Research on Thickness Optimization of Protective Suit Made of Heat-resistant Materials
黄新运① HUANG Xin-yun；索昊② SUO Hao；刘彩美③ LIU Cai-mei；杨睿③ YANG Rui
（①南华大学土木工程学院，衡阳 421001；②南华大学电气工程学院，衡阳 421001；③南华大学核科学技术学院，衡阳 421001）
（①College of Civil Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；
②College of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；
③College of Nuclear Science and Technology，University of South China，Hengyang 421001，China）
摘要：针对耐热材料的厚度优化问题，通过调研耐热防护服的应用及热防护原理，设计出一套最优化不等式方程组作为约束条件，求解出不同厚度材料的合理优化区间，考虑到材料成本及防护服本身防护性能，特别的引入热阻，得到耐热材料的最优厚度解，为今后研究耐热防护材料厚度优化问题的研究提供了一种分析思路。
Abstract: Aiming at the problem of thickness optimization of heat-resistant materials, by investigating the application of heat-resistant protective clothing and the principle of thermal protection, a set of optimal inequalities equations was designed as a constraint condition to solve the reasonable optimization interval of materials with different thicknesses. Taking into account the material cost and the protective performance of the protective clothing itself, thermal resistance was introduced, and the optimal thickness solution of the heat-resistant material was obtained, which provides an analytical idea for the study of the thickness optimization of heat-resistant protective materials in the future.
关键词：耐热材料；防护服；厚度；优化设计
Key words: heat resistant material；protective suit；thickness；optimized design
中图分类号：TB35 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0174-03
0 引言
服装是人类在从事物质生产活动最基本的保证之一，服装作为人与环境的中间体，充当着人体第二皮肤的作用。由于现阶段灾害的复杂性、突发性和科技发展的必要性，针对不同环境对服装性能的要求也变得越来越高，耐热材料的提出可以大大解决不同环境特种材料的需求。
为了揭示热防护织物内部的热传递规律，热防护功能作为一项重要且被持续关注的特殊服装功能，研究热防护服的防热能力，有利于为热防护服装的研发提供一条参考途径。目前更多热防护服装的设计集中在热防护性能测定、建立热防护服装内部传热模型、发展测定热防护性能的试验方法和实验装置和热防护服装舒适性评价等上，而耐热防护服厚度优化大大有利于合理地设计热防护服装的热防护性能，同时也对有利于减少工作人员皮肤损伤[1]。
本文在一定的材料参数和约束条件下，尝试求解特定材料层的最优厚度。针对具体问题，建立最优解的厚度分布模型，并得出方程组建立相关不等式，求取其有效区间范围，对其进行数据分析，从而求得最优厚度解。在考虑热阻后，由于热阻大小反映防护服的隔热性能好坏，当热阻达到最大，符合约束条件的第二层厚度最小，即在成本最低时防护服隔热性能最优，防护服的隔热性能和节省材料之间达到协调，从而解出最优解。
1 耐热防护服的应用及热防护原理简述
耐热防护服装一般泛指在高温条件下穿用的、有助于使体热散发、防治热中暑等症状发生并维护穿着者人身安全的防护服饰。
耐热防护服装旨在使作业人员在一定程度上免受高温环境中一些危险因素对人体生命安全的威胁，同时保证作业人员的工作活动和生理舒适。由于防护服装的特殊功能性需求，必须首先对于功能性防护服装的应用进行预研与分析，以得出设计所需满足的环境条件、防护要求、工作效率、舒适度等需求，并根据安全防护性指标，确定设计原则，从而针对应用需求设计出最符合使用条件的功能性防护服装[2]。
随着社会的高速发展，当今耐热防护服饰的要求以及舒适度等越发的得到了人们的关注。热防护服是对在高温或超高温条件下工作的人员进行安全保护，从而避免热源对人体造成伤害的各种保护性服装[3-4]。通常热危险因素作业环境会分为以下几种：火焰对流热、接触热、辐射热、火花和熔融金属喷射物、高温气体、热蒸汽、电弧瞬间产生的高热等。其中，火焰、高温气体、热蒸汽传递热量的方式多以热对流为主，接触热、火花和熔融金属传递方式多为热传导，而辐射热则传递的主要方式是热辐射。针对一种或多种传热方式，如：热对流、热传导、热辐射中的单一或多种的传热方式进行防护，就是热功能防护服装的防护原理，清华大学曾搭建基于暖体假人的热环境下人体安全评价实验结构平台[5]。其主要是通过阻隔热量传递，降低各种热源的传递速度，以减少热量积聚在人体皮肤上，保护皮肤，促使人体热量的散发，减少热应激现象的发生，实现保护作业人员的作业安全及人身安全的目标[6]。
2 耐热材料厚度的优化
防护服的舒适，经济和安全是长期以来科研人员的研究方向，但舒适，经济和安全这三者相互制约，其主要影响因素之一便是其防护服材料的厚度，若保证安全则需增大其防护材料的厚度，那其舒适性和经济性没法保证，所以既要保证材料性能的充分发挥，同时又要保证其的舒适性和经济性，需对其进行分析和讨论，现将针对具体问题进行分析，寻求三者协调[7]。
物体的热传导是指两个温度不同的接触物，或不同温度的同一物体各部分间在不发生相对宏观位移的情况下所进行的热量传递过程[8]，根据传热学模型及耐热服装材料的基本参数值建立下述方程不等式。
服装对人体的热湿传递起到阻碍作用，这种阻碍作用取决于2方面因素的影响：一是服装材料本身的热湿物理性能；二是服装包覆所形成的衣下间隙的厚度[9]。所以针对热防护服的防护能力，本文考虑其有效防热层为四层，前三层为不同耐热材料，其热湿物理性质根据一般防护服的防火层，阻热层和隔热层，最后一层为空气层。
将以上基本参数代入材料模型中，l2为其II层厚度，可得：T4（l2，t），并且当时间t确定时，T4（l2，t）只与l2长度分布有关。（注：t单位为min）
约束条件：①确保工作60分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47℃；
由温度分布可知：当其他因素一定时，T4（t）为随时间增加的递增函数，当工作时间达到60分钟时其温度没有超过47℃，则在六十分钟内假人皮肤外侧温度不会超过47℃，其表达式为：T4（l2，60）?燮47
②假人皮肤外侧温度超过44℃的时间不超过5分钟；
即假人皮肤外侧温度达到44℃的时间超过55分钟，其表达式为：T4（l2，t1）=44，t1?叟55
③需满足服装设计基本参数厚度要求。
0.0006?燮l2?燮0.025
总约束条件为：■
确立的求解目标：求解范围内的最薄厚度。（在满足同等条件下，越轻便，节省材料）
求解结果：最终经过计算得其最优结果为17mmII层厚度。但由于计算误差，我们判断其值应该落在16-18mm之间。
3 引入热阻后耐热材料厚度的优化
对于以上问题进行优化，将简化的问题进一步进行讨论，使之更合理，使其更贴合于实际。现引入热阻概念进行扩展。
热阻指的是当有热量在物体上传输时，在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小[10]。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。
R=■
R，热阻；l，厚度；k，热传导率；A截面面积。当热阻越大，其防护服隔热性能越好。
代入表1基本参数，建立目标函数：
max R总=0.087+2.703l2+35.714l4
min l2
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47℃；（注：t单位为min）
由温度分布可知，皮肤外侧温度处于一直上升状态，所以工作三十分钟假人皮肤外侧温度不超过47℃，即30分钟其温度不达到47℃，其表达式为：t4（l2，l4，30）?燮47
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，假人皮肤外侧温度超过44℃的时间不超过5分钟。
即25分钟后假人皮肤外侧温度才达到44℃，其表达式是：■
需满足服装设计基本参数厚度要求。
0.0006?燮l2?燮0.025 0.0006?燮l4?燮0.0064
总约束条件：■
根据其约束条件，结合初始条件，对此问题进行合理的分析和求解，得到的结果较为理想。
4 模型的推广
耐热材料的厚度优化是个比较复杂的问题。本文的优化设计采用线性约束方法，考虑引入热阻的情况优化厚度，但是并未通过实际实验数据与模型模拟数据相对比，模型也只能应用于恒温假人实验，假人与环境的被动热交换，以及与人体自身的热交换调节具有较大差异，需要通过不断的深入研究实验才能逐步推向市场应用。利用不等式方程组对材料的厚度优化给出一种尝试，可为今后分析耐热防护材料的研究工作提供思路。
参考文献：
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[10]张平，宣益民，李强.界面接触热阻的研究进展[J].化工学报，2012，63（02）：335-349. |
