高温高湿环境中防刺服与人体的热湿传递机理与模型研究

The stab resistance body armor is an essential protection equipment in regards of preventing human injured from knives and other cutting tools. The hot and humid environment (temperature >35°C and relative humidity > 50%) is the main cause that leads to the occurrences of heat stress, heat illness and disability on the people wearing stab resistance body armor, since there is few research on the heat and moist transfer of the stab resistance body armor design, thus prevents the wearing frequency. .This project will investigate on the heat and moist transfer mechanism between the stab resistance body armor and the human body in the hot and humid environment by conducting thermal manikin experiment, ergonomics experiment and simulation: 1. Propose the method to measure the thermal insulation and vapor resistance of body armor using thermal manikin under the hot and humid environment, and explore the heat and moist transferring mechanism between the layers of the stab resistance body armor; 2. Construct the ergonomics experiment to study the relations of human physiological parameters and thermal comfort when wearing stab-resistance body armor; 3. Build the thermal model describing the human body thermal response when wearing stab resistance body armor in hot and humid environment, which could precisely predict the safety and comfort levels of the human wearing the stab resistance body armor when the thermal properties of the body armor and the human key physiological parameters were inputted. This project will provides scientific support to the stab-resistance body armor design and development, as well as the completion to the body armor ergonomics evaluation methodology and evaluation system built.

防刺服是保护人员免受刀刺伤害的重要防护装备。因防刺服热、湿传递性能设计缺乏科学支撑，导致防刺服着装人员在高温高湿环境（温度>35°C、相对湿度>60%）下极易产生热应激、热疾病以及失能现象，严重影响防刺服着装频率。本项目拟采用暖体假人实验、人因工效实验与数学建模的方法，研究防刺服与人体在高温高湿环境下的热湿传递过程与规律：（1）提出高温高湿度环境下防刺服热阻湿阻的表征方法，揭示热量与水分在防刺服服装层间的传递机制；（2）通过人因工效实验，建立典型工况下着防刺服人员的客观生理参数与主观舒适度参数的关系模型；（3）在以上研究基础上，构建高温高湿环境下防刺服与人体的热作用模型，实现利用防刺服热湿性能参数与着装人员关键生理参数为输入，科学预测防刺服着装安全性与舒适性的目标。本项目成果将为防刺服研发提供热湿传递基础支撑模型，为完善防刺服着装工效评价方法与指标体系建立提供理论指导。

现行防刺服存在透热透湿性能差的缺陷，导致防刺服穿着效率低下，丧失了应有的保护功能。本项目从防刺服热湿传递机制与性能表征、着防刺服后人体的主观和客观热反应行为、人体热反应模型预测三个方面着手，研究防刺服与人体热作用机理,提出防刺服穿着工作时间预测模型。主要工作如下：.1.利用暖体假人进行不同温（25 ℃、30 ℃、40 ℃）湿度（RH40%，55%，70%）环境下热阻湿阻测量的实验研究，比较分析了防刺服、降温服和防刺服与降温服叠穿三种工况下防刺服热湿传递特征。分析发现三件服装的热阻和湿阻遵循同一趋势，即防刺服＞降温服与防刺服叠穿＞降温服。降温服可降低防刺服热阻最高达46.75%，且在胃部和背部表现明显。温度大于30℃时，降温模块中水的液气相变极大加快换热过程。温度低于30℃时（25℃）降温模块成为防刺服换热通道的阻碍,降低透气性。.2.从生理参数（体核温度、体表温度、心率、耗氧量等）与主观参数（热感觉、热舒适、感知疲劳度和服装限制等）方面，建立了防刺服对人体热应激的评价体系。在人因工效实验方面，设置了一组适宜环境25℃-50%作为对照组，三组高温高湿环境为研究对象。设定两种运动状态模拟不同警务活动，分别包括模拟巡逻、巡视活动和模拟抓捕行动及后续主动恢复情况。每种环境条件下进行2种服装的实验（短袖、防刺服），并测量主客观参数。研究成果表明湿度对人体热感觉有显著影响，同时，高温高湿度环境会显著影响人体核心温度、心率等因素。.3.基于经典PHS热应激模型,在高温高湿环境中由测得的心率预测人体代谢率,采取适宜防刺服设计的皮肤温度计算公式改进人体-防刺服-环境的动态热平衡方程。将人因工效实验获得的客观生理数据与人体热反应模型输出进行比较,分析结果的误差性和参数敏感性。通过输入热阻、湿阻、心率等实验测得参数，预测着防刺服人体的体核温度和安全工作时间。研究成果可为防刺服设计优化、预测高温高湿度环境下一线着防刺服人员的安全的工作时间提供基础理论支撑。