基于热传导模型的高温作业专用服装设计

高温作业专用服装设计一、问题重述1、1问题背景高温作业专用服装属于个体劳动保护专用服装类,广泛适用于冶金、电力、矿山、消防、国防等高温作业场所个人防暑降温,可保障安全与健康。

由于环境温度过高导致人体表面温度升高就是损害工作人员身体健康得主要原因.近年来由于生产制造业得飞速发展，新工艺、新设备得大量采用,劳动群体也日渐庞大.因此，研制一种适合高温作业人员使用专用服装就是我们得首要任务.１、2问题得提出问题一：已知专用服装材料得某些参数值并且当环境温度为75ºC、ＩI层厚度为6 mm、IＶ层厚度为5 mm、工作时间为90分钟时，假人皮肤外侧得温度数据表已知。

通过建立数学模型,计算假人皮肤外侧温度分布，并生成温度分布得E ｘcel文件。

问题二:当环境温度为６5ºC、IＶ层得厚度为5、５mm,工作6０分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47ºC,且超过44ºC得时间不超过5分钟。

求解IＩ层得最优厚度。

问题三:当环境温度为80时，工作30分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47ºC，且超过4４ºC得时间不超过５分钟,求解II层与IＶ层得最优厚度。

二、问题分析所谓高温作业, 就就是指操作场所得热源(炉子、明火、发热设备、灼热原料与大量蒸汽得设备），发出强烈得热辐射及对流热。

为设计专用服装,将体内温度控制在37ºＣ得假人放置在实验室得高温环境中,测量假人皮肤外侧得温度。

问题一得分析：分析题意，可知由于就是在两个坐标方向上存在温度梯度，分别就是厚度与时间，传热虽然只发生在厚度这个方向上,但就是温度得变化就是随厚度与时间同时发生改变。

假设系统在沿材料厚度变化得方向就是无热源稳态热传导，沿厚度与时间两个方向建立微分方程模型，高温作业服装得温度分布可通过求解带有正确边界条件得导热方程来确定，借助傅里叶定律与热传导公式确定传热速率，从而得到温度分布，最后利用mａtlab软件求解方程，得到得结果导入eｘceｌ表格。

高温作业专用服装设计随着气候变暖和能源开发的加强，高温作业的需求越来越大。

而在高温环境中作业，工人们面临着很多危险和挑战，如高温热射线、高温气体、高湿环境等。

设计一款适合高温作业的专用服装至关重要。

本文将从材料选择、结构设计和人体工程学角度来探讨高温作业专用服装的设计。

材料选择是设计高温作业专用服装的关键一步。

面料应具有良好的导热和导湿性能，能够快速将热量和湿气从体表传导出来，提高热量和湿气的排出效率，使工人的皮肤能够保持干燥和透气。

常用的面料有涤纶、棉麻、竹纤维等。

面料应具有较好的防火性能，能够有效地抵御高温环境中的火焰和火星的侵袭，减少工人因火灾事故而受伤的风险。

常用的防火面料有阻燃涤纶、阻燃棉纤维等。

面料应具有良好的耐磨性和抗撕裂性能，能够在高温环境中经受住摩擦和撕拉的考验，保证服装的耐用性。

面料还应具有较好的抗静电性能，防止静电的积累和释放，减少工人因静电事故而受伤的风险。

在结构设计方面，要注意服装的保暖性和透气性。

一方面，需要保证服装在高温环境下能够有效地隔离外界的高温热射线和高温气体，避免工人的皮肤直接接触到高温物体，减少热量的传递和吸收。

为此，可以在服装的外层增加一层隔热材料，如铝箔膜。

需要保证服装能够良好地排汗和排湿，防止汗液在皮肤表面滞留，导致湿热。

为此，可以在服装的内层增加一层吸湿排汗材料，如聚酯纤维。

为了提高服装的舒适性和便利性，还可以考虑为服装增加一些人性化设计。

可以在领口和腋下增加通风孔，增加空气的流通，提高服装的透气性。

可以在袖口和腿口增加防火带，减少火星的进入，提高服装的安全性。

可以在腰部和膝部增加调节带，使服装能够根据工人的需要进行调整，提高服装的舒适性。

设计高温作业专用服装需要综合考虑材料选择、结构设计和人体工程学等多个因素。

通过合理选择面料、优化结构设计和添加一些人性化设计，可以设计出更加适合高温作业的专用服装，提高工人在高温环境下的安全性和舒适性。

2.1.2 温度分布模型的建立
（1）临界传导率。
我们假设专用服装各层交界处的热传导处于平衡状态，
故有：
当t=0时，I层外表面的温度为37 ℃；当t→∞时，I层外表 面的温度为75 ℃。代入上式，可以得到：
= u(0,t) −203.2 + 75 t + 5.3
该式表示的即为x=0温度随时间的变化情况。 Step2：我们用u(L4,t)表示x=L4即IV层内表面的温度随时 间的变化函数，我们利用Matlab做出附件2中假人皮肤外侧 温度的散点图并进行拟合，如图1所示。 通过Matlab计算可以得到下式，相关系数R2=0.998 4， 接近于1，可以看出，曲线的拟合效果很好
第6期 2019年3月
无线互联科技 Wireless Internet Technology
N o .6 Ma rch，2019
基于偏微分方程的高温作业专用服装设计模型
高 振，房 越，许乾宸
（南京邮电大学，江苏 南京 210003）
摘 要：长期在高温环境下工作会对工作人员的生理及心理状态产生影响，引发各种意外和危机，如何设计高温作业专业服装，
第6期 2019年3月
无 线 互 联 科 技·设 计分析
N o .6 Ma rch，2019
该式表示的即为x=L4温度随时间的变化情况，L4指的是 从I层外表面到IV层内表面的距离。
其中：λ
=
Байду номын сангаас
a2τ h2
为常数。
2.2.3 逼近求解
当t=0时，计算得到u0i－1，u0i，u0i+1，将上一层求解的边界 条件作为下一层的初始条件，并通过迭代法可以求解出u1i－1， u1i，u1i+1，进而求解出uki－1，uki，uki+1(i=1,2,…,N1；k=1,2,…,N2)，

高温作业专用服装设计高温作业专用服装是为了保护人们在高温环境下工作时的身体健康而设计的一种特殊服装。

随着现代工业的发展和人们对工作环境安全和员工健康的重视，高温作业专用服装的研发和设计变得越来越重要。

本文将探讨高温作业专用服装的设计原理和要点，并且提出一种创新的高温作业专用服装设计方案。

高温作业专用服装的设计需要考虑到以下几个方面：透气性、防护性、舒适性和功能性。

透气性是指服装的材料能够让空气和水蒸气自由地通过，以保持人体正常的温度和湿度。

在高温环境下工作时，人体会大量出汗，如果没有透气性良好的服装来排汗，就容易出现中暑和热射病等健康问题。

高温作业专用服装的材料应该选择具有良好透气性的纤维，如棉、麻和透气膜等。

高温作业专用服装的设计要考虑到防护性。

高温环境下，人体容易受到高温和热辐射的伤害，因此服装需要具备一定的防护功能。

服装的外层材料可以选择具有较低的热导率和较高的热稳定性的纤维材料，如聚酰亚胺纤维和耐热纤维等，以减少热辐射的伤害。

服装的设计还要考虑到防火和防烫的功能，以保护人体免受火焰和热源的伤害。

高温作业专用服装的设计还需要考虑到舒适性。

舒适性是指服装对人体穿着时的舒适感和适应性。

在高温环境下工作时，人体会感到热和不适，因此服装需要具备良好的湿气调节性和吸湿性，使人体保持相对干燥的状态。

服装的设计还应该考虑到人体运动的自由度和舒适度，避免过于紧身和束缚，以免影响工作效率。

高温作业专用服装的设计还需要具备一定的功能性。

功能性是指服装能够满足特定工作环境和工作任务的需求。

在高温环境下工作时，人们需要面对的工作任务和工作环境各有不同，因此服装的设计应该根据具体情况进行调整和改进。

一些高温作业需要人体频繁移动和弯曲，因此服装需要具备较好的伸缩性和耐磨性；而一些高温作业可能需要人体长时间保持相对静止，因此服装需要具备较好的保温性和保护性。

高温作业专用服装的设计需要考虑到透气性、防护性、舒适性和功能性等要点。

工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald82DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.15.082高温作业专用服装设计①邱秀亮 俞青清 杨位乾 陈旭(集美大学诚毅学院 福建厦门 361000)摘 要：本文基于傅立叶定律结合多层平壁热传递模型和干燥热传递模型，构造时间—位置—温度的热传递偏微分方程来解决热防护服装厚度的合理设计问题，然后将偏微分方程进行离散化处理，通过数据预处理发现皮肤表层超过1646s 以后温度不再增长，我们认为自此系统处于动态热平衡状态。

利用有限差分法在MATLAB上算出动态热平衡之前的温度分布，得到动态热平衡状态时各层交界处的温度。

关键词：热防护服 干燥热传递模型 有限差分法中图分类号：TS941.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)05(c)-0082-02①基金项目：本文是2018年“创新创业训练计划”中的项目《高温作业专用服装设计》（项目编号：201813471003 ）的阶段性成果。

作者简介：邱秀亮（1983，1—），男，汉族，江西赣州人，硕士研究生，讲师，研究方向：图论、复杂网络、偏微分方程。

现如今人们从事各种高温作业下的安全隐患有增加的趋势，在高温条件下热防护服具备对人体进行安全防护的功能而显得十分重要。

比如消防员在火场环境灭火救援时常处于高温高辐射的环境，如果防护服太厚重，经常会导致热应激反应，因此在高温作业时保护人体皮肤不受伤害的前提下，如何减少防护服厚度，是本文讨论的根本问题。

目前急需要解决的问题有：(1)根据已知的服装材料的参数值以及在条件为75℃环境温度、II层厚度为6mm、IV 层厚度为5mm、工作时间为90min的情形下，计算温度的分布；(2)当环境温度为65℃时，IV层厚度为5.5mm时，在确保工作60min时，假人皮肤外侧温度不超过47℃，且超过44℃的时间不超过5min的条件下确定II层最优厚度；(3)当环境温度为80℃时，在保证工作30min时，其余条件与上述相同以此来确定II层和IV层的最优厚度。

高温作业专用服装设计高温作业是指在环境温度较高的工作场所进行的工作。

由于高温环境会对工人的身体健康产生不利影响，为工人设计一款合适的高温作业专用服装就显得尤为重要。

本文将会设计一款高温作业专用服装，以提高工人在高温环境下的工作效率和身体舒适度。

高温作业专用服装应选择透气性好的材料制作。

高温环境下，人体出汗会增多，选择透气性好的材料能够帮助汗液蒸发，保持身体的干燥。

常见的透气性好的材料包括棉质、麻质和透气性好的合成纤维材料。

这些材料具有良好的吸湿性和透气性，可以有效地吸收汗液并快速蒸发，减少汗液在身体上的滞留，从而提高舒适度。

高温作业专用服装应采用宽松的版型设计。

宽松的版型能够增加服装与皮肤之间的空气流通区域，促进空气对流，加快身体表面的散热，从而降低身体对高温环境的感受。

宽松的版型还能提供更多的活动空间，方便工人在高温环境下灵活工作。

高温作业专用服装应具备防护功能。

高温环境下，工人容易受到阳光的辐射和高温物体的灼热，服装应具备一定的防护功能，以防止皮肤被晒伤或烫伤。

可以在服装的面料中加入防晒和防烫的成分，或在服装表面涂覆一层具有防晒和防烫功能的材料。

高温作业专用服装应注重细节设计。

应在服装的关键部位增加通风口，以增强空气对流；在腋下和背部等易出汗的部位采用吸湿排汗的材质，加快汗液的蒸发；在衣领和袖口等处加入调节温度的开关，让工人可以根据自身需要调整服装的温度。

高温作业专用服装的设计应注重透气性、宽松性、防护性以及细节设计等方面。

通过合理选择材料和设计，可以提高工人在高温环境下的工作效率和身体舒适度，保护工人的身体健康。

建议对高温作业环境进行有效的控制，如控制环境温度、增加通风设施等措施，以降低高温对工人的影响。

评价基于非稳态导热的高温作业专用服装设计文章的优点高温作业专用服装设计文章优点评价高温作业专用服装设计文章主要针对非稳态导热的情况进行了设计和研究，具有以下优点：首先，该文章在问题提出方面具有指导意义。

文章首先明确了高温作业中遇到的非稳态导热问题，并对该问题的重要性进行了阐述。

这为后续的研究提供了明确方向，并让读者认识到了在高温作业中对服装导热性能的要求。

其次，该设计文章在数据分析和实验验证方面做了深入探讨。

作者进行了大量的实验和数据采集工作，并通过对数据的分析和整理，得出了一系列关于高温作业服装导热性能的结论。

这些数据和结论为后续的服装设计提供了依据，同时也为读者提供了实验研究的方法和思路。

另外，该文章在设计方案提出和优化上也有突出的贡献。

通过对导热性能的研究和数据分析，作者在文章中提出了一种针对非稳态导热问题的高温作业服装设计方案。

该方案不仅能够满足导热性能的要求，还考虑到了舒适度和防护性能的问题。

并且，在设计方案的实施过程中，作者还针对一些可能存在的问题进行了优化，使得设计方案更加完善和实用。

最后，该文章在实际应用和社会意义上也有重要价值。

高温作业一直是一个危害性很大的行业，人员需要长时间暴露在高温环境下工作。

而高温作业服装的设计对于工作人员的健康和安全至关重要。

该文章的研究和设计方案，不仅提高了高温作业服装的导热性能，同时也减少了工作人员在高温环境下的不适感和疲劳感，为高温作业人员的健康保驾护航。

综上所述，基于非稳态导热的高温作业专用服装设计文章在问题提出、数据分析和实验验证、设计方案提出和优化以及实际应用和社会意义等方面都具有突出的优点。

这些优点不仅为该领域的研究提供了有力的支持，也为相关从业人员提供了重要的参考和指导，对于提升高温作业服装的导热性能和保护工作人员的健康安全具有重要的指导意义。

花 &心 T +Tkm-4 0152
-si
(5)
述， 得到了如下的偏微分方程初边值问题.
-刍( ) I层材料：
a (#)4 (#)b-G
T (#)--1 ,0(x(0. 6,0((5400,
B B% I
B)
-1 (#,0) - 37,0(兀(0.6,
1 B# + Tst-1
& Tout -out，0 (t( 5400 ,
3 B#
10.2
,0 (力(5400,
B#
10.2
、-3 (10. 2，力)=-4 (10. 2，力),0(力(5400.
3 层材 :
=0
1 Bபைடு நூலகம் # = 0. 6
T叫
2 B#
,0 (力(5400,
：0. 6
I-1 (0. 6,t) =-2 ( 0. 6, t) , 0(t(5400
罟 ( 詈)， 第1层材料:
4 A ( #) ( #)
=£ T2 (#)
0. 6(%(6. 6,0(力(5400, -2 (#,0) -37,0. 6(%(6. 6,
4 ( ) A(#) (#) BG=£ t3 (#) ，
6. 6(%(10. 2,0(力(5400, -3 (#,0) - 37,6. 6(%(10. 2,
-T2 — B-2
2 B#
6.6
,0 (力(5400,
B#
6. 6
-2 (6. 6，力)=-3 (6. 6 ,t) ,0(f (5400,
T B-3
M1) d4dt来
条件， 比 数T1〉0称为热
数，则过第/层
#_0的热流等于外
服

高温作业专用服装设计随着工业化进程的不断推进，高温工作环境中工人所面临的安全风险日益凸显。

在高温环境下工作不仅容易导致疲劳和身体不适，还可能造成严重的伤害甚至生命危险。

设计适合高温作业的专用服装显得至关重要。

高温作业专用服装的设计应该注重舒适性、保护性和耐用性，以保障工人在高温环境下的安全和健康。

下面将从材料选择、服装结构和创新设计等方面对高温作业专用服装进行详细阐述。

一、材料选择为了在高温环境下提供足够的保护和舒适度，高温作业专用服装的材料选择至关重要。

面料应具有良好的透气性和排汗功能，能够快速将汗液和热量排出体外，保持工人的身体清爽和干燥。

面料应具有一定的耐热性能，能够抵御高温环境下的热辐射和热传导，防止烫伤或灼伤。

面料应具有一定的抗拉伸和耐磨损性能，能够承受高温环境下的机械摩擦和拉扯，保证服装的耐用性和使用寿命。

高温作业专用服装的面料选择可以考虑采用聚酯纤维、耐热纤维、防火织物等具有良好性能的功能性面料，以满足工人在高温环境下的需求。

二、服装结构高温作业专用服装的结构设计应该符合工作环境的特点和工人的实际需求，既要保证舒适性和灵活性，又要保证保护性和耐久性。

在设计上，可以采用宽松的版型和合理的裁剪，以提供足够的活动空间和灵活性。

可以采用专业的防护结构设计，如加强的缝线、双层面料等，以提供额外的保护和耐久性。

可以在关键部位设置通风口和调节装置，以提高透气性和舒适度。

服装结构的设计应该兼顾舒适性、保护性和耐久性，以满足高温环境下工人的需求。

三、创新设计在高温作业专用服装的设计过程中，可以加入一些创新的设计元素和技术，以提升服装的性能和功能。

可以采用冷感技术，通过特殊的面料处理或结构设计，降低服装的表面温度，提高穿着舒适度。

又如，可以采用智能调温技术，通过可调节的温度控制装置，实现服装内部温度的调节，保持工人身体在适宜的温度状态。

还可以采用防紫外线、防静电、防辐射等多种功能性设计，以应对不同高温环境下的特殊需求。

=λ
∆τ ∆x2
tm(i
)
+1
−
2tm(i)
+
tm(i−) 1
+
Φ ρc

(4)
在公式 3,4 中：
a
=
λ ρc

(5)
其中，a 称为热扩散率（又称导温系数）。表征物体内
部温度趋于一致的能力。
令r
=
a
∆t ∆x2
，则公式
3
可改写为：
( ) t
( i +1)
m
=
rt
(i)
m +1
+
1− 2r
t
(i)
图 1 导热层截面示意图 首先，在合理范围内取一个假设的皮肤层厚度 x5 。Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V 层的厚度分别为 x1, x2, x3, x4, x5 ，将Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ、V 层分别分为 n1, n2, n3, n4, n5 个薄层，每薄层厚度 均为 ∆x 。取 ∆x = 0.05mm 。得： x1 = n1 × ∆x ， x2 = n2 × ∆x ， x3 = n3 × ∆x ， x4 = n4 × ∆x ， x5 = n5 × ∆x 由传热学知识可知 :
温度不仅随空间坐标变化，而且随时间坐标变化。考虑对微 分方程作有限差分离散化处理，需要建立温度分布对时间和 空间的函数。模型分为 I 层、II 层、III 层、IV 层和皮肤层 ( Ⅴ层 )， 其中 I 层、II 层、III 层、IV 层无内热源，皮肤层存在内热源。 ■■2.2 模型建立
将专用服装的三层织物材料视为三层平壁，假设层与层 之间接触良好，无接触热阻。 通过层间接触面，温度不会 下降。同时，将受热平面与视为平壁的服装织物平行。截取 一个微元面积的专用服装、空气层和皮肤，图 1 为其截面 示意图。取最外层织物上的某一点为原点 O，过这一点垂直 于织物、指向皮肤的方向为 x 轴正方向。

高温阻燃材料隔热防护服的热传导在高温环境下工作时，工作人员需要穿着专用服装以控制体内温度、避免灼伤。

专用服装通常由三层理化性质不同的织物材料构成，本文通过建立热传导模型，研究各层材料的温度分布情况。

根据这一模型，我们分析了热传导过程的时延效应。

考虑到所用材料的理化特征，我们通过调节材料的厚度，设计出性能更为优越的新型隔热阻燃防护服。

标签：一维热传导方程；有限差分法；相平衡；遗传算法；多目标规划；多重搜索我们假设热传导仅沿垂直方向，建立一维热传导方程描述温度随时间-空间的变化模型。

推测假人体表温度的终态形成的原因可能是达到了热传导的稳态平衡或者织物中存在可储能的相变材料，到达相变点后持续吸热而温度不再升高。

我们建立热传导方程并直接采用有限差分法求解；对于相变材料的掺杂，我们分阶段讨论其温度分布。

对于特定性能材料设计其厚度而进行的数值模拟：我们将厚度离散化，给定步长，结合正问题求解，得到满足防护要求的最小厚度；也可以利用现代优化算法改良，隐藏机理层，利用BP神经网络改进数值算法，并用遗传算法进行搜索。

1 一维热传导方程的建立根据相关实验的温度测量数据，实验持续一段时间后，假人体表温度达到恒定，并且此后不再增长。

从稳态热平衡出发，建立一维热传导模型的偏微分方程组进行热传递分析，得到一个常系数抛物型方程组。

以位置x为横轴，时间t为纵轴，设服装第I层与实验环境的交接处的横坐标值，沿横轴正方向往里依次是II、III、IV层。

记第层织物的密度为，比热容为，热传导系数为，热扩散率。

考虑空气对流传热，则对于空气层存在一个对流传热项[1-4]：由于该方程组为齐次线性方程组，不存在奇异解。

我们考虑采用简单易行的差分法求解该方程组：（1）进行离散分析：对于题目所给的时间（以秒为单位）和空间（以0.01mm 为单位）将自变量离散化，得到大小为m*n（5400*1520）的网格，网格比为；通过对原方程建立差分格式，以及对初始条件和边界条件建立相应的差分近似进行计算，即把原方程离散到各个节点上从而进行数值近似解的计算；（2）在结点上，利用温度分布在t方向上的向前差商，和在x方向的二阶中心差商近似代替一维热传导方程中的偏导数，得，上式即可化为[5]：（3）给定初始条件与边界条件利用C++编程进行迭代求解；（4）按照以上思路求解计算其在右边界与真值的误差率以及稳态温度与真值的差异：误差率仅为1.01%且含对流项达到稳态时的温度与真值仅相差0.01℃。

多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定一、本文概述随着现代工业技术的快速发展，高温环境作业已成为许多行业不可避免的工作场景。

因此，对高温防护服装的研究显得尤为重要。

多层热防护服装作为一种有效的个人防护装备，在保护工作人员免受高温伤害方面起着至关重要的作用。

本文旨在深入探讨多层热防护服装的热传递模型，并通过参数优化决定，为高温防护服装的设计和优化提供理论支持和实践指导。

本文将首先介绍多层热防护服装的基本原理和构造，包括各层材料的热学性能和结构特点。

在此基础上，将详细阐述热传递模型的理论框架，包括热传导、热对流和热辐射等基本传热方式在多层结构中的综合作用。

通过构建热传递模型，可以更准确地预测多层热防护服装在不同高温环境下的热防护性能。

接下来，本文将探讨多层热防护服装参数的最优决定方法。

通过对影响服装热防护性能的关键因素进行分析，如材料导热系数、服装厚度、服装层数等，我们将建立参数优化模型，以寻求在给定条件下最佳的服装设计方案。

通过参数优化，可以进一步提高多层热防护服装的热防护效果，降低高温环境对工作人员的潜在威胁。

本文将总结多层热防护服装热传递模型及参数最优决定的研究意义和应用前景。

随着科技的不断进步，多层热防护服装的性能将不断优化，为保障高温环境作业人员的安全和健康发挥更加重要的作用。

本文的研究成果将为相关领域的科研人员和企业提供有益的参考和借鉴，推动多层热防护服装技术的持续发展和创新。

二、多层热防护服装的热传递模型多层热防护服装的设计初衷在于通过多层次的材料结构来抵抗外界热源的侵害，保护穿着者免受高温环境的伤害。

为了深入理解这种防护机制，需要构建一个能够准确描述多层热防护服装内部热传递过程的数学模型。

在构建模型时，我们首先需要考虑服装各层材料的热传导性能，包括导热系数、热容和密度等参数。

这些参数将直接影响热量在材料间的传递效率。

我们还需要考虑服装层间的接触热阻，这是由于层间空气和不完全接触导致的热传递阻碍。

０ 引言
近年来，随着温室效应的加剧，环境温度越来越高。在 高温环境下工作，人们需要穿上专用防护服，避免身体受到 伤害。高温作业专用防护服可以促进人体散发热量，防止烧 伤、灼伤及中暑，保护人体皮肤 [1-2]。为了降低高温作业专用 防护服的研发成本，缩短研发周期，利用高温环境下的温度 监控数据，结合高温作业专用服装材质的密度、比热、厚度 以及热传导率等参数，分析具体的初始条件和边界值，建立 推导介质中存在热源的非稳态离散化热传递模型 [3]。此外， 本文旨在寻找高温防护服和皮肤外温度的分布规律，确定最 佳防护安全温度范围，从而确定高温作业专用防护服每层材 质的最优厚度，为高温作业专用防护服的设计和生产提供可 行性参考。
Key words: multi-layer protective clothing; single objective programming; thermal conductivity; finite element difference method; analytic hierarchy process
针对上述问题，本文借助热传导和热扩散原理，结合所
作者简介：郭丞 (1997—)，男，陕西渭南人，本科在读。研究方向：热防护服材料的传热特性研究。
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软件开发与应用
信息与电脑 China Computer & Communication
关键词：多层防护服；单目标规划；热传导率；有限元差分法；层次分析法 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2019）07-113-02
The Design of Mathematical Model for High Temperature Operation Clothing Based on MAuancheng, Ma Yue, Zhong Lina

高温作业专用服装设计在高温环境下，人体容易受到热量的侵袭，导致中暑、热衰竭等健康问题。

为了保护工人在高温作业中的安全和健康，设计一种高温作业专用服装是非常必要的。

本文将从材料的选择、结构的优化和功能的设计等方面，探讨高温作业专用服装的设计。

一、材料的选择在高温环境下，材料的选择是设计高温作业专用服装的首要考虑因素。

一般来说，高温作业专用服装需要具备以下特点：抗高温、透气、耐磨、耐洗、防火等。

选择具备这些特点的高温防护材料是非常重要的。

高温作业专用服装的面料可以选择具有较高高温耐受性的材料，如玻璃纤维、亚纶纤维、阻燃化纤等。

这些材料具有较高的熔点和阻燃性能，可以有效阻挡高温对人体的伤害。

透气性是高温作业专用服装的另一个重要特点。

选择透气性好的面料可以提高服装的舒适度，减少湿气和热量在服装内的积聚。

常见的透气性好的面料有涤纶、尼龙等。

耐磨性和耐洗性是高温作业专用服装必备的特点。

在高温环境下，工人可能需要长时间地进行作业，因此服装必须具备较高的耐磨性和耐洗性，以保证服装的使用寿命和清洗的便利性。

耐磨性好的面料有涤纶、尼龙等，耐洗性好的面料有涤纶、棉纤维等。

防火性是高温作业专用服装必不可少的特点。

在高温环境下，防火性能是保护工人安全的关键。

选择具有防火性能的面料，可以有效减少工人在高温作业中的安全风险。

常见的防火材料有阻燃化纤、亚纶纤维等。

二、结构的优化在高温作业专用服装的设计中，结构的优化也非常重要。

合理的设计可以提高服装的舒适度和功能性。

服装的整体结构应该合理，能够覆盖工人的身体大部分部位，以达到全面保护的效果。

选择适合工人体型的设计，合理划分各个部位的服装片段，使得工人在穿着服装时能够有足够的灵活性进行作业。

设计适合高温作业的细节部分，如领口、袖口、裤脚等。

这些细节部分可以采用防火、防热、透气等材料和工艺进行设计，以提高服装在这些部位的防护性能和舒适度。

考虑到高温作业过程中可能出现的汗水和湿气问题，设计适合排汗和调湿的结构也是很重要的。

基于一维非稳态传热方程的高温作业专用服装设计发表时间：2019-04-11T11:13:53.280Z 来源：《科技新时代》2019年2期作者：卢俞帆陈锦辉庄心怡[导读] 本文针对高温作业专用服装的设计问题，利用传热学非稳态导热理论，建立了一维非稳态传热数学模型，解决了题目所提出的问题。

卢俞帆陈锦辉庄心怡华北电力大学电气与电子工程学院北京 102266摘要：本文针对高温作业专用服装的设计问题，利用传热学非稳态导热理论，建立了一维非稳态传热数学模型，解决了题目所提出的问题。

针对问题一，我们首先根据经典的非稳态传热理论建立理论模型，然后根据非稳态导热问题的数值解法建立了离散方程组，最后根据题目附件中假人皮肤外侧的测量温度数据以及已知的热参数，基于物理事实进行参数优化，从而确立了描述假人皮肤外侧温度变化的数学模型，模型的均方根误差为0.1。

针对问题二，利用问题一得到的传热数学模型，我们首先研究了温度分布函数与第II层厚度的关系,发现第II层厚度取不同值时，温度分布函数都是连续且单调不减的上凸函数。

并且，随着II层厚度的增加，图像越扁平，即温度上升的越缓慢，最终的稳定温度也越低。

然后我们利用辅助线段简化了温度约束条件，将第II层的最优厚度的可能取值限制在一个较小的厚度区间。

最后利用二分原理进行迭代逼近，最终得到第II层的最优厚度为9.4。

针对问题三，利用问题一得到的传热数学模型，我们首先研究了温度分布函数与第II、IV层厚度的关系，然后我们利用问题二的预估方法和迭代逼近原理，研究了第II层最优厚度与第IV层厚度的关系，得到了一系列数据，运用最小二乘法进行拟合，得到了第II层最优厚度与第IV层厚度的线性函数关系。

根据高温作业专用服装的综合评价方法，最终确定了第II层最优厚度为18.3,第IV层最优厚度为6.4。

本文亮点在于采用了设立辅助线段的方法来快速缩小最优厚度的所在范围，减少了二分法的迭代次数，大大缩短了计算时间。

高温作业专用服装设计数学建模研究
背景介绍：高温作业是一项非常危险的工作，如果工人不能正确穿戴适合的工作服，将会对人体造成严重的伤害。

因此，设计高温作业专用服装显得非常重要，不仅要满足工作人员的保护需求，还需要考虑到人体舒适度以及设计的可行性。

一、问题提出：
如何设计一款适合高温作业的专用服装，该服装需要满足以下要求：
1. 能够有效地保护工作人员免受高温的伤害；
2. 具有透气性和保湿性，能够保持人体舒适度；
3. 风格简洁美观，易于穿戴和穿脱；
4. 服装的设计需要结合人体工学原理，确保工作人员能够自由运动并保持灵活性。

二、建模分析：
为了设计一款适合高温作业的专用服装，我们需要考虑以下建模分析：
1. 材料选取：选择适合高温环境的材料，如防火面料和导热性较小的纤维材料，可以有效地降低高温环境的伤害；
2. 透气性和保湿性：利用纳米技术，设计出可以透气和保湿的
纤维材料，可以实现服装的舒适度；
3. 设计结构：降低热量，可以采用通风设计，通过腋下和背部增加通风孔，可以实现流通；
4. 风格设计：采用简洁的设计风格，精简服装的结构，提高穿戴舒适度；
5. 人体工学原理：针对不同的工作环境和身体部位，选择合适的剪裁和纤维材料，结合人体工学原理，实现灵活性。

三、模型应用：
通过数学模型建立的高温作业专用服装设计方案，可以为服装设计师提供有效的参考，确保服装的质量和安全性。

同时，该模型还可以应用于其他行业的服装设计中，如消防、铁路等行业，为相关行业提供高效而安全的工作服装设计。

高温作业专业服装的设计摘要：本文以Matlab为工具，利用有限容积法求解二维热传导方程从而对高温作业专业服装各层的导热性能进行研究，并结合附件中的相关数据解得各层的温度随厚度、时间的变化关系函数。

问题一、首先对高温作业专业服装的各层模型做简化处理，将热传导看成在简单的二维平面内沿厚度x方向进行。

将每层的材料视为无数“有限体积单元”的叠加；再对每个“有限体积单元”进行研究并得到温度T关于时间t、厚度x的偏微分方程。

运用有限容积法对该偏微分方程进行求解。

问题二、利用以上模型在给定的条件下，首先确保在60min时假人皮肤外侧的温度低于47℃。

随后将Ⅱ层厚度划分为从0mm-1mm……24mm-25mm的25个区间，并在这25个区间内分别进行数值分析与试探,求得符合条件的14个厚度区间，再对符合条件的厚度区间进一步划分并重复以上操作以求得厚度的最优解为8.7mm。

问题三、基于问题一的模型在给定条件下可得到以II层，IV层厚度为自变量，皮肤外侧温度为因变量的非线性二元函数。

采用随机搜索法确定最优解的近似值，用牛顿法对函数进行求解，得出厚度的最佳值为II层为18.4mm，IV层为6.2mm。

关键词：一维传热方程、有限容积法、牛顿迭代法、Matlab一、问题重述高温作业专用服装为高温从业者提供人身安全保障，通过对高温作业专用服装的相关参数的确定完成以下问题的解答：问题一：结合附件1给出的数值，对当环境温度为75oC、II层厚度为6 mm、IV层厚度为5 mm、工作时间为90分钟的情形开展实验，测量得到假人皮肤外侧的温度。

建立合适的数学模型，分析并计算假人皮肤外侧的温度随时间及厚度在各层的分布规律，并生成温度分布的相关Excel文件。

问题二：当环境温度为65oC、IV层的厚度为5.5 mm时，确定II层的最优厚度，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。

问题三：当环境温度为80℃时，确定II层和IV层的最优厚度，确保工作30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。