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高温作业服设计

【摘要】

高温作业服可以避免高温灼伤，在实际作业中有广泛应用。本文对高温作业服的优化设计进行研究，分析作业服的传热过程，综合考虑各种传热方式、边界和初始条件，建立非稳态一维传热模型，并应用于作业服厚度的优化设计。

对于问题一：通过分析传热模型特点，将三维问题简化为一维问题，研究非稳态传热过程。主要考虑热传导、热对流两种传热方式，建立基于能量守恒定律的偏微分控制方程组，确定初边值条件，得到作业服非稳态一维传热过程的数学刻画。基于最小二乘原理，建立最优化模型，拟合实测温度求解未知参数的最优估计。利用有限差分法逐层求解方程组，并搜索得到第一层和第四层换热系数的参数估计分别为：113W/(m2·k)和8.344W/(m2·k)。再利用参数估计值计算出温度分布，生成 Excel 文件。扩展模型并检验忽略热辐射的合理性，考虑辐射传热，两端换热系数为：113W/(m2·k)和 8.496W/(m2·k)。表明热辐射对传热过程影响较小可以忽略。

对于问题二：以第二层厚度最小为优化目标，综合 60min 内最大温度、超过 44℃时间和厚度范围等约束，建立厚度调整单变量优化模型。将模型求解转换为约束条件临界值求解问题，得到第二层和第四层最小厚度分别为：17.5mm，此时最大温度为44.0799℃，超过 44℃时间低于 5min。从理论和结果进行分析，得到第二层材料对最大温度影响占次要因素，厚度增加主要影响传热速度的结论。

对于问题三：考虑舒适性、节约性、性能稳定性和研发效率等因素，以第二层和第四层厚度最小为优化目标，综合 30min 内最大温度、超过 44℃时间和厚度限制等约束条件，建立作业服设计的多目标优化模型。求解过程中，将多目标问题转化为单目标问题，根据问题二解法求解得到第二层和第四层最优厚度设计分别为：19.2mm 和 6.4mm。此时最大温度为 44.7721℃，超过 44℃时间低于 5min。扩展模型，研究各层材料在传热过程中的不同作用效果，得到：第二层材料可延缓传热过程，适用于长时间作业环境；第四层材料增强隔热性能，适用于高温作业环境的结论。

最后对本文所建立模型进行了讨论和分析，综合评价模型，并提出了改进和推广的方向。