基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法技术

技术编号:21914263 阅读:46 留言:0更新日期:2019-08-21 12:31
本发明专利技术基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法,涉及防护服研究技术领域,包括如下步骤:(1)根据给定的实验数据,使用MATLAB进行图像的绘制并对数据进行多项式拟合,进反复试验发现选用三次方的拟合结果最贴合实际情况,以此结果进行进一步的求解(2)预测防护服II层最优厚度(3)预测防护服II层和IV层的最优厚度。本发明专利技术该模型采用建立数学模型的方式,将各层进行了细化,使温度的变化情况在空间上更加具体;采用传统的非线性规划以及遗传算法进行迭代求解对模型进行了优化,使得厚度估计值更加精确,整个发明专利技术思路清晰,用数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况,降低了成本,缩短了研发周期和误差范围,实用性高。

Research Method of High Temperature Protective Clothing Based on Genetic Algorithms and Nonlinear Programming

【技术实现步骤摘要】
基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法
本专利技术涉及防护服研究
,尤其涉及基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法。
技术介绍
人类在从事物质生产之类的活动最基本的保证之一就是服装,它作为人类与环境的中间体,起着第二皮肤的作用。当人类从事的物质生产活动以及工作环境变得复杂和困难的时候,我们对于工作时需要的服装也就有了更高的要求。金属炼钢是一个举足轻重的行业,消防对于我们国民的安全来说也是至关重要的,但正是在这些行业中,工作人员经常在高温高辐射的环境下工作,一般我们将这种危险的环境划分为普通,危险和紧急三种状态。通常在闪火环境下会发生紧急状态,此时火场人员的耐受时间仅仅只有几秒钟,有着致命的危险,在闪火环境中人体主要受热辐射和直接接触火焰的危害。普通和危险状态属于低辐射环境,一般工作时间长也不会造成热防护服的热降解。但长期的高温环境工作,强烈的热湿通过服装到达人体皮肤后,人体会产生严重的热损伤。防护服对于人体具有保护性能,在不同的高温下,人体皮肤温度会随着时间的推移不断升温,甚至出现灼伤状态。防护服的原理就是减缓热转移的速度,使热量在人体表皮尽少聚集,不同材料的组合以及各材料的厚度不同都会直接影响人体表皮温度上升的速率。现有的防护服一般为三层织物材料构成,每层的厚度没有进行特别的设计,使得防护服的隔热效果不理想,对人体的保护不够完善;为了更好的设计这种专用服装,我们将假人放置在实验室的高温环境中,测量假人皮肤外侧的温度。用以模拟真人在实际环境中的情况变化,利用数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况,计算出温度分布和防护服各层的最优厚度。我们主要就确定的材料组成,不同的材料厚度进行防护服热防护性能评价设计模型,并结合模型给出工作人员高温环境下工作的安全时间,为防护服的设计提供了理论依据。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法,以解决上述技术问题。本专利技术为解决上述技术问题,采用以下技术方案来实现:一种基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法,其特征在于:包括如下步骤:(1)建立数学模型a.根据给定的实验数据,使用MATLAB进行图像的绘制并对数据进行多项式拟合,进反复试验发现选用三次方的拟合结果最贴合实际情况,以此结果进行进一步的求解;b.将防护服由外向内分为第I层、第II层、第III层和第IV层;c.通过对热传递公式的进一步优化,从而建立了各层高温防护服材料的热传递模型;d.使用步骤a中给的数据进行的三次多项式拟合结果,得到确切的边界函数,添加线性的辅助函数将非齐次的边界问题转化为齐次边界,结合傅里叶级数求解热方程;e.最后利用MATLAB软件中PDE工具箱绘制模型中所需要的图像,再通过模型计算得到各个层在各个时间的温度,汇总为温度分布EXCEL表;(2)预测防护服II层最优厚度A、在上述步骤(1)的基础上,将所得温度分布函数设定相关约束条件,使之满足在工作60分钟时,假人皮肤外侧温度不超过47℃,且超过44℃的时间不超过5分钟,其中II层厚度为变量;B.根据建立的目标函数和约束条件建立非线性规划模型;C.使用遗传算法进行50、100、150、200、300、400代的迭代求解;D.最后确定II层的最优解;(3)预测防护服II层和IV层的最优厚度A.在步骤(2)的基础上增加了一个变量IV层厚度,在满足约束条件的前提下,分别取II层和IV层的厚度最小值,目标函数仍是防护服材料总厚度;B.对所建模型进行求解,同时结合模拟退火算法,进行高级算法的演算;C.通过MATLAB的运行得到II层的最优解和Ⅳ层的最优解。本专利技术的有益效果是:本专利技术该模型采用建立数学模型的方式,将各层进行了细化,使温度的变化情况在空间上更加具体;采用传统的非线性规划以及遗传算法进行迭代求解对模型进行了优化,使得厚度估计值更加精确,接近实际情况,同时结合模拟退火算法,进行高级算法的演算,通过MATLAB的运行得到最终结果,整个专利技术思路清晰,用数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况,降低了成本,缩短了研发周期,缩小一定的误差范围,实用性高,为专用服装的研发提供依据,节约成本,建立模型简单易懂,具有很强的适应性,程序运行流畅,具有一定的推广意义。附图说明图1为本专利技术时间—温度三次拟合图;图2为本专利技术PDE第Ⅰ层参数设置图;图3为本专利技术PDE第Ⅱ层参数设置图;图4为本专利技术PDE第Ⅲ层参数设置图;图5为本专利技术PDE第Ⅳ层参数设置图;图6为本专利技术第Ⅰ层温度传导方程图;图7为本专利技术第Ⅱ层温度传导方程图;图8为本专利技术第Ⅲ层温度传导方程图;图9为本专利技术第Ⅳ层温度传导方程图;图10为本专利技术四层材料的温度随时间变化图;图11为本专利技术模型进行50次迭代运行结果;图12为本专利技术模型进行100次迭代运行结果;图13为本专利技术模型进行150次迭代运行结果;图14为本专利技术模型进行200次迭代运行结果;图15为本专利技术模型进行300次迭代运行结果;图16为本专利技术模型进行400次迭代运行结果;图17为本专利技术模拟退火算法优化计算过程逻辑图;图18为本专利技术3000次迭代运行结果图;图19为本专利技术4000次迭代运行结果图;图20为本专利技术4500次迭代运行结果图;图21为本专利技术5000次迭代运行结果图;具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐述本专利技术,但下述实施例仅仅为本专利技术的优选实施例,并非全部。基于实施方式中的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例,都属于本专利技术的保护范围。下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法,下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法,其特征在于:包括如下步骤:(1)建立数学模型a.根据给定的实验数据,使用MATLAB进行图像的绘制并对数据进行多项式拟合,进反复试验发现选用三次方的拟合结果最贴合实际情况,以此结果进行进一步的求解;b.将防护服由外向内分为第I层、第II层、第III层和第IV层;c.通过对热传递公式的进一步优化,从而建立了各层高温防护服材料的热传递模型;d.使用步骤a中给的数据进行的三次多项式拟合结果,得到确切的边界函数,添加线性的辅助函数将非齐次的边界问题转化为齐次边界,结合傅里叶级数求解热方程;e.最后利用MATLAB软件中PDE工具箱绘制模型中所需要的图像,再通过模型计算得到各层在各个时间的温度,汇总为温度分布EXCEL表;(2)预测防护服II层最优厚度A、在上述步骤(1)的基础上,将所得温度分布函数设定相关约束条件,使之满足在工作60分钟时,假人皮肤外侧温度不超过47℃,且超过44℃的时间不超过5分钟,其中II层厚度为变量;B.根据建立的目标函数和约束条件建立非线性规划模型;C.使用遗传算法进行50、100、150、200、300、400代的迭代求解;D.最后确定II层的最优解;1.1模型的建立专用服装由三层不同织物材料构成,记为I、II、III层,其中I层与外界环境接触,III层与皮肤之间存在空隙的记为IV层。基于以上假设,这四层都可以近似看成只存在热传导,由此,四层织物材料的热传递本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法,其特征在于:包括如下步骤:(1)建立数学模型a.根据给定的实验数据,使用MATLAB进行图像的绘制并对数据进行多项式拟合,进反复试验发现选用三次方的拟合结果最贴合实际情况,以此结果进行进一步的求解;b.将防护服由外向内分为第I层、第II层、第III层和第IV层;c.通过对热传递公式的进一步优化,从而建立了各层高温防护服材料的热传递模型;d.使用步骤a中给的数据进行的三次多项式拟合结果,得到确切的边界函数,添加线性的辅助函数将非齐次的边界问题转化为齐次边界,结合傅里叶级数求解热方程;e.最后利用MATLAB软件中PDE工具箱绘制模型中所需要的图像,再通过模型计算得到各层在各个时间的温度,汇总为温度分布EXCEL表;(2)预测防护服II层最优厚度A、在上述步骤(1)的基础上,将所得温度分布函数设定相关约束条件,使之满足在工作60分钟时,假人皮肤外侧温度不超过47℃,且超过44℃的时间不超过5分钟,其中II层厚度为变量;B.根据建立的目标函数和约束条件建立非线性规划模型;C.使用遗传算法进行50、100、150、200、300、400代的迭代求解;D.最后确定II层的最优解;(3)预测防护服II层和IV层的最优厚度A.在步骤(2)的基础上增加了一个变量IV层厚度,在满足约束条件的前提下,分别取II层和IV层的厚度最小值,目标函数仍是防护服材料总厚度;B.对所建模型进行求解,同时结合模拟退火算法,进行高级算法的演算;C.通过MATLAB的运行得到II层的最优解和Ⅳ层的最优解。...

【技术特征摘要】
1.基于遗传算法与非线性规划对高温防护服的研究方法,其特征在于:包括如下步骤:(1)建立数学模型a.根据给定的实验数据,使用MATLAB进行图像的绘制并对数据进行多项式拟合,进反复试验发现选用三次方的拟合结果最贴合实际情况,以此结果进行进一步的求解;b.将防护服由外向内分为第I层、第II层、第III层和第IV层;c.通过对热传递公式的进一步优化,从而建立了各层高温防护服材料的热传递模型;d.使用步骤a中给的数据进行的三次多项式拟合结果,得到确切的边界函数,添加线性的辅助函数将非齐次的边界问题转化为齐次边界,结合傅里叶级数求解热方程;e.最后利用MATLAB软件中PDE工具箱绘制模型中所需要的图像,再通过模型计算得到各层在各个时间的温度,汇总为温度分布EXCEL表;(2)预测防护服II层最优厚度A、在上述步骤(1)的基础上,将所得温度分布函数设定相关约束条件,使之满足在工作60分钟时,假人皮肤外侧温度不超过47℃,且超过44℃的时间不超过5分钟,其中II层厚度为变量;B.根据建立的目标函数和约束条件建立非线性规划模型;C.使用遗传算法进行50、100、150、200、300、400代的迭代求解;D.最后确定II层的最优解;(3)预测防护服II层和IV层的最优厚...

【专利技术属性】
技术研发人员:王先传庞昆张杰张娜魏艳蝶王先超陈秀明
申请(专利权)人:阜阳师范学院
类型:发明
国别省市:安徽,34

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