авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |

«ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ВОЗДЕЙ- СТВИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР Монография УДК ББК Авторский коллектив Прохоров ...»

-- [ Страница 6 ] --

Таким образом, степень рациональности теплозащитной кон струкции определяется правильностью учета физиологических теп ловых характеристик, на основе которых возможно произвести рас четы параметров отдельных элементов системы индивидуальной защиты человека от температурного потока. Известна методика расчета средневзвешенной толщины одежды на основании физиоло гических особенностей человека [1,2,8].

По этой методике с учетом заданных условий определяется величина радиационно-конвективных теплопотерь с поверхности тела человека, Q рад. конв., (Вт).

По табл. 3.1. определяются потери тепла на нагрев вдыхае мого воздуха при заданной мощности энергозатрат и фактической температуре окружающей среды.

Т а б л и ц а 3. Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, Вт Энер- Температура окружающей среды, го- °С затра ты, Вт 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 - 116 6,1 7,3 8,1 9,1 10,1 11,2 12,2 13,2 14,5 15,2 16,2 17,3 18, 174 8,1 9,4 10,8 12,2 13,6 14,8 16,2 18,0 18,9 20,0 21,7 23,0 24, 232 10,8 12,6 14,4 16,2 18,0 19,8 21,6 23,4 25,2 27,0 28,8 30,6 32, 292 12,2 14,3 16,2 18,3 20,3 22,4 24,4 28,5 28,4 30,5 32,5 34,6 36, 349 14,6 17,0 19,6 22,0 24,4 26,9 29,3 31,8 34,4 36,5 39,1 41,6 44, 407 17,0 19,8 22,7 25,5 28,4 31,3 34,1 36,9 39,7 42,6 45,3 48,2 51, 465 18,3 21,5 24,5 24,5 30,6 33,7 36,8 40,0 43,0 45,8 49,0 52,3 55, Величина Qдых. получается интерполяцией соответствующих данных табл. 1. Путем подстановки необходимых величин в форму лу (3.1) получают величину радиационно – конвективных теплопо терь:

D QРАД. КОНВ. = 0,72 М + 0,8 Q ДЫХ. + 6,30.

(3.1) По формуле (2.) может быть определена плотность теплового потока с поверхности тела человека:

Q q = РАД. КОНВ., (3.2) S где S - величина средней площади человека, берется из приведенных Столвийком в [5,6] результатов, полученных Дюбуа, где средний рост мужчины 1,72 м, масса 74,4 кг, площадь поверхности тела 1,89 м2, на основе которых далее рассматривается модель тела человека, изло женная в работах Столвийка [6].

Основной теплозащитной характеристикой одежды является суммарное термосопротивление, R, Вт/(моС), которое определяется по следующей формуле:

tK tВ R=, (3.3) q где tk – средневзвешенная температура кожи, оС;

tв – температура воздуха, оС.

С учетом выполняемых физических работ, что определяет ве личину энергозатрат человека, M, [1,2,8,9], средневзвешенная темпе ратура кожи может быть рассчитана по формуле:

М t св.к = 36,07 0,0354. (3.4) S В случае необходимости определения средневзвешенной тем пературы кожи для условий, приближенных к реальным, целесообраз но произвести непосредственные замеры температуры кожи на соот ветствующих точках, количество и место размещения которых опре деляется в зависимости от вида исследования: лабораторного или на турного. Средневзвешенная температура кожи может быть рассчитана по различным методикам, учитывающим совокупность набора от дельных наиболее характерных мест (точек) на поверхности тела че ловека, которых может быть использовано 5, 7, 8, 11. Показатели средневзвешенной температуры кожи являются контрольными для оценки общего теплового состояния человека.

В случае проведения лабораторных исследований наиболее объективной считается 11-точечная система измерений [2,3], расчет на основании которой производится по следующей формуле (стопы, плечи и т.д. имеют по 2 значения):

t св.к= 0,0886 t к.лба+ 0,034 t к.тул+0,134 t к.плеча+0,045 t к.кисти+ +0,23 t к.бедра+0,125 t к.голени+ 0,0644 t к. стопы. (3.5) В случае проведения натурных (производственных испытаний) измерения проводят по 5-точечной схеме Витте, учитывающей темпе ратуру лба, груди, бедра, голени и кисти [2,9,10,11].

Расчет средневзвешенной температуры кожи t cв.к, °С осущест вляется по формуле:

t св.к = 0,07t к. лба +0,5t к. груди +0,05t к. кисти + 0,18t бедра +0,2t к. голени. (3.6) Расчет средней температуры тела t ср.т, °С производится по формуле:

t ср.т = Кt М +(1-К) t св.к, (3.7) где величина К (коэффициент смешивания) определяется из табл. [2].

Для использования данных таблице 3.2 проводится предвари тельный расчет величины М/S.

Т а б л и ц а 3. Коэффициент смешивания температуры тела при различных теплоощущениях и энергозатратах Энергозатраты, М/S, Вт/м Теплоощущение 70 88 113 145 (оценка) Коэффициент смешивания Холодно 0,55 0,57 0,59 0,62 0, Прохладно 0,57 0,58 0,60 0,64 0, Слегка прохладно 0,59 0,60 0,63 0,65 0, Комфорт 0,62 0,64 0,65 0,67 0, Слегка тепло 0,70 0,70 0,70 0,70 0, Тепло 0,79 0.77 0,74 0,72 0, Жарко 0,86 0,82 0,79 0,76 0, Толщина плоского пакета n, который может обеспечить такое термосопротивление (R), можно определить по следующей формуле:

n = R, (3.8) где – эквивалентный коэффициент теплопроводности пакета, Вт/(м оС).

Фактическое термосопротивление пакета с учетом кривизны тела рассчитывается, согласно [12] по формуле:

R = Rn Ф, (3 9) где Rn – термосопротивление плоского пакета, м2 оС/Вт;

R – термосо тела, м2 оС/Вт;

противление пакета, имеющего кривизну участка ф – коэффициент формы участка тела.

Формула (3.9) справедлива для идеализированного участка те ла. Для всего тела человека, которое имеет сложную форму, величина ф оценивается приблизительно с учетом представления человека, стоящего по стойке «смирно» руки по швам, ноги вместе, в виде «ко кона», равномерно покрытого теплоизолирующим слоем [12,13].

Величина ф оценивается по среднему значению радиуса кри визны «кокона», а величины rmax и rmin рассчитаны по результату изме рений человека с размерными признаками 176-100-88:

По величине отношения (ср.+ rср)/rср по графику на рис. 3. можно определить ф.

kф 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, r2/r 1 2 3 4 5 Рис. 3.2. График зависимости коэффициента формы kф от отношения радиусов наружной поверхности теплоизоляции (r2) и изолируемой поверхности (r1) По формуле (3.8) рассчитывается средневзвешенная толщина пакета с учетом кривизны ср.

Последующая задача расчета теплозащитной и теплоизоли рующей одежды заключается в рациональном распределении средне взвешенной толщины по отдельным участкам тела с учетом эффек тивности их утепления, которое определяется интенсивностью тепло излучения в заданных зонах в реальных (прогнозируемых) условиях эксплуатации.

Учитывая то, что условий реальной эксплуатации специальной теплозащитной и термозащитной одежды существует великое множе ство, для решения определенных задач проектирования одежды необ ходимо выделить определенный тип защитной конструкции и способ температурной компенсации. Выделенный способ необходимо рас смотреть в математической модели системы «человек-одежда-среда».

Математическое моделирование позволит получить необходимые для инженерных расчетов данные. В результате будет спроектировано из делие, которое без непосредственного участия человека в продолжи тельных трудоемких экспериментах будет учитывать целевые условия окружающей среды.

3.2 Существующие методики математического моделирования систем «Ч-О-ОС» и их практическое применение при проектировании теплозащитной одежды В работах [12,13] рассмотрены методики проектирования оде жды для защиты от холода. Эти методики эффективны при создании бытовой и рабочей теплозащитной одежды. Однако они не учитывают все возрастающих требований к специальной теплозащитной одежде.

Ошибкой в данном случае являются достаточно высокие допущения при построении геометрических и математических моделей систем «человек - одежда - окружающая среда». Новые требования ограничи вают допустимый предел массы спецодежды, требуют увеличения длительности пребывания в условиях пониженных температур до не скольких суток. Новые комплекты согласно требованиям МЧС [13,14] должны быть рассчитаны для работы при температуре внешней среды -60°С, а также высоких температур (100-120°С).

Получена классификация теплозащитных костюмов в зависи мости от определённого интервала температур в прогнозируемой зоне пребывания (рис. 3.3).

Оптимизационные модели Имитационные модели (в воде) 120 0С -60 -50 0 Неисследованная Неисследованная область тем область темпера ператур тур Рис. 3.3. Диапазоны температур для проектирования специальной одежды Рассмотренные методики проектирования специальной одеж ды [12,13,14,15] не удовлетворяют каждой частной задаче, так как не могут адекватно оценить состояние человека в указанных условиях.

Эффективным методом решения задач, встающих при проек тировании различных видов специальной теплозащитной одежды, яв ляется математическое моделирование. Математическая модель теп лового состояния системы "человек – одежда – окружающая среда" позволяет провести уточненный расчет одежды, оценить диапазон внешних условий, в которых применима данная одежда, изучить ди намику теплового режима человека.

Определенные на математической модели тепловые характери стики системы: температура тела и кожи, топография теплового пото ка с поверхности кожи и одежды, дают полную информацию о каче стве разрабатываемой одежды. Преимущество метода математическо го моделирования заключается в том, что он позволяет оценить пове дение системы при любом сочетании параметров. При этом сокраща ется количество экспериментальных образцов одежды и отпадает не обходимость проведения ряда натурных экспериментов, в особенно сти труднопереносимых человеком.

С точки зрения термодинамики организм человека представля ет собой сложную систему, отличающуюся высокой стабильностью температур внутренних областей тела при возможных значительных колебаниях температуры кожи и интенсивности теплообмена между телом и внешней средой [15,16].

В общем случае, математическая модель должна описывать процесс теплопередачи из глубинных слоев тела человека через одеж ду в окружающую среду. При этом необходимо учитывать, такие теп лофизические характеристики тела и одежды, как тепло, генерируе мое в тканях тела человека, внешнюю температуру среды и т.д.

Методы математического моделирования, однако, не позволя ют полностью учесть все факторы. Это связано, в первую очередь, с ограниченной мощностью средств, на которых математические моде ли реализуются (ЭВМ), и с неизбежным возрастанием погрешности при увеличении количества элементарных операций. Поэтому все ма тематические модели основываются на существенной схематизации процесса формирования теплового состояния человека, а также его антропометрических характеристик.

Известные модели можно подразделить на статические [12,13] и динамические [9,10,], в которых в качестве математического описа ния используется соответственно стационарное или нестационарное уравнения теплопроводности. Модели описывают тепловое состояние части тела или всего тела, и учитывают: теплопроводность и метабо лическую теплопродукцию тканей тела, конвективный теплообмен между кровью и тканями, теплопотери с поверхности кожи в воздуш ную среду радиацией, конвекцией и испарением. В этих моделях тело человека представляется цилиндром [12], плоским слоем [13] или на бором других геометрических тел [5,6,8,9].

Аппроксимирующие человеческое тело фигуры рассматрива ются, как системы с распределенными или сосредоточенными пара метрами [2,5,6,7,8,9,12,13]. При аппроксимации тела одним цилин дром [12] можно говорить, только о приближенном воспроизведении теплового режима человека. Грубое приближение обеспечивается мо делями, в которых теплопроводность, теплопродукция и теплопотери тканей тела, принимаются постоянными по всей толщине цилиндра или слоя [2,12]. Большинство авторов не учитывают систему физиоло гической терморегуляции человека. Они рассматривают человека в комфортных условиях, когда механизмы терморегуляции бездейству ют. В работах [5,6,12] учитывается система терморегуляции. Кровоток в тканях, метаболическая теплопродукция и теплопотери испарением, рассматриваются как функции, средней температуры тела [9,10];

тем пературы мозга и средней температуры кожи [12];

температуры мозга, кожи и теплового потока с поверхности кожи [13].

Наиболее полной является модель, описанная в работе [10,12,13]. В более поздних работах на основе данных экспериментов уточнялись отдельные параметры системы «человек - окружающая среда». Наиболее точное согласование расчетных и эксперименталь ных результатов получено в модели [10], учитывающей кровоток и уточненные данные теплофизических и физиологических параметров тела.

Несмотря на обилие работ, посвященных теплообмену системы «человек – окружающая среда», исследованиям человека в теплоза щитной одежде при экстремальных температурах уделяется весьма мало внимания. Наиболее значительные работы в этой области по священы исследованию системы «человек – одежда – окружающая среда» [9,10] в воде. В этих работах созданы динамические модели теплообмена. В воде существенное влияние на тепловое состояние системы, оказывает теплоотдача в воду с поверхности водолазного костюма. Согласно данным [10] вода отнимает тепла в 11 раз больше, чем воздух той же температуры. Такой мощный отток тепла с поверх ности одежды определяет необходимость применения динамической математической модели теплообмена системы «человек - одежда - ок ружающая среда».

Для расчетов теплового состояния системы «человек – одежда – окружающая среда» в воздухе при температурах от –50 до 20°С дос таточно рассматривать статическую математическую модель. Приме рами могут служить результаты работ [2,12]. Однако, ошибки геомет рического представления модели, не дают качественные результаты, которые дают право выпускать необходимую теплозащитную продук цию для определённых температурных условий.

Динамическая модель необходима в том случае, когда сущест венно увеличиваются кондуктивные теплопотери, или человек в сис теме работает в большом диапазоне физической активности. Описан ные выше математические модели ставят задачу определения поведе ния системы «человек - одежда - окружающая среда» при различном сочетании параметров одежды и среды. Эти модели составляют класс имитационных моделей, т. е. таких, которые, имитируют поведение системы в различных условиях. Проанализировав расчеты толщины утеплителя, можно остановиться на оптимальном подходе.

Задача математического моделирования может быть решена и другим способом: параметры одежды, обеспечивающие комфортное состояние человека в системе «человек – одежда – окружающая сре да», определяются на первых этапах, согласно заранее заданных усло вий пребывания. Решение такой задачи в рамках описанных модель ных представлений с учетом метаболических реакций в органах чело века, реакций «гусиная кожа» и прочих, практически невозможно по техническим причинам. Поэтому данный подход требует существен ного упрощения модельных представлений (он был реализован в ра боте [10]).

Общим недостатком математических моделей «человек – оде жда – окружающая среда» является их слабая увязка с конкретными конструктивными решениями в создаваемой одежде. Это связано с весьма конструктивным представлением модели тела человека в виде цилиндров и шара, в то время как туловище человека по своей форме сечения приближается к эллипсу. В работе [13] представлена матема тическая модель системы «человек – одежда – среда», в которой туло вище человека описано эллиптическими цилиндрами, что повышает точность геометрического описания модели тела человека, однако существует ряд допущений в процессе описания процессов теплооб мена в системе, которые не являются оптимальными. Рассматривае мая математическая модель дает искомое сочетание параметров идеа лизированной одежды, например, толщину, режим, регуляции темпе ратуры в обогреваемой одежде и т.д. Однако она не учитывает кон кретных величин, которые учитывают свободу облегания человека одеждой, прибавку на дыхание, толщину пакета, конструктивно декоративные припуски.

В последствии проектировщику приходится методами конст руирования адаптировать готовые конструкции одежды к рассчитан ным оптимальным параметрам.

Математическая модель становится базой для реализации фор мальных методов получения основных параметров конструкции про ектируемой теплозащитной или теплоизолирующей одежды и исполь зования полученных результатов напрямую при непосредственном построении конструкции изделия без дополнительных промежуточ ных расчетов, основанных на трудоемких опытно-интуитивных под ходах. Такие формальные методы получения исходных данных для непосредственного конструирования чертежей изделий, являются фундаментом для построения блока систем автоматизированного про ектирования теплозащитной одежды.

Задачей построения любой новой методики САПР одежды должна быть необходимость создания точных формальных методов, с помощью которых можно легко перейти от оптимизационной матема тической модели к конечной форме лекал и другим геометрическим, физическим параметрам разрабатываемой спецодежды.

Все виды конструкторских работ в существующих САПР оде жды можно разделить на 3 типа[13,14,15]:

1. Работа с массивами данных по классификационному признаку (таблицы размеров типовых фигур).

2. Опытно-аналитическая работа по формированию конструктивных переменных для построения чертежа (составление массива конструктивных прибавок).

3. Инженерно - графическая работа (построение чертежей конструкции проектируемой модели и деталей изделия в условиях компьютерных систем программирования).

Учитывая то, что на сегодняшний день специальной САПР для проектирования теплозащитной одежды не существует, определенный блок работ по созданию новой конструкции изделия производится на основе проведения промежуточных опытно-аналитических расчетов, которые существенно снижают эффективность работы конструктора в системах автоматизированного проектирования и не обеспечивают максимальной точности полученных инженерных решений, так как вносится значительная доля погрешности из-за субъективности принимаемых решений.

В таблице 3.3 представлены основные процедуры, выполняе мые инженером-конструктором на этапе работы с исходной информа цией при проектировании новой модели.

В результате внедрения разрабатываемых математических мо делей целью должно быть изменение соотношения представленных видов инженерных работ в сторону увеличения автоматизированных операций.

Анализ данных показал, что часть проектных работ, основан ных большей частью на субъективной опыте конструктора, незначи тельно поддается автоматизации. Это особенно проявляется в процес се определения конструктивно-декоративной прибавки.

Расчет минимально-необходимой конструктивной прибавки складывается из нескольких частей и носит комплексный характер, где присутствует доля, как опытных работ, так и расчетно аналитических.

Рассматривая детально каждую составляющую минимально необходимой прибавки, следует выделить следующее:

1. Прибавка на свободу дыхания (для теплозащитной одежды может быть рассмотрена как внутренняя часть прибавки на динамику (с учетом использования современных материалов, так как теплоза щитные материалы последних лет характеризуются высокой степенью сжимаемости и деформационных свойств));

2. Прибавка на динамику конструкции (для специальной одеж ды исходит из максимальных изменений размеров тела человека на данном участке, справочные данные) [12,13];

3. Прибавка на воздушную прослойку ( Т i с учетом удвоенно го интервала безразличия для специальной одежды, справочные дан ные);

4. Прибавка на толщину пакета, который учитывает толщину пакета и составляет 2, где толщина пакета.

Т а б л и ц а 3. Анализ инженерных операций при работе с исходной информаци ей для разработки новой конструкции изделия Соотношение автоматических и опытно Наименование Содержание Анализ аналитических операции операции операции (субъективно ориентирован ных) работ, % Работа с массивами Поиск и определе- Выполняется 100: размерных ние требуемого мас- автоматически признаков сива размерных при знаков типовой фигуры Работа с массивами Расчет конструк- Выполняется конструктивных тивных прибавок расчетно прибавок по формуле аналитическим способом на базе:

П i = П мин + П д.к.i, таблиц систе П мин обеспечивает - 20: матизирован свободу дыхания, ных рекомен движения, мини даций 0: мальное давление субъективного на тело, толщину опыта конст пакета материалов, руктора наличие воздуш ной прослойки для кожного дыхания Выполняется ана П д.к.i конструк литическим спо тивно декоративная при- собом на базе:

- таблиц систе- 0: бавка на каждом матизирован участке конструк ных рекомен ции. Зависит от си даций 0: луэта, формы, объ субъективного ема изделия, от ре- опыта конст комендаций мод руктора ных направлений, от правильного со четания комплекса перечисленных факторов Итого (среднее значение) 40: В работе [12] целью проводимых исследований являлось соз дание блока САПР, который позволил бы определять припуск на тол щину пакета, в зависимости от заданных условий эксплуатации изде лия. При этом мы сузили зону субъективного принятия решения о ве личине прибавки на свободное облегание на участке конструкции до уровня определения конструктивно-декоративной прибавки, что при вело к повышению доли автоматизированных операций при проекти ровании новой модели теплозащитной одежды на 26,6% 3.3 Геометрическая модель человека в математических моде лях «Ч-О-ОС»

Анализ существующих математических моделей теплового со стояния человека в условиях влияния факторов окружающей среды по зволяет предположительно определить форму элементов человеческого тела, которое можно разделить на следующие участки: голова – шар;

ру ки, ноги – цилиндры;

туловище – набор эллиптических цилиндров.

Таким образом, человека можно представить в виде совокуп ности геометрических фигур, изображенных на рис. 3.4.

Рис. 3.4.Геометрическое формирование элементов тела человека Систематизация приведенного материала представлена в таб лице. 3.4.

Т а б л и ц а 3. Модельные представления человека Жаворонков А.И, Бринк И.Ю, Столвийк Матюшев Кудрявцев Модель Д.А. Т.В. В.И.

Расторгуева Н.П, Ермакова О.А.

Голова шар шар цилиндр шар набор эллиптиче Туловище цилиндр цилиндр цилиндр ских ци линдров Ноги цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр Кисти, стопы цилиндр цилиндр цилиндр цилиндр Пальцы рук, цилиндр цилиндр - ног В результате получено новое модельное описание человека, ко торое отличается от разработанных ранее представлений геометриче ским изображением туловища. Исследование процессов теплообмена тела человека при таком подходе позволит более рационально распре делить утеплитель на поверхности модели.

Аналогичным образом строится геометрическая модель женско го тела. Естественно, каноническое представление не подходит для построения моделей людей с нестандартной комплекцией, как для мужчин, так и для женщин. Измененные параметры секторов туловища и гибкая система аппроксимации позволит реализовать эту возмож ность с применением подобных уточнённых моделей. Применение ка нонических модельных представлений может быть реализовано лишь для конечностей, которые имеют незначительные отличия.

Новое представление туловища человека в виде набора эллип тических цилиндров актуально и обосновано задачей несимметрично сти тепловых потоков с туловища человека [14].

Аналогично цилиндра с эллиптическими образующими его аналог может быть представлен в виде цилиндра, в сечение которого расположен овал, с параметрами идентичными эллипсу. Такой подход поможет избежать сложных вычислений и упростит последующую задачу обсчета тепловых потоков модели [16]. При создании овала используем метод осей и перпендикуляров, который позволяет преоб разовать эллиптический цилиндр в цилиндр, основой которого являет ся овал с аналогичными эллипсу параметрами, представленный на рис. 3.5.

Круг Овал, эквивалентный эллипсу Образующие Вспомогательные линии при построении Рис. 3.5. Пропорциональные размеры овала представляющие сечение цилиндра туловища модели В результате проделанных вычислений необходимо получить овал, состоящий из восьми секторов по четыре сектора окружностей малого и большого радиусов.

На рис. 3.6 представлено схематичное изображение овала и все обозначения, принятые для расчетов.

При построении овала учитываем равенство следующих пара метров:

ЕС=СК;

АР=РК. (3.10) Образующая эл E липс Окружность ори C T гинального ци K P линдра F 2 O A M O O Рис. 3.6. Обозначения, принятые при построении овала Также необходимо заметить, что РО2 является серединным перпендикуляром к АК, а точки О1 и О2 получены в местах пересече ния перпендикуляра с осями координат.

Полученный овал состоит из набора дуг, полученных вращени ем: АО1 на угол 1 и ТО2 на угол 2. Нетрудно доказать, что треуголь ники АОС, АРМ, РМО1, РСF, РFО2, О1ОО2 подобные согласно прави лу подобия прямоугольных треугольников. Отметим, что РМ является перпендикуляром к АО1.

Далее найдем длину дуги, образующую овал (см. рис. 3.6).

L = 4 1 O1 A + 4 2 TO21. (3.11) Найдём ТО21 и АО1, для этого определим углы 1 и 2.

e 2 := a cos ;

(3.12) 1+ e 1 := 90 2. (3.13) Далее находим PC, PF, AM.

1 e + 1 + e РС := a ;

(3.14) РF := PC sin 2 ;

(3.15) AM := a PF. (3.16) Для того чтобы найти АО1, необходимо найти РМ, МО1.

AM РM := ;

(3.17) tan g PM MO1 :=. (3.18) tan g Из полученных уравнений находим АО AO1 := AM + MO1. (3.19) Далее найдём величину ТО (a AO ) TO21 := AO1 +. (3.20) cos Площадь боковой поверхности полученной фигуры можно найти следующим образом:

S бок := L h. (3.21) Для нахождения объёма полученной фигуры необходимо найти площадь секторов, образованных вращением радиусов, за исключением большого сектора (сектор 2, см. рис. 3.7), площадь которого превосходит искомую величину.

Для малого сектора справедливо следующее:

S повм := 2 AO1.

(3.22) Сектор Сектор Рис. 3.7. Цилиндр, в основе которого лежит овал, построенный методом перпендикуляров Для большого сектора находим:

TO21 S тр ;

OO2 := (a AO1 ) tan g 2 ;

S повб := 1 OO1 := a AO1 ;

S тр := 0.5 ОО1 ОО2, где S тр – площадь треугольника, не входящая в цилиндр.

Тогда формулу объёма цилиндра можно записать в виде:

V := 4 (S повм + S повб ) h. (3.23) Согласно полученным данным можно создать анатомически правильный аналог геометрической модели тела человека.

3.4 Математическая модель системы «Ч-О-ОС» в условиях хо лода Так как цель практических работ [5,6,8,9,10,12,13] была в соз дании метода для применения результатов математического модели рования в процессе проектирования теплозащитной одежды для защи ты от холода, то все последующие приводимые расчеты и алгоритмы направлены на практическое применение результатов и рассматри ваемой работы.

Каждая часть используемой геометрической модели, пред ставленная цилиндром или эллиптическим цилиндром, является прототипом части системы. При этом внутренне пространство каж дого элемента есть однородная среда, физические характеристики которой определены в соответствии с установившимся процессом теплопередачи. Учтем также то, что температура составляющих систему в определённых условиях (постоянного внешнего воздей ствия) будет изменяться незначительно [12].

Математическое описание процесса формирования теплово го потока значительно упростится, если, исходя из анатомической структуры тела человека и слоистой природы одежды, представим модель в виде нескольких слоёв, отвечающих определённым тканям тела и материалам одежды (рис. 3.8).

Утеплитель Часть тела Бельё Рис. 3.8. Распределение слоёв утеплителя в модели Согласно геометрическому представлению в рис. 3.8 для но вой геометрической модели туловища человека можно выделить сектора цилиндрических участков, из которых состоит вся модель туловища независимо от выбранной части туловища. При этом предположим, что каждый слой обладает постоянными теплофизи ческими свойствами. В одежде количество слоёв примем равным одному, при этом объединив число разнородных материалов в паке те для упрощения расчетов. Таким образом, зная теплофизические свойства материалов входящих в пакет, можно будет в последствии сформировать пакет с идентичными теплозащитными свойствами.

Поставленная задача заключается в построении математических моделей простейших элементов и выявления взаимодействий меж ду ними.

Для цилиндрических участков модели, равномерно покры тых теплоизолирующим пакетом, можно считать тепловые поля осесимметричными. Это позволит описать каждый из этих участ ков, используя выражение для определения количества тепла с по верхности [16,17,18]:

S i (t i t В ) qi = ;

(3.24) 1 + ln( i + 1) ri (r + ) ri i i P где i = 1,4 и соответствует порядковому номеру части тела;

Si – площадь поверхности i–го участка модели, м2;

ri – радиус i-го участка модели, м;

- коэффициент теплопередачи от поверхности тепло изолирующего слоя в окружающую среду, Вт/(м2 С);

ti – температура поверхности соответствующих участ ков тела человека, С;

tв – температура воздуха, С;

i - толщина пакета, м;

p - средняя теплопроводность пакета, Вт/(мС).

Тепловой поток с модели головы нельзя считать симметрич ным [12,19], так как она не полностью закрывается одеждой. Отсут ствие симметрии теплового потока существенно затрудняет мате матическое моделирование. В решаемой задаче идеализации головы в виде шара в большей степени условна, чем представление других частей тела в виде цилиндров. Это связано с тем, что она полностью закрывается теплоизолирующим пакетом. Следует заметить, что лицо открыто, а это нарушает симметрию теплового потока с ее по верхности.

Необходимо оценить возможную погрешность, обусловлен ную несимметрией теплового потока. Доля площади поверхности головы во всей модели составляет 7 %. Величина теплового потока с поверхности головы при ходьбе в комфортных условиях по дан ным, приводимым в [12], -18,1 % от всех теплопотерь с поверхности тела человека, что составляет 23,51 Вт. Если считать, что открытая часть модели головы составляет 20 % от ее общей площади или 0,0245 м2, то можно определить величину теплопотерь с этой по верхности в окружающую среду. Если принять коэффициент тепло передачи с открытой головы равным 10 Вт/(м2 С) при температуре воздуха tв =-10С, температуру головы tr =26 С, то плотность теп лового потока с поверхности головы составит q = (t r t В ) = 360 Вт/м2.

Эта величина хорошо согласуется с экспериментальным ре зультатом, приведенным в [12]: q=346 Вт/м2.

При температуре -50С плотность теплового потока с по верхности головы составит по той же формуле 760 Вт/м2. Если тем пература головы меньше 26С, величина плотности потока соответ ственно уменьшится.

Поток тепла с поверхности головы определяется как:

Q = qS = 93,25 Вт.

(3.25) Если считать, что открыта при температуре -50 С одна деся тая часть поверхности головы, то поток с этой части составит всего лишь 9,3 Вт. Исходя из величины теплового потока с поверхности головы в комфортных условиях 23,5 Вт [2,12], можно определить поток 1/10 части головы, который составит 2,35 Вт. Если исходить при расчете теплозащиты из того, что одежда будет, по возможно сти, сохранять величину потока, характерную для комфортного со стояния, то отличие составит 6,95 Вт. Эта величина составляет 5, % от величины конвективно-радиационных теплопотерь, получен ных в подразделе 3.1. Если считать, что голова полностью закрыта теплозащитным пакетом, погрешность составит 5,3 %. С этой по грешностью возможно рассматривать систему «модель головы – пакет – окружающая среда» с центральной симметрией. Тепловой потока в такой системе описывается выражением [12]:

(ti t В ) qi =. (3.26) 1 1 1 r r + + (r + ) 2 Р i i i i i Количество утеплителя на голове человека предлагается на ходить из (3.26) и учитывать его после всех расчетов и оптимиза ции, так как тепловое состояние головы человека является одним из самых критических, и впоследствии может сказаться рядом заболе ваний, трудно поддающихся лечению. Рассчитанное количество утеплителя подтверждено практикой и работами Бринка И.Ю.

[11,12,13].

На основании формулы (3.24) суммарное количество тепла с поверхности одного из эллиптических цилиндров можно описать выражениями:

2al1hi (ti1 t vn ) 2al2 hi (ti1 t vn ) qi1 = + ;

1 xi1 1 xi 1 + ln( + 1) + ln( + 1) (ri1 + xi1 ) ri1 (ri 2 + xi1 ) ri (3.27) 2al1hi (ti 2 t vn ) 2al2 hi (ti 2 t vn ) q i 2 = +, 1 xi 2 1 xi 1 + ln( + 1) + ln( + 1) (ri1 + xi 2 ) (ri 2 + xi 2 ) ri ri где первое выражение описывает поток тепла спереди туловища, а второе соответственно сзади;

al1,al2 – длины дуг, описывающих эллиптический сектор спереди и сзади;

ri1, ri 2 – эквивалентные радиусы дуг, составляющих эллип тический цилиндр, м;

xi1,xi2 – толщины пакета утеплителя (утепляющего материа ла), м.

Таким образом, процесс теплообмена человека с окружающей средой можно разбить на ряд видов: между конечностями и окру жающей средой;

между головой и окружающей средой;

между туло вищем человека и окружающей средой.

Первые два вида достаточно подробно рассмотрены в работах [12,13], где используется классический в данном вопросе подход к геометрическому представлению элементов тела человека.

В нашем случае уравнение полного количества тепла с тела человека будет иметь вид:

(ti t В ) 4 Qmax = (qi1 + qi 2 ) +, (3.28) 1 1 1 i =2 i = + 2 Р ri ri + i (ri + i ) где Q max– величина теплового потока с поверхности модели, Вт.

Решение задачи сводится к нахождению такого сочетания толщины пакета на отдельных участках модели, которая реализует минимум потока тепла с ее поверхности при ограничении на объем массы пакета. В классическом подходе такое уравнение нормиров ки по массе утеплителя учитывает толщину утеплителя не только на голове испытуемого, но и постоянную толщину для всего туло вища. Выражение под знаком суммы описывает объем цилиндри ческого слоя изоляции толщиной i окружающей цилиндрическую поверхность радиусом ri и площадью Si. Поскольку заданным явля ется ограничение по массе для комплекта снаряжения, то будем ис пользовать подобный вариант нормировки.

Следующее выражение удобно для упрощения расчетов:

( i2 + 2rI I ) 2rI 7 S = V, где V – объем теплоизолирующего i =2 I слоя, м3.

Математическая модель должна учитывать геометрические параметры тела и топографию температуры кожи, поэтому распре деление толщин по элементам модели будем считать пропорцио нальным площади данного элемента:

4 2 + 2ri1 xij ) al1hi + ( xij + 2ri 2 xij ) al2 hi ) + ( xi + 2ri xi )h = V.

(( x (3.29) 2 2 ij i = 2 j =1 i = Здесь и далее xij, ij обозначают искомые толщины слоёв уте плителя, применяемого в модели. При заданных температурах уча стков тела вышеописанные соотношения и представляют математи ческую модель теплообмена системы «Ч-О-С». Количество тепла с тела человека можно описать следующими уравнениями:

2al 2 h2 (t 21 t vn ) 2al 2 h2 (t 21 t vn ) q 21 = + ;

x 21 x 1 1 1 + ln( + 1) + ln( + 1) (r21 + x 21 ) r21 (r22 + x 21 ) r 2al2 h2 (t 22 t vn ) 2al2 h2 (t 22 t vn ) q22 = + ;

1 x22 1 x 1 + ln( + 1) + ln( + 1) (r21 + x22 ) r21 (r22 + x22 ) r 2al 2 h3 (t 31 t vn ) 2al 2 h3 (t 31 t vn ) q31 = + ;

x x 1 1 1 + ln( 31 + 1) + ln( 31 + 1) (r31 + x31 ) r31 (r32 + x31 ) r 2al2 h3 (t 32 t vn ) 2al2 h3 (t32 t vn ) q32 = + ;

1 x32 1 x 1 + ln( + 1) + ln( + 1) (r31 + x32 ) r31 (r32 + x32 ) r 2al 2 h4 (t 41 t vn ) 2al 2 h4 (t 41 t vn ) q 41 = + ;

x x 1 1 1 + ln( 41 + 1) + ln( 41 + 1) (r41 + x 41 ) r41 (r42 + x 41 ) r 2al2 h4 (t 42 t vn ) 2al2 h4 (t 42 t vn ) q42 = + ;

1 x42 1 x 1 + ln( + 1) + ln( + 1) (r41 + x42 ) r41 (r42 + x42 ) r (t 5 t В ) q5 = ;

1 1 1 r r + + (r + ) 2 Р 5 5 5 (t 6 t В ) q6 = ;

1 1 1 r r + + (r + ) 2 Р 6 i 6 6 (t7 t В ) q7 = ;

1 1 1 + 2 Р r7 r7 + 7 (r7 + 7 ) 4 2 (( xij + 2ri1 xij ) al1hi + ( xij + 2ri 2 xij ) al2 hi ) + ( xi + 2ri xi )h = V.

2 2 i = 2 j =1 i = Полученные уравнения позволяют определить необходимое количество утеплителя (изолятора) для эффективной защиты людей в условиях агрессивного воздействия температур.

Определение минимума потока Qmax (3.28) с ограничением (3.29) возможно методом множителей Лагранжа [17] для нахожде ния точек условного экстремума функции.

Зная объём утеплителя, а также количество утеплителя не обходимого на каждом участке модели, с учетом последней систе мы уравнений требуется найти такое распределение утеплителя по поверхности модели, чтобы суммарное его количество было равно заданному, а поток тепла с каждого элемента системы был минима лен. В нашей оптимизационной математической модели критерием распределения утеплителя является уравнение (3.28). Ограничением является уравнение (3.29), где толщины, полученные в результате расчетов, должны быть больше нуля.

Используя метод неопределённых множителей Лагранжа [17], получим выражение функции Лагранжа (30).

4 L = Qmax + k (V (( xij + 2ri 2 xij ) al1hi + ( xij + 2rij xij ) al 2 hi ) 2 i = 2 j = ( xi + 2ri xi )h ).

(3.30) i = Составляем систему уравнений:

L L L L L L =0;

=0;

=0;

=0;

=0;

=0;

q 21 q 22 q 31 q 32 q 41 q L L L =0;

=0;

=0;

(3.31) q 5 q 6 q 4 2 + 2ri1 xij ) al1hi + ( xij + 2ri 2 xij ) al2 hi ) + ( xi + 2ri xi )h = V.

(( x 2 2 ij i = 2 j =1 i = Задача отыскания экстремума сводится к решению системы нели нейных уравнений относительно неизвестных ij, i= 2,7, j=1,2 и k множителя Лагранжа.

F(x)=0. (3.32) Для решения системы нелинейных уравнений было решено применить метод Ньютона, так как из практики и из предыдущих исследований [16,17] известны достаточно хорошие начальные приближения к решению системы уравнений при любых внешних температурных воздействиях. Таким образом, в окрестности имею щегося приближения на i-м шаге, заменяем задачу на некоторую вспомогательную линейную. При этом нужно учесть, чтобы по грешность замены имела более высокий порядок малости, чем пер вая, в окрестности имеющегося приближения. За следующее при ближение выбираем решение этой вспомогательной задачи. Таким образом, на каждом последующем шаге определяем:

f ( xn ) x n+1 = x n.

f ' ( xn ) Критерием остановки при решении данной задачи, будет яв ляться соотношение следующего значения вектора решения с новы ми значениями функции и относительной, абсолютной погрешностя ми:

corfaci reltol xi new + abstol, где reltol – значение относительной погрешности, abstol – значение абсолютной погрешности, corfaci – значение отношения старого значения функции к его производной, xinew – новое решение.

Математическая оптимизационная модель с использованием ЭВМ, позволяет получить основные параметры, характеризующие стационарный теплообмен системы «человек – одежда – окружаю щая среда», а также толщину теплоизолирующего пакета.

Данная математическая модель была проверена при помощи имитационного моделирования туловища человека, которое имеет сложную многослойную структуру и центры выделения тепла в ви де теплотворных органов и центральных слоёв – «ядра».

Учитывая то, что поперечное сечение модели туловища чело века представлено в виде последовательности слоев на плоскости («ядро», «мышцы», «жир», «кожа»), где в рамках слоя «ядро» подра зумевается наличие внутренних органов, будем полагать, что в раз личных местах, в зависимости от расположения конкретных органов туловища, температурные показатели системы различны (рис. 3.9) Части те ла Области теплового воздейст вия внут 16% 22% ренних органов 16% 30% 48% h 11% 30% 27% Рис. 3.9. Структура модели туловища человека с внутренним расположением теплотворных органов Согласно [19,20,21,22] реальное расположение органов в ту ловище по высоте h можно выразить соотношением:

(0.27+0.11+0.3+0.16+0.16)h=h, (3.33) где h – высота всего туловища человека в представленной модели;

% – высота нижнего сектора;

11 % – высота сектора представляющего почки (часть печени тоже входит в этот цилиндр по всей высоте);

% – высота сектора, в котором расположена печень;

16 % – высота сектора, в котором непосредственно присутствует сердце;

16 % – вы сота верхнего сектора грудной клетки.

Исследовав образовавшуюся структуру внутреннего строения туловища с точки зрения его теплового состояния, были получены не сколько горизонтальных срезов на модели второго уровня, которые с помощью дискретной модели теплообмена системы методом Бубнова Галеркина с использованием конечно-элементного базиса метода ко нечных элементов были проверены с целью исследования распреде ления тепла внутри и на поверхности тела человека.

Математическая модель реализована на языке внутреннего представления алгоритмов «Maple» для машин с процессором «Pentium 3» или аналогичным. Программа портирована на язык высо кого уровня «С++» и выполнена в виде отдельно запускающегося файла с набором библиотек. Программе присвоено название «Расчет теплового поля тела человека на плоскости».

Мышцы позвоноч ного столба Сердце Печень Почки Печень Рис. 3.10. Модель туловища человека из пяти сегментов Для проверки результатов расчетов, полученных на математи ческой модели первого уровня, были проведены расчеты температур ного поля туловища человека на модели второго уровня.

Исходными параметрами для расчетов были взяты:

- геометрические параметры модели и координаты размеще ния внутренних теплотворных органов;

- количество тепла, вырабатываемое внутренними слоями ту ловища и органами, а также тепловые параметры всех слоёв, состав ляющих туловище;

- параметры используемого утеплителя и его толщина (со гласно методике главы 2 для температуры воздуха -10°С);

- температура окружающей среды -10°С.

Последовательно были рассчитаны пять сечений на каждом из пяти участков модели туловища (рис. 3.10).

Согласно с данными из главы 2 высота всего туловища принята 0.677 м. Уровни срезов с размещенными органами будут: сердце (0. м, отсчет с нижней части модели, рис. 3.10);

печень (0.45 м, рис. 3.10);

почки и печень одновременно (0.24 м, рис. 3.10). Оставшиеся срезы проходят на уровнях: плечи (0.65 м);

низ бедра (0.1 м).

Для проверки результатов математического моделирования были проведены натурные эксперименты.

Т а б л и ц а 3. Сравнение результатов математического моделирования на уров не расположения сердца и экспериментально полученных данных № Математический Эксперимен- Размах Погреш точки расчет, тальный расчет, варьирования ность, °С °С измерения % 1 32,5 32,73 0,23 0, 4 32,1 32,35 0,25 0, 6 31,5 29,59 1,91 6, 7 32,5 32,17 0,33 1, 9 31,5 31,73 0,23 0, 11 30,8 30,43 0,37 1, 13 31,2 31,05 0,15 0, 15 31,8 31,8 0 Среднее 31,73 31,48 0,43 1, Дисперсия 0, Отклонение расчетного значения от экспериментального в точ ке №3 (см. табл. 3.5) связано с неплотным прилеганием датчика изме рения к поверхности кожи. Остальные отклонения вызваны погреш ностью измерений и допущениями при создании математической и геометрической модели туловища человека. Разработанное оборудо вание и программное обеспечение позволяют зафиксировать темпера туру на поверхности тела человека, при помощи датчиков температур, размещенных при помощи 5-ти точечного метода [2].

Результаты измерений в условиях термокамеры при -10 °С, а также соответствующие температуры, заданные в качестве базовых в оптимизационной модели и полученные в результате моделирования на имитационной модели представлены на рис. 3.11.

33, 33, 32, - Экспериментально полученное распреде ление температур по периметру туловища.

32, Температура, 0С - Расчетное распределение температур по периметру сечения имитационной модели.

31, - Среднее расчетное значение температуры по периметру имитационной модели спереди.

31,0 - Среднее расчетное значение температуры по периметру имитационной модели сзади.

- Комфортное значение температуры приня 30, тое в оптимизационной модели спереди.

- Комфортное значение температуры приня 30, тое в оптимизационной модели сзади.

29, 29, 0 2 4 6 8 10 12 14 Точки измерений Рис. 3.11. Соотношение результатов оптимизационного моделирова ния, имитационного и экспериментальных значений Оценив данные, полученные для других секторов, можно сде лать следующие выводы. Имитационная модель подтвердила резуль таты математического моделирования, полученные на оптимизацион ной модели. Следовательно, оптимизационная модель может быть применена для расчета параметров одежды в среднем диапазоне тем ператур.

3.5 Применение результатов математического моделирования в САПР теплозащитной одежды Учитывая полученные результаты аналитических исследова ний, выполненных Бринк И.Ю. [12], для дальнейших разработок была выбрана методика конструирования ЕМКО СЭВ. В основе расчета и формирования конструктивных переменных лежит информации о наиболее влияющих элементах на прибавку на свободное облегание ( П i ) для всех участков модели.

Для бытовой одежды минимально необходимый припуск к полу обхвату груди можно найти, исходя из изменения этого размерного при знака при глубоком вдохе:

П мин = 0,5d 16 + 0,5Т 16 + П т. м 2. + П в.п., (3.33) где d16 - динамический эффект обхвата груди третьего слоя при ды хании;

T16 -интервал безразличия по этому размерному признаку;

П т.м2. - припуск на толщину пакета материалов второго слоя;

П в.п. - припуск на толщину воздушной прослойки.

При проектировании специальной теплозащитной одежды, па кет материалов составлен из комплекта материалов: верха, подкладки, утепляющей прокладки в сочетании с воздушными прослойками внутри пакета, что позволяет рассматривать П в.п. как составляющую П т.п. (общего теплозащитного пакета).

Габаритные размеры конструкции, которая будет обеспечивать соразмерность и теплозащиту при максимальных динамических эф фектах, с учетом удвоенного интервала безразличия могут быть рас считаны на основе минимально необходимой прибавки по формуле (33), которая может быть преобразована и рассчитана следующим об разом:

П мин = d i + Т i + П т.м., (3.34) где d i - динамический эффект для участка конструкции;

Т i - интервал безразличия по этому размерному признаку;

П т.м. - припуск на толщину пакета утеплителя.

Для получения данных о величинах межразмерных интервалов на участках, определенных математическим моделированием систе мы, были выделены следующие размерные признаки обхватов: груди, бедер, плеча, бедра, икры. Значения Т i, были определены по данным из источника [13]. Таким образом, перечисленные размерные призна ки позволяют построить не только куртки из стандартных комплектов специальной теплозащитной одежды, но и брюки, комбинезоны.

Среди принятых к проектированию динамических эффектов для комплексных расчетов на базе математической модели теплооб мена в рассмотренных литературных источниках [2,11,12,13], не вы делены динамические эффекты таких размерных признаков, как об хват бедра и икры, которые необходимы для проектирования брюк.

Используя данные таблиц [13,14,19,20,23,24], а также система тизированные данные по результатам аналитических и эксперимен тальных исследований можно создать методику расчета динамической прибавки на свободное облегание (см. табл. 3.6.).

Таким образом, из данных таблицы 3.6 искомой является вели чина прибавки на толщину пакета материалов, которая должна быть рассчитана в рамках специализированного блока САПР теплозащит ной одежды на основе разработанной математической модели систе мы «человек - одежда - окружающая среда». Получив эти данные, конструктор может непосредственно приступать к определению деко ративных прибавок, не затрачивая время на расчет необходимого зна чения прибавок для необходимого условия эксплуатации теплозащит ного изделия.

Т а б л и ц а 3. Расчет динамической прибавки на свободное облегание Наименование Ti П т.м.i Пмин di размерного i см признака Обхват груди 2 3,8 8,0 22 11,8+ Обхват бедер 4 2,0 8,0 24 10,0+ Обхват плеча 5 2,7 3,0 25 5,7+ Обхват бедра 6 1,5 4,0 26 5,5+ Обхват голени 7 3,3 1,8 5,1+ Для решения поставленной задачи на основе использования математических положений, представленных выше, был разработан алгоритм автоматизации процесса расчета прибавки на толщину паке та материалов и, соответственно, полной конструктивной прибавки на свободное облегание к участку конструкции. Все языковые конструк ции были портированы в среду визуальной разработки «Borland С Builder 5.0». Общий алгоритм работы представлен на рис. 3.12.

А Автоматический расчет толщины Начало материала Чтение и инициализация Математическое моделирование и расчет данных параметров прибавок для конструкции В В Вывод полученных Установка и настройка температур модели данных (на частях тела человека и окр. среды) Смена Определение теплового состояния установок Изменены установки человека или выход Установка параметров материала Выход и окружающей среды Конец А Рис. 3.12. Главный алгоритм программного обеспечения расчета параметров слоев теплоизоляции человека Реализация математической модели 2-го уровня позволяет с учетом асимметричной топографии теплопродукции человека рассчи тать конструктивные данные, необходимые для проектирования теп лозащитного костюма. С этой целью было разработано программное обеспечение по реализации данной модели, рабочий интерфейс кото рой представлен на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Рабочий интерфейс программы расчета параметров слоев теплоизоляции человека Для реализации программного обеспечения был использован математический аппарат символьного решения задач – «Maple 7.0».

Исходными данными для программного блока проектирования являются: геометрические параметры туловища человека, материал, из которого будет создано изделие, климатические условия окружаю щей среды (скорость ветра, температура окружающей среды), в кото рой предполагается эксплуатация новой модели теплозащитной одеж ды, вид выполняемых работ, учитывающий соответственные энерго затраты человека, что является непосредственным показателем для расчета параметров теплоизоляционных слоев. Выходными данными рабочего блока данной программы является перечень значений конст руктивных прибавок, используемым в дальнейшем для автоматизиро ванного проектирования одежды.


Т а б л и ц а 3. Корреляционная связь конструктивных переменных участков конструкции одежды Обозначение Корреляционная переменной связь к конструк- конструктивных Участок конструкции тивному переменных участку 1 2 Х1=Х3 Расстояние от шейной точки до низа изделия X Расстояние от шейной точки до линии лопа ток Х2 Х2=Х3=Х по вертикали Расстояние от шейной точки до линии обхва Х3 Х3=Х та груди Х4 Х4=Х3=Х1 Расстояние от шейной точки до линии талии Ширина спинки (от средней линии спинки до вертикали, ограничивающей ширину проймы, Х6 Дт*0.274*Х по горизонтали), (Дт=0.118- динамическая прибавка по тулов.) Х7 Дт*0.446*Х3 Ширина проймы Ширина переда (от средней линии переда до вертикали, ограничивающей пройму справа, Х8 Дт*0.28*Х по горизонтали) Расстояние от линии талии до линии низа по Х12 0.39*Х переду Расстояние от плечевой точки по пройме спинки до линии глубины проймы по верти Х13 0.67*Х кали Х14 высота горловины спинки 0.69*Х величина углубления проймы по вертикали, Х15 0.43*(Х8+Х6+Х7) прибавка на свободу проймы Х27 ширина горловины спинки 0.196*Х расстояние от средней линии спинки до по ложения основания шеи сбоку на линии гру Х32 0.5*Х ди Расстояние от средней линии переда до по Х45 0.5*Х ложения центра груди на линии талии Х47 Расстояние от линии талии до центра груди 0.154*Х Расстояние от средней линии переда до по Х49 =Х ложения центра груди на линии груди Расстояние от центра груди до вершины Х52 =Х горловины переда Х54 Глубина горловины переда 0.58*Х Х_1 Дп*2*3.14 пл Обхват плеча Х_2 Дб*2*3.14 пл Обхват бедра Х_3 Ди*2*3.14 пл Обхват икры В результате математического моделирования системы появля ется возможность получить значения габаритных прибавок, которые являются базовыми для получения ряда производных конструктивных переменных, определяющих габариты и контуры деталей конструкции [23,24,25]. Для получения коэффициентов корреляции в чертеже кон струкции между базовыми и требуемыми производными величинами прибавок были проведены дополнительные исследования. С этой це лью изучены пропорции конструктивных участков чертежей изделий рассматриваемого ассортимента, ранее проверенные на предмет ста тического и общего динамического соответствия типовой фигуре, со ответствующей проектируемому размеру. На первом этапе подлежали обмеру 10 конструкций одежды, в результате чего была выявлена ошибка измерений, m x, превышающая установленную величину до пускаем погрешности инженерных замеров, = 0,5 мм. На основе это го был рассчитан объем достоверной выборки, которую составили описанные выше типы конструкций мужских курток, равный 28 из мерениям.

В результате измерений основных участков построения (опре деляемых методикой ЕМКО СЭВ) были определены коэффициенты корреляции конструктивных переменных по данным участкам, пред ставленные в таблице 3.7. Соотношение прибавок к конструктивным участкам, характерным для чертежей верхней одежды, с принятыми конструктивными переменными для дальнейших расчетов, представ лено в таблице 3.7.

Рис. 3.14. Диалоговое окно программы с готовыми результатами математического моделирования На рис. 3.14 представлен интерфейс рабочего блока получения выходных результатов расчета конструктивных исходных данных на основе математического моделирования системы «человек - одежда окружающая среда».

Вместе с установкой температурных значений в математиче скую модель вводятся значения, позволяющие определить тепловое состояние человека и параметры утеплителя, используемого в проек тируемой конструкции (рис. 3.15). Перечислены основные параметры модели при расчете температурного поля. Пользователем указывают ся параметры и характеристики окружающей среды, теплофизические свойства материала, который планируется применить для данных ус ловий, а также вид деятельности человека, его тепловые потери и до полнительные параметры, такие как вес, средняя температура кожи (автоматически) и другие.

Рис. 3.15. Диалоговое окно программы для установки тепловых параметров модели и характеристик утепляющего материала При расчете используются не только вид работы человека, но и его вес, скорость ветра и часы пребывания в рассматриваемых усло виях.

В результате моделирования конструктор получает значения прибавок, необходимых для построения новой модели. Данные значе ния могут быть использованы в любой методике проектирования оде жды, а значит и в любом программном комплексе САПР одежды.

Используя полученные конструктивные переменные как ис ходную информацию для САПР теплозащитной одежды, разработана защитная куртка, предназначенная в зависимости от установленных параметров конструкции для эксплуатации при следующих значениях температуры:

-50°С, -20°С и 0°С. Величина Х12 может быть изменена в зависимости от желаемой длины модели. Эскиз специальной куртки представлен на рис. 3.16, а эскиз проектируемой модели полукомби незона на рис. 3.17.

При разработке конструкций изделий была использована САПР одежды «Novo-cut» немецкого производителя. Все номера оп ределены согласно с САПР «Novo-cut», однако привязка параметров к ЕМКО СЭВ позволяет применить полученные значения и в других САПР, использующих подобные методы проектирования изделия.

Рис. 3.16. Эскиз теплозащитной куртки Рис. 3.17. Эскиз теплозащитного полукомбинезона Рис. 3.18. Базовая основа конструкции куртки специальной теплозащитной размера 176-100- Для представленной модели куртки были разработаны конст рукции изделий с использованием алгоритмов автоматизированного построения [26,27,28,29,30,32]. Основа конструкции была разработана с применением методики ЕМКО СЭВ и представлена на рис. 3.18.

На базе средств САПР «Novo-cut» был разработан чертеж кон струкции проектируемой модели, представленный на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Чертеж модельной конструкции проектируемой теплозащитной куртки (для температуры окружающей среды -50 0С).

Разработанное изделие, предназначенное для определенных условий эксплуатации, должно обладать защитными характеристика ми, обеспечивающими комфортное состояние человека в зоне крити ческих температур. Для оценки гигиенического соответствия полу ченных проектных решений и для проверки адекватности разработан ной математической модели требуется определить способ проверки защитных свойств изделий.

С целью решения поставленной задачи был разработан специ альный измерительно-расчетный комплекс «ИРК-5» для исследования специальной одежды на предмет тепловой защиты человека от воздей ствия температурных факторов окружающей среды [2,34,36,37], кото рый позволяет проводить испытания образцов изделий рассматриваемо го назначения. Для натурных испытаний была рассмотрена методика расчетов температурных характеристик человека, основанная на меньшем количестве фиксируемых точек измерений, что повышает общую надежность измерительной системы. В таком качестве может быть рассмотрена методика К.Витте [1,2,12], как базовая для даль нейших исследований, которые необходимо проводить в натурных условиях, приближенных к реальным прогнозируемым условиям экс плуатации.

Интерфейс программы представлен на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Интерфейс программного модуля комплекса «ИРК-5»

Комплекс «ИРК-5» представляет собой аппаратуру, фикси рующую и передающую на компьютер данные, а также сам компью тер с разработанным программным обеспечением. Датчики темпера туры размещаются на теле человека и в окружающей среде. Показа ния, снимаемые с датчиков, поступают во вторичный прибор «РИЦ».

В приборе они попадают в коммутатор, затем данные передаются в процессорный модуль, где и преобразовываются в цифровой сигнал.

Через ПСК (плата сети кольцо) и АСК (адаптер сети кольцо) они от правляются в компьютер, используя интерфейс RS-232 (коммутаци онный порт).

Эксперименты могут проводиться в условиях с широким диа пазоном температур. Естественно, температура человека не должна опускаться или подниматься ниже или выше критического значения.

Именно об этом и сообщает инструкторам программный модуль [36,37].

Анализ работ, посвященных проектированию одежды на базе имитационного и оптимизационного математического моделирования системы «Ч-О-С», позволил установить, что результаты моделирова ния не адаптированы к непосредственному формальному применению в системах автоматизированного проектирования одежды. Это приво дит к тому, что конструктор вынужден задавать исходные данные для конструирования на основании своего опыта, интуиции и субъектив ного восприятия задачи проектирования.

В процессе работы уточнено геометрическое представление туловища человека, которое представляется цилиндром с сечением в виде овала для оптимизационной модели и с сечением в виде эллипса для имитационной модели. Такое представление туловища в большей степени отвечает антропометрии человека.

Разработана оптимизационная математическая модель тепло обмена системы «Ч-О-С», которая позволяет минимизировать количе ство тепла с поверхности модели тела человека, при заданном объеме утеплителя оптимально распределить его толщину на разных участках модели. Разработана имитационная модель теплообмена между туло вищем человека и окружающей средой. Впервые сравнены между со бой результаты оптимизационного и имитационного математического моделирования системы «Ч-О-С», а затем проверены на натурных ис следованиях [38,39,40,41].

Разработана методика и программное обеспечение для измери тельно-расчетного комплекса «ИРК-5», применяемого для оценки те плового состояния человека в реальном времени. При помощи ком плекса получены динамические параметры поверхностных темпера тур человека, контроль теплонакопления, теплосодержания и дефици та тепла человека во время испытаний [39,40,42,43,44].


Проведенные разработки и исследования позволили сделать следующие выводы:

С целью повышения качества проектирования теплоза 1.

щитной были проведены исследования и разработаны оптимизацион ная и имитационная математические модели системы ««Ч-О-С».

Определено, что для оптимизационных моделей целесооб 2.

разно представлять туловище в виде цилиндра с сечением овал (набор секторов окружностей), так как это может свести решение уравнений теплопередачи к осесимметричным. Для имитационных моделей це лесообразней представлять туловище в виде цилиндра с эллиптиче ским сечением, так как это позволяет удовлетворить требованиям не прерывности граничных условий и упрощает генерацию модели сече ния туловища человека. Такой подход позволяет повысить точность расчетов тепловых потоков с поверхности туловища человека.

Проведённый анализ результатов математического моде 3.

лирования и сравнение с экспериментальными данными показал адек ватность тепловых полей моделей реальным процессам системы «Ч О-С», что дало возможность использовать результаты оптимизацион ного математического моделирования для САПР одежды.

Разработана методика и программный модуль автоматизи 4.

рованного расчета коэффициентов на свободу облегания конструкции изделия и необходимой толщины материала. Уменьшение количества конечных элементов в сечении в рамках математической модели бо лее чем в 16 раз приводит к существенному увеличению скорости ра боты программы. Универсальность выходных параметров расчетного модуля позволили применить его в современной методике проектиро вания одежды и интегрировать в САПР одежды «Novo-cut» [44,45].

На базе разработанной методики расчета параметров теп 5.

лозащитной конструкции было разработано программное обеспече ние, при помощи которого разработана в САПР «Novo-cut» конструк ция специального теплозащитного костюма.

Создана и экспериментально проверена в условиях термокаме ры теплозащитная куртка для температуры окружающей среды -50°С.

Проверка состояния человека осуществлялась с помощью комплекса «ИРК-5». Результаты экспериментальных исследований показали приемлемость конструкторских решений с использованием блока САПР теплозащитной одежды.

Глава Прогнозирование зависимости теплозащитных свойств пакетов материалов от условий эксплуатации Существующие методы конструирования пакетов материалов не отвечают современным требованиям. Они построены на субъек тивной оценке условий труда и связаны с произвольным выбором со става пакета. В лучшем случае пакеты экспериментально проверяются по их теплопроводности, т.е. термическому сопротивлению Rп=, П П (м2·К)/Вт. При таком подходе к конструированию одежды и обуви из рассмотрения выпадают важные вопросы (температурные условия, энергозатраты, ветровые нагрузки, режимы труда и отдыха, воздуш ные прослойки удельные нагрузки на пакет, влияние влагопотерь че ловека на теплозащитные свойства и т.д.). Представляется более пра вильным решать обратную задачу, т.е. определять термическое сопро тивление пакета, обеспечивающего достижение комфортных условий труда по заданным исходным данным. Большие возможности в этом направлении открывает вычислительный эксперимент (математиче ское моделирование), который позволяет с помощью ЭВМ изучить модель явления.

Для математического моделирования (рис. 4.1) использованы зависимости:

Кп = ;

(4.1) 1 + R ni + p.r + k.r p. x + k. x + k. x c c b ;

(4.2) ;

(4.3) ;

(4.4) ;

(4.5) ;

(4.6) ;

(4.7) ;

(4.8), (4.9) где: Кп – коэффициент теплопередачи через систему пакета, Вт/(м2·К);

р.c;

– коэффициент радиационной теплоотдачи по горячей и хо p.x лодной сторонам пакета, Вт/(м2·К);

вк.x ck.c;

ck.x;

коэффициент конвективной теплоотдачи – (с – свободная конвекция, в – вынужденная), Вт/(м2·К);

r ;

1 ;

z – степень черноты горячей поверхности (кожи), внутренней и лицевой поверхности пакета;

Tr;

T1;

Tz;

Tx – температура горячей поверхности внутренней и ли цевой поверхности пакета и окружающего воздуха, К;

Tr = Tr T1 ;

Tx = Tz Tx – разность температур, К;

п ;

в.r ;

в. x – коэффициент теплопроводности пакета материалов. воз духа в межодежном (межобувном) пространстве и со стороны лицевой поверхности (окружающая среда), Вт/(м·К);

в.r ;

в. x – коэффициент кинематической вязкости, м /с;

п ;

в. r – толщина пакета и слоя воздуха в межодежном пространстве, м;

hx(dэ.x) – характерный размер, м;

Re, Gr, Pr – критерии Рейнольдса, Грасгофа и Прандтля;

x – скорость потока воздуха, м/с;

qсв.к – средневзвешенный тепловой поток с поверхности кожи, Вт/м2.

Формулы (4.6) и (4.7) используются соответственно (GrPr) в.x=103109 и (СгРг) в.x109, а формулы (4.8) и (4.9) – Rех2·105 и Rех2·105.

Программа расчета на ЭВМ написана на алгоритмическом языке РL 1/L и реализована в системе ОС-ЕС. При расчете искомой температуры Tг используется итерационный метод. Коэффициенты теплопроводности, кинематической вязкости и критерий Прандтля воздуха в зависимости от температуры аппроксимированы линейными уравнениями.

Исходными данными для первого расчета являются: г, 1, z, в.г, Тг, Tх, tr, tx, hх (dэ.х), х и qсв.к.. В результате расчета при приня той величине Rп.1 получаются значения Тr.1, Т1.1, Тz.1 (формулы (4.2) — (4.4)}, которые определяют разности температур tr 1, tx 1.По най денным Тr.1, Т1.1, Тz.1, tr 1,tx 1 выполняется второй расчет. Полу ченные значения Тr.2, Т1.2, Тz.2, tr 2, tx используются для третьего расчета и т. д. Количество последовательных приближений определя ется заданной точностью расчета величины Тr.i например, различие между значениями Тr.i и T r(i+1) не должно превышать 0,01 градуса, т.

е. задается на уровне данных.

Аналогичным образом выполняются расчеты и для других значений Rп2, Rп3, … Rп n, где соответствующие им температуры Tr i 1, Tr i 2, Tr i 3, …, Tr i n.

Результаты расчетов приведены на рис.4.1. Искомое значение Rп и находится по точкам пересечения верхней и нижней границ сред невзвешенной температуры кожи в термическом комфорте с зависи мостью Trij = f(Rg1) Термический комфорт определяется уровнем энер гозатрат, а следовательно, и соответствующим значением qсв.к [1, 2].

Рис. 4.1. Система обозначений тепловых потоков, температур и геометрических параметров пакетов материалов Рис.4.2. К определению Рис. 4.3. Универсальная искомого значения термического диаграмма зависимости Rп и сопротивления пакета Rп и по от различных значений qсв.к, tx, x заданным исходным данным: :

1 – x = 0 м/с;

2 – 10 м/с. 1 – x = 0 м/с;

2 – 2;

3 – 6 ;

4 – 20 м/с.

Полученное значение Rп и является основой для разработки ва риантов пакетов одежды (обуви). Сочетание метода прогнозирования с экспериментальными исследованиями теплофизических свойств па кетов в воздушно-сухом состоянии и в динамике влагопоглощения по зволит получить более обоснованное и качественное решение.

Анализ результатов расчета на ЭВМ (исходные данные:

- м;

hx=1 м;

dэ.х=0,666 м, (рис. 4.2) позволяет г=1=z=0,90;

в.г=5- установить ряд закономерностей.

1. Важнейшим фактором, определяющим искомое значение Rп является вид выполняемой трудовой деятельности (энергозатраты и, qэ.3), так как qсв.к. = f(qэ.3).

2. Получен линейный характер зависимости Rп и = f(tx). На ве личину Rп и (кроме tx) значительно влияет и скорость воздуха х, обте кающего лицевую поверхность одежды (обуви). С увеличением х растет и необходимое значение Rп и.

3. Разработанная математическая модель по прогнозированию величины Rп и является универсальной. При необходимости она мо жет быть уточнена и перестроена. Если на первой стадии исследуется влияние важнейших факторов на Rп и (qэ.3, qсв.к., tx, х) то на второй – решение уточняется для действительных значений (г, 1, z), различ ных толщин воздушных прослоек (в.г) и размеров (hx, dэ.х.).

4.1 Оценка нестационарных влаго- и теплообменных процес сов в пакетах обувных материалов В основе метода лежат экспериментальные данные по влаго поглощению (кривые сорбции) и соответствующие им теплофизиче ские характеристики исследуемого пакета (слоя) материалов. Расчет включает определение предельного времени комфортности по усло виям влагопоглощения вл и теплообмена т. Известны и другие на правления решения рассматриваемой задачи [1].

Значение этих вопросов возросло в связи с широким использо ванием в обувном производстве искусственных и синтетических ма териалов, имеющих специфические свойства, влияющие на влагооб мен между стопой и обувью.

4.1.1 Влагообмен Допущения: пакет материалов представляем в виде эквива лентной системы, состоящей из одного условного слоя (рис. 4.4);

во дяной пар (влага), выделяемый стопой, через воздушный слой равно мерно подводится к внутренней поверхности пакета материалов;

воз душная прослойка со стороны стопы имеет постоянную относитель ную влажность в и дополнительного количества влаги не восприни мает (Мв = 0).

Рис. 4.4. Система обозначений тепловых потоков, температур и геометрических параметров пакетов материалов Комфортность по влагопоглощению будет существовать, если выполняется условие (4.10) где вл – расчетное время комфортной носки изделия по условиям влагопоглощения, с;

Мс.п. – количество водяного пара, подводимого стопой в единицу вре мени к внутренней поверхности пакета, кг/с;

Мп – количество влаги, воспринятой пакетом материалов за время пр (продолжительность процесса влагопоглощения на всю толщину па кета, с), кг;

Мвд – количество водяного пара, отводимого с лицевой поверхности пакета в окружающую среду, кг.

Величины Мсп и Мвд определяются по формулам (4.11) где Fс – площадь поверхности стопы, м2;

Мп – количество водяного пара, выделяемого поверхностью стопы в единицу времени (принимается по опытным данным работы [2] в за висимости от времени года и выполняемой работы), кг/с;

Mвд – расчетная плотность потока массы водяного пара, удаляемого с лицевой поверхности пакета в окружающую среду, кг/(м2·с).

Из условия равенства правой и левой частей формулы (4.10) находим (4.12) Неизвестными в формуле (4.12) являются Мп, пр, вл (см. фор мулы (4.13), (4.15), (4.17).

Применительно к пакету материалов (рис. 4.4) диффузионный процесс переноса влаги можно определить по формуле (4.13) где Dп – эквивалентный коэффициент диффузии водяного пара (влаги) через пакет материалов, м2/с;

Рп1 = Рп1 – Рпz – разность парциальных давлений водяного пара на границах пакета, Н/м2;

п – толщина пакета, м;

R – газовая постоянная водяного пара, Дж/кг·К;

T +T – средняя температура пакета, К.

Tn = 1 Рис. 4.5. К определению эквивалентного коэффициента диффузии водяного пара (влаги) через пакет материалов (кривая сорбции) Относительная влажность воздуха на границах пакета, где Pп1= f (tв), Pпz= f (tв0) — давление насы щения, соответствующее температуре влажного воздуха, Н/м2.

Выражение (4.13) приводится к виду (4.14) Рис. 4.6. Зависимость коэффициента теплопроводности пi и объем ной теплоемкости Сопi (пакета материалов от его относительной влажности i (продолжительности процесса сорбции i) Время сорбционного процесса влагопоглощения вычисляется по зависимости (4.15) Формула(4.15) получена из условия, что водяной пар (влага) движется через пакет материалов со средней линейной скоростью, м/с, В формуле (4.15) не учитывается диффузия водяного пара в воздушной прослойке межобувного пространства Dв. По сравнению со значениями Dп обувных материалов [3] величина Dв оказывается на несколько порядков выше, а поэтому сорбционные процессы в воз душной прослойке не будут существенно влиять на влагопоглощение.

Расчетная величина коэффициента диффузии Dп вычисляется по половинному времени кривых сорбции (рис. 4.5) [3], т.е.

(4.16) где 0,5 — половинное время процесса сорбции, т. е. время, необходи мое для поглощения пакетом материалов количества водяного пара (влаги) Мi=0.5 М, с.

Теплофизические исследования проводятся по методу двух тем пе-ратурно-временных интервалов [4] при одинаковых направлениях теплового потока и диффузионных процессов переноса водяного пара (влаги).

Количество влаги Мi, воспринятое пакетом материалов за про межуток времени i, вычисляется по формуле (4.17) где Мп i — масса пакета (слоя) в процессе его увлажнения, кг;

Мв.с. — масса пакета (слоя) материалов при нормальном воздушном состоянии, кг;

i — относительная влажность пакета (слоя), соответствующая вре мени сорбции i.

Величина mв.д. определяется по половинному времени процес са сорбции mв.д.i = f (i) (внешняя диффузия) по аналогии (рис. 4.4), где. (4.18) 4.1.2 Теплообмен Баланс тепла, определяющий комфортные теплоощущения, можно выразить равенством (4.19) где qс.п. — плотность теплового потока, передаваемого стопой пакету, Вт/м2, qп. — плотность теплового потока, проходящего через пакет, Вт/м2;

qв.д. — плотность теплового потока, отводимого водяным паром в ок ружающую среду с лицевой поверхности пакета, Вт/м2;

qа.п. — количество тепла, аккумулируемого пакетом, Дж/м2;

т — расчетное время, обеспечивающее соблюдение комфортных ус ловий по теплообмену, с.

Из зависимости (4.19) получаем (4.20) (4.21) (4.22) (4.23) (4.24) (4.25) (4.26) Здесь приняты такие обозначения:

сп, п — теплоемкость, Дж/(кг-К), и плотность, кг/м3, пакета мате риалов;

qс — плотность теплового потока, выделяемого стопой (принимается по опытным данным в зависимости от времени года и выполняемой работы), Вт/м2;

Кп — коэффициент теплопередачи от стопы к окружающему воздуху, Вт/(м2·К);

r, x — коэффициенты теплоотдачи со стороны стопы к пакету r=Р.r + к.r) и от его лицевой поверхности к окружающему воздуху x=Р.x+ к.x) Вт/(м2·К);

tr = tc, tx = tв0 — температура среды в межобувном пространстве и со стороны лицевой поверхности пакета (окружающий воздух), °С;

t1, tz — температура внутренней и лицевой поверхности пакета, °С;

t0 — начальная температура пакета при его относительной влажности = в.с., °С;

i — энтальпия водяного пара во влажном воздухе, Дж/кг.

Все величины, входящие в формулу (4.20), являются перемен ными, так как зависят от влажности пакета.

Радиационные коэффициенты теплоотдачи в межобувном про странстве Р.r и от лицевой поверхности пакета в окружающую среду Р.x вычисляются по формулам где пр — приведенная степень черноты системы в межобувном пространстве;

z — степень черноты лицевой поверхности материала пакета (для теплового излучения воздух можно считать практически прозрачным).

Коэффициенты конвективной теплоотдачи вычисляются соот ветственно к.r = к, (4.27) В В где к = (Gr Pr) 0,25.

При 10 -3 (Gr Pr) во 510 2 к.х = 1,18 ВО (Gr Pr) во1/8.

d, При 10 3 (Gr Pr) во 510 8 к.х = 0,5 ВО (Gr Pr) во1/4.

d,, (м2·К)/Вт, яв Термическое сопротивление пакета Rпр = П ПР ляется наиболее важным параметром, определяющим тепло- и влаго обменные свойства системы. Влияние влажности на величину Rпр проявляется различно и зависит от индивидуальных свойств обувных материалов и влагопоглощения как в количественном, так и во вре менном отношениях [5].

Предельные значения объемной теплоемкости Cопр = (спп)пр и коэффициента теплопроводности пр определяются по данным тепло физических испытаний пакета материалов (рис. 3) по величине пр, соответствующей времени влагопоглощения на всю толщину пакета пр (8).

В оптимальном варианте решения задачи значения r и вл же лательно иметь одинаковыми. В противном случае эффективность ис следуемой системы (пакет, слой) по комфорту должна оцениваться по наименьшей величине.

4.2 Разработка математической модели шкалы комфортности зимней обуви Комфортность обуви в достаточной степени можно оценивать параметрами внутриобувного воздуха – температурой (t) и относи тельной влажностью (), которые, являясь физиологическими крите риями, изменяются при воздействии механических, гигротермических и токсикологических факторов.

При современном уровне техники относительная влажность и температура воздуха во внутриобувном пространстве доступны инст рументальному измерению и, следовательно, могут быть использова ны для объективной оценки комфортности обуви.

Измерение параметров внутриобувного микроклимата прово дили с помощью аппаратуры на интегральных микросхемах, разрабо танной на кафедре товароведения непродовольственных товаров Санкт-Петербургского института торговли. Для исследования были выбраны 45 пар зимней обуви рантоклеевого метода крепления про изводства Тбилисского ПОО «Исани».

Рис. 4.7. Зависимость температуры (а) и относительной влажности (б) от времени при различных условиях эксплуатации образцов:

1,2,3 – в камере, 1,2,3 – на улице Для изготовления опытной партии были использованы раз личные материалы:

- для верха обуви - кожа хромового дубления, а также СК-8 и СК эластичная;

- для подкладки - искусственный мех, полушерстяная байка и трико тажное полотно, дублированное поролоном.

Опытную носку и экспериментальные исследования в клима тической камере при отрицательных температурах было предложено проводить круглогодично. Исследования проводили как на улице, так и в широкодиапазонном шкафу типа ШКШ-1,5 В. Рабочая площадь камеры 1,5 м2 ;

высота 1,5;

диапазон температур -20...+40°С, колеба ния температуры - не более ±0,5°С.

В ходе отработки методики решены вопросы о месте располо жения датчика в обуви, а также режиме и минимальной продолжи тельности носки. Установлено, что конечные величины t и во внут риобувном пространстве (в носочной, пяточной области и области го лени) практически одинаковы, поэтому местом расположения датчи ков была выбрана область голени, как наиболее свободная. Установ лено, что максимальная температура во внутриобувном пространстве стабилизируется через 2-2,5 ч, а максимальная величина влажности через 3-3,5 ч эксплуатации. Поэтому режим опытной носки, с учетом реальных условий эксплуатации зимней обуви, был выбран следую щий: 1,5 ч непрерывной носки + 1 ч на улице (или в климатической камере) + 1,5 ч в помещении с интервалами измерения 30 мин.

Такой режим опытной носки (по мнению авторов) соответст вует реальным условиям эксплуатации зимней обуви (поскольку че ловек во время эксплуатации обуви находится как на улице, так и в помещении).

Для определения минимального количества измерений N было решено исследовать один из образцов - обувь с заготовкой верха из натуральной кожи и подкладкой из искусственного меха в течение дней (то есть среднего гарантийного срока носки), после чего по сред ним величинам температуры и относительной влажности было опре делено минимально необходимое число наблюдений для получения статистически обоснованных результатов с доверительной вероятно стью Р = 0,95. В результате расчета N - оказалось равным 12, поэтому для характеристики комфортности обуви все последующие исследо вания проводили 12 раз (по одному измерению в день). С помощью математико-статистической обработки около экспе риментальных данных на ЭВМ были рассчитаны средние арифмети ческие значения t и внутриобувного микроклимата и проведен их дисперсионный анализ.

Оценка комфортности зимней обуви (мужские утепленные бо тинки рантоклеевого метода крепления на подошве из пористой рези ны) в процессе ее эксплуатации при t = -10°С представлена в таблице 4.1.



Pages:     | 1 |   ...   | 4 | 5 || 7 | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.