周可凡

摘 ?要：目前，消防安全越來越引起人們的重視，而高溫防護(hù)服是消防隊(duì)員或高溫環(huán)境作業(yè)人員常用的重要裝備品之一。本文結(jié)合有限元差分分析和遺傳算法，建立了研究模型，研究了隔熱防護(hù)服在高溫環(huán)境下，各材料層以及空氣間隙層邊界與間隙間的溫度分布情況。對制造出的隔熱效果好、人員穿戴舒適度高且經(jīng)濟(jì)的隔熱防護(hù)服有重大意義。

關(guān)鍵詞：隔熱防護(hù)服;溫度分布;有限元差分分析;遺傳算法

引言

各種高溫作業(yè)導(dǎo)致的職業(yè)健康危害屢見不鮮，是目前急需解決的職業(yè)健康問題。在高溫異常作業(yè)環(huán)境下，采取有效的個(gè)體防護(hù)是預(yù)防作業(yè)人員受到身體損害的重要手段，防護(hù)效果的好壞直接關(guān)乎作業(yè)人員的工作效率和生命安全。研究高溫防護(hù)服的各層溫度分布，可以為后續(xù)的防護(hù)服各層最優(yōu)厚度研究提供重要幫助，具有重要意義。為此本文提出了一種結(jié)合了有限元差分分析和遺傳算法的，針對防護(hù)服各層邊界溫度和各層之間溫度分布情況的研究方法。

1 建立防護(hù)服-空氣間隙-人體表皮模型

對于一次模擬實(shí)驗(yàn)，我們令外界環(huán)境溫度為75度，初始假人體表皮溫度為37度。記錄從1到5400秒的，90分鐘內(nèi)的5400組假人表面溫度值。選取外層、隔熱層、舒適層三層結(jié)構(gòu)的隔熱防護(hù)服為例，將上述三層分別定義為I層、II層和III層，將舒適層與人體之間的空氣定義為IV層。各層材料熱力學(xué)參數(shù)如下表所示：

可將外界環(huán)境對于穿著防護(hù)服的人體傳熱看做一個(gè)一維非穩(wěn)態(tài)的傳熱問題，繪制隔熱服-空氣間隙-人體表皮結(jié)構(gòu)示意圖如下所示，其中I層、II層和III層為不同的防護(hù)服材料層;IV層為防護(hù)服與人體之間的空氣間隙層：

2 計(jì)算瞬態(tài)時(shí)各層邊界溫度

利用有限元分析軟件ANSYS搭構(gòu)與題設(shè)條件相同的紡織物模型，ANSYS中熱分析程序能夠?qū)?dǎo)熱、熱對流和熱輻射這三種熱傳遞類型進(jìn)行分析[1]。我們進(jìn)行步長為5400的熱分析，并得到每秒的各層的最低溫度和最高溫度。根據(jù)熱量沿著溫差方向傳遞的規(guī)律，可以認(rèn)為最低溫度為內(nèi)層邊界溫度，最高溫度為外層邊界溫度。計(jì)算得到各個(gè)邊界溫度如下表所示：

利用MATLAB結(jié)合遺傳算法繪制出各層中的溫度變化情況，將溫度分布情況模擬成一個(gè)生物進(jìn)化過程，再通過遺傳、交叉、突變、自然選擇等模擬生物遺傳的操作產(chǎn)生下一代的解，再對得到的解進(jìn)行一次同樣的操作，這樣逐步迭代逐步淘汰適應(yīng)度函數(shù)值低的解，增加適應(yīng)度函數(shù)高的解。像這樣進(jìn)行N次迭代后就會計(jì)算出適應(yīng)度函數(shù)值比較高的個(gè)體[2]。

3 確定隔熱防護(hù)服有效隔熱時(shí)間

由當(dāng)前的研究成果，我們得知，生物組織溫度在高于44℃時(shí)，便會發(fā)生一定程度的熱損傷[3]。根據(jù)前面求得的防護(hù)服溫度分布情況可繪制出人體皮膚實(shí)時(shí)溫度圖如下圖1所示。

畫出圖中人體皮膚溫度剛剛到達(dá)44℃時(shí)的點(diǎn)，如圖該點(diǎn)的橫坐標(biāo)為1026s。則1026s之后人體便開始受到熱損害，我們認(rèn)為此后本防護(hù)服不再發(fā)揮隔熱防護(hù)效果。由此我們得出本例防護(hù)服的有效隔熱時(shí)間為1026s。

4 結(jié)論

本文提供了用于一種隔熱防護(hù)服溫度分布分析的方法，為后續(xù)的防護(hù)服各層的材料選擇和厚度尋優(yōu)等問題的研究提供了必要的數(shù)據(jù)支持，在消防安全工程方面具有重要意義。本方法創(chuàng)新性地將有限元差分分析法和遺傳算法相結(jié)合用于研究隔熱防護(hù)服的溫度分布情況，利用有限元差分分析解決了對流換熱面的溫度確定問題，獲得了各層材料的邊界溫度。又根據(jù)溫度分布繪制出人體皮膚實(shí)時(shí)溫度圖，并由此確定防護(hù)服的有效隔熱時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1] ?藍(lán)宇;張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J].應(yīng)用科技，2000：2-15

[2] ?席裕庚，柴天佑，惲為民.遺傳算法綜述[J].控制理論與應(yīng)用，1996：17-33

[3] ?朱曉明，胡志剛，劉競達(dá).皮膚表面熱燒傷溫度場的數(shù)值模擬[J].中國組織工程研究，2015：25-27