提供良好的舒適度具有非常重要的意義。

關(guān)于高溫作業(yè)服的設(shè)計，國內(nèi)外學(xué)者從高溫防護(hù)服材料和服裝防護(hù)性能對高溫作業(yè)服進(jìn)行了設(shè)計研究。文獻(xiàn)[1]對防護(hù)服熱輻射防護(hù)性能進(jìn)行測試，并研究了皮膚與織物之間的空氣層對熱阻的影響。文獻(xiàn)[2]針對單層熱防護(hù)服裝織物以及“熱防護(hù)服裝-空氣層-皮膚”系統(tǒng)建立了高溫環(huán)境下的熱傳遞數(shù)學(xué)模型并且對服裝空氣層厚度進(jìn)行了優(yōu)化研究。文獻(xiàn)[3]采用有限元軟件 ANSYS 建立織物與空氣層的組合模型，并從織物種類、空氣層厚度、對流條件三個方面對不同的模型進(jìn)行瞬態(tài)傳熱模擬，同時探索了空氣等效導(dǎo)熱系數(shù)的增大對熱量傳遞的影響。以上都沒有對多層織物材料的高溫作業(yè)服進(jìn)行多層材料厚度優(yōu)化。

本文建立了基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型，采用有限差分格式求解人體外表皮溫度，運(yùn)用擬牛頓算法求解兩層材料的最優(yōu)厚度。

2 基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型

為了使高溫作業(yè)服能達(dá)到防燒傷的要求，并且提供更好的衣服舒適性，以高溫作業(yè)服的重量及其厚度作為評價因子對高溫作業(yè)服舒適程度進(jìn)行評價，以高溫作業(yè)服裝舒適程度最大為目標(biāo)建立單目標(biāo)優(yōu)化模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

maxHx2，x4=x22.5+3.2-x43.2

式中，ρ2、ρ4分別為Ⅱ?qū)?、Ⅳ層材料密?x2、x4分別為Ⅱ?qū)?、Ⅳ層材料厚度?/p>

約束條件1：人體皮膚外側(cè)溫度不超過47℃，即

Tltar，t47℃

式中，ltar為皮膚位置。

約束條件2：人體皮膚外側(cè)溫度超過44℃的時間不超過5分鐘，即

st;Tltar，t>44℃<300

約束條件3：利用熱傳導(dǎo)模型[4-6]求得人外表面溫度，有

Tn+1i=Tni+kpΔtρpcpΔx2Tni+1-2Tni+Tni-1 ，p=1，2，3，4，5，6

式中，ρp為p層材料密度;cp為p層材料比熱;kp為p層材料熱傳導(dǎo)率;lp為p層材料厚度，其中p=1，2，3，4。ρ5為內(nèi)皮膚密度;c6為內(nèi)皮膚比熱;k6為內(nèi)皮膚熱傳導(dǎo)率;l6為內(nèi)皮膚厚度。ρ6為皮下組織密度;c6為皮下組織比熱;k6為皮下組織熱傳導(dǎo)率;l6為皮下組織厚度。

約束條件4：外界環(huán)境恒定為

T0，t=80℃

約束條件5：人體皮膚內(nèi)側(cè)溫度恒定為

Tltar+lin，t=37℃

約束條件6：人體在穩(wěn)定環(huán)境下總時間為

t0=1800

綜上可得，單目標(biāo)優(yōu)化模型：

maxH（x2，x4）=x22.5+3.2-x43.2

s.t.Tltar，tSymbolcB@

47℃st;Tltar，t>44℃<300T0，t=80℃Tltar+lin，t=37℃Tn+1i=Tni+kpΔtρpcpΔx2（Tni+1-2Tni+Tni-1），（p=1，2，3，4，5，6）t0=1800

3 服裝厚度的求解

為設(shè)計防高溫、高性能、輕薄的防護(hù)服，當(dāng)高溫工作環(huán)境溫度為80℃ 時，確保高溫工作30分鐘內(nèi)人體皮膚外側(cè)不發(fā)生燙傷。人皮膚外側(cè)溫度不超過47℃，且超過44℃ 的時間不超過5分鐘。假設(shè)高溫作業(yè)服的各層織物材料均勻，初始室溫為 25℃，高溫作業(yè)環(huán)境溫度不發(fā)生變化，人體皮膚內(nèi)溫度維持在37℃。由文獻(xiàn)[2]可知，人的內(nèi)皮膚密度為1200kg/m3，內(nèi)皮膚比熱為3600Jkg-1K-1，內(nèi)皮膚熱傳導(dǎo)率為0.532W/moC，內(nèi)皮膚厚度為10mm。人的皮下組織密度為1000kg/m3，皮下組織比熱為3600Jkg-1K-1，皮下組織熱傳導(dǎo)率為0.167W/m℃，皮下組織厚度為50mm。高溫防護(hù)服各層織物材料參數(shù)如表 ，已知Ⅰ層織物厚度0.6mm，Ⅲ層織物厚度3.6mm，通過MATLAB，運(yùn)用擬牛頓算法，求解基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型，確定II層和IV層的最優(yōu)厚度。

由高溫作業(yè)服各層織物的參數(shù)值可以看出，第Ⅱ?qū)拥暮穸容^大，因為它的比熱容和熱傳導(dǎo)率都比較大，具有很強(qiáng)的散熱能力，并且它處于防熱服裝的最外層，因此很容易接觸到外界環(huán)境的熱量，需要較大的厚度對所吸收的熱量進(jìn)行散出，以達(dá)到保護(hù)工作人員的作用，但是查表可知，第Ⅱ?qū)拥暮穸纫膊荒軟]有限制的增大，因為它的密度很大，會使服裝變得很重，那么工作人員在進(jìn)行高溫作業(yè)時會很不方便。同樣第Ⅳ層為空氣層，熱傳導(dǎo)率和比熱都很低，散熱能力很差，因此它的厚度越短越好，然而它的密度卻很低，說明它的存在不會對工作人員的著裝舒適感帶來較大的干擾，具體各層分布圖如圖1。

4 結(jié)論

（1）建立了基于服裝舒適度的厚度優(yōu)化模型，可以得到各層介質(zhì)橫截面上任意點(diǎn)、任何時刻的瞬態(tài)溫度，并且在滿足一定條件下，第Ⅱ?qū)涌椢锏淖顑?yōu)厚度為19.8mm，空氣層的最優(yōu)厚度為3.2mm。

（2）模型對服裝設(shè)計具有實(shí)用性，可以用在其他溫度條件下，減小高溫工作者身體負(fù)擔(dān)，減低工作危險性，提高高溫工作者工作體驗。

（3）模型還可用在其他防高溫裝備上，降低危險行業(yè)的危險系數(shù)，增強(qiáng)國家防護(hù)安全的發(fā)展。

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