高温作业专用服装设计及优化研究

马慧

山东科技大学山东泰安271000

摘要：随着现代社会的发展，日益增长的需求，高温作业人员不断增多，在高温作业时，需穿着特制的防护服才能避免高温的伤害。本文以防护服温度和假人表面温度为研究对象，依据高温防护服的各项参数，采用大数据拟合技术，建立多层防护服热传递模型，对防护服各层温度分布以及假人表面温度进行了细致分析，并且进行了服装厚度的优化研究。

关键词：高温作业专业服；多层防护服热传递模型；有限元分析

1.研究背景

随着社会经济的快速发展，一方面大型企业、高层建筑越来越多，使得人口和建筑密度日益增大，各种高温下的生产日益增多；另一方面，生产要素、生产设施的不断增加，造成了可燃物、助燃物和着火源的种类和数量增多，导致火灾发生的概率越来越大，造成了严重的经济损失。作为高温作业人员，责任日益重大，在恶劣的高温现场，各种突发状况随时都可能威胁到工作人员的安全，高温环境工作时，容易对工作人员造成伤害，因此，需要对热防护服进行改进，加强高温作业人员的防护尤为重要。

热防护服是为保护高温作业人员而专门设计的服装，它具有隔热、防水、耐高温的优点。热防护服一般由多层织物组成，对保护工作人员起到了重要的作用。

2.多层热防护服热传递模型建立与求解

部分学者利用有限差分法建立了多层服装热传递模型以及多层面料之间层与层之间的反射模型并且假设面料没有液态水，后来又有学者在前人研究的基础上建立了多层服装系统的湿热传递模型，但是缺陷在于假设其中没有液态水，均没有考虑服装的厚度。

在此处，我们采取有限差分的方法来解决服装-空气-人体系统的的偏微分方程。由于辐射项的边界条件和随温度变化的对流系数一直存在，以至于造成了偏微分方程组的非线性，于是，我们采用隐显式方法来解决这个问题，具体方法在此不作详细阐述。

基于假设和研究，本文在前人研究的基础上，考虑材料的厚度，给出三层热防护服的二维热传递模型。在本文中，给出了织物的密度和比热，要求显热容，需利用已知的二者变换而来。当外界环境的温度变化不是特别大的时候，可将抛物方程的显热容CA和热传导率k均近似看成常量。超高温度将造成显热容和热传导率的变化，对显热容的影响尤其大。在这种高温环境下，若采用常量将造成较大的误差结果。

我们采用同样的方法，可以将织物的其它层和皮肤外侧边界做处理。结合已知的皮肤外测温度和已经给出的积分方程，我们就可以求得所需数据。另外我们又从导热基本定律，即傅里叶定律出发，在matlab中画出傅里叶变换图如下：

通过热防护服的温度随时间的变化图，可以得出有用的结论，对热防护服的发展提出合理有效的建议。首先，在高温环境的初期阶段，温度上升非常迅速，几乎以直线形式上升，在1645秒之后，人体温度稳定在48.08℃，说明已经达到了稳定的状态，即吸热等于放热。消防服的三层织物也都具有不同的温度，由图可知，第二层是吸热层，温度最高，第三层和第一层是隔热层。隔热服作为用来保护身体的重要工具，必须具备相应的性能，外层应具有永久阻燃性良好的隔热性能、防水透气性能、防静电功能等。

3.隔热服厚度优化模型分析

如图所示为隔热服示意图，通过优化第二层的织物厚度，已达到节省材料的作用，属于厚度优化问题。根据衣服的对称性仅考虑了其部分结构。有限元离散模型如图所示，各层织物的参数在上述问题中已有陈述。当环境温度为65ºC、IV层的厚度为5.5mm时，优化目标是第二层的最优厚度。约束条件是：确保工作60分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47ºC，且超过44ºC的时间不超过5分钟。假设衣服的层次如图所示：

由上图可知，当满足上述条件时，第二层的厚度为8.5mm时达到效果最优的结果，这时能有效节省材料，同时对人体的保护性能达到最高。将有限元分析技术与优化设计方法相结合，是研究隔热服最佳厚度的有效方法。在隔热服设计中引入有限元分析技术，才能实现真正意义上的服装厚度计算机辅助设计，是实现隔热服最优化的主要途径。隔热服是功能性服装，整合系统必须达到特定的防护性能要求；同时要适应消防活动范围大的问题。目前国外消防服的研究进入了一个比较成熟的阶段，我国隔热防护夫的研制开发情况还落后于发达国家，发展趋势是由单一危险因素防护到多种危险因素的综合防护，由强调防护到重视人体工效学与舒适性等各方面因素的转变。

4.对高温作业专用服装设计研究改进意见

4.1空气层的重要性

在高温情况下，空气层起到了缓冲的作用，能有效避免高温对人体的伤害，但是空气层不易过厚，过厚会造成行动上的不方便，产生这种差别的主要原因使空气的导热系数明显小于常见的纺织材料，使最理想的绝缘体，因此，空气层的存在与否及其厚度直接影响热防护服的防护性能。

4.2织物厚度的改进

提高织物的隔热性、吸热性能将是以后主要研究的方向，能有效提高热防护服的保护效果，能有效减少热量的侵入，使工作人员的工作环境更舒适、安全。对于热防护服装而言,设计反问题的目标就是在尽量减少甚至不产生热损伤的情况下决定系统的相关参数.

参考文献

[1]闫琳,夏一哉.服装隔热性能的测试与分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),1998.

[2]何华玲.消防服用织物热防护性能及热湿舒适性能研究[D].天津工业大学,2017.

[3]李宁.消防服阻燃及热防护性能进展研究[J].山东纺织经济,2015(12):7-12.

[4]邱浩,王云仪.消防服多重功能的研究进展综述[J].服装学报,2017,2(01):11-16.