利用MATLAB设计并预测高温作业专业服装的最优厚度

罗鑫锦

（西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730124）

0 引 言

假设人体温度均匀分布，均保持在人体37 ℃下，借用假人模型模拟设计出具有三层隔热的防护专用服装。从服装设计角度分析，首先深入研究专用服装的温度原理。根据材料的物理特性如热传导率、密度、温度传导速度以及服装厚度等[1]，确保服装在最轻便的情况下，人体也恰好达到临界值37 ℃，从而避免造成温度过高发生人体灼伤事故。

1 设计应用软件

MATLAB具有顶尖的数值计算功能、强大的图形可视化功能及简洁易学的“科学便捷式”工作环境和编程语言，已发展成为由MATLAB语言、MATLAB工作环境、MATLAB图形处理系统、MATLAB数学函数库和MATLAB应用程序接口五部分组成的集数值计算、图形处理、程序开发为一体的功能强大的应用软件[2]。运用MATLAB图形处理系统进行编程，可绘制出三维球体模拟假人结构，如图1所示。

2 高温防护服最优设计

假设人体对外界环境距离均匀，高温防护服每个视角对外界温度穿透能力一致。利用残差和估算求极值的方法计算高温防护服的最优厚度，并用MATLAB绘图功能绘制曲线。

图1 模拟假人结构

2.1 高温防护服最优计算残差检验

设原始序列为：

设检验水平为α，若F≤Fα(k-1,T-k)，接受H0；若F＞Fα(k-1,T-k)，拒绝 H0。

检验求得的结果，可得出准确率为94.56%。

2.2 高温防护服参数关系

由热传学中的Fourier实验定律[3]可知，物体在无穷小时间段dt内流过一个无穷小面积dS的热量dQ与时间段dt、曲面面积dS以及物体温度u沿法线方向导数 三者成正比，即：

其中，k=k(x, y, z)称为物体的热传导系数(k＞0)。当物体均匀且各向同性时，k为常数。需要说明的是，式中出现负号是由于热量的流向与温度梯度的正向相反。

从时刻t1-t2通过曲面S流入区域V的全部热量为：

流入的热量使V内温度发生变化，在时间间隔内区域V内各点温度u(x,y,z,t)变化到u(x,y,z,t)内温度升高所需的热量为：

其中C为物体的比热，p为物体的密度。对均匀且各项同性的物体来说，它们都是常数。

由于时间间隔及区域是任意取的，并且被基函数是连续的，得到：

当时间设为60 min，对Ⅱ层温度进行调节，温度随时间变化的情况如表1所示。

改变第Ⅱ层厚度时，通过公式计算温度变化，进而控制温度，求出最优厚度，结果如表2所示。

通过求极值得出，当厚度为3.751 mm时能确保工作60 min，且皮肤外侧温度不超过47 ℃，如表3所示。

3 结 论

简单介绍高温防护服的设计编程软件，结合数学和物理知识设计出市场最优的高温防护服，为高温作业的人员提供了最新的安全保障，具有低质量、安全性高的强大功能。该高温防护服在市场上具有较高的性价比，未来具有广阔的市场。

表1 温度随时间变化的情况

表2 温度随厚度变化

表3 温度与厚度关系