一种基于三维模型的被服系统局部和整体热阻预测方法

本发明涉及一种基于三维模型的被服系统局部和整体热阻预测方法，属于纺织工程。

背景技术：

1、被服系统是影响人体睡眠热舒适性的关键因素之一，由寝具和服装组成，通常包括被子、枕头、床垫、睡衣等。

2、被服系统将人体与外环境阻隔，从而减少人体与外环境之间的热交换，起到保暖的作用。被服系统的保暖性能可用热阻表征，与被服系统各组成部分的热性能、睡眠人体的姿势、被服覆盖面积等多种因素有关。

3、目前被服系统的热阻主要采用暖体假人在温湿度恒定控制的气候室内进行测量，可获得较为准确的被服系统的整体热阻和不同人体部位的局部热阻。但测量仪器昂贵，测量条件苛刻和操作复杂，使现有的被服系统热阻测量成本很高，且测量效率较低，不便于广大学者和企业的应用。

技术实现思路

1、为了降低被服系统热阻测量成本，同时提高测量效率，本发明提供了一种基于三维模型的被服系统局部和整体热阻预测方法，所述技术方案如下：

2、步骤1：构建被服系统与睡眠人体的三维几何模型，并基于模型得到人体不同部位接触被子、接触被下空气层、接触床垫和暴露外环境的体表面积与该部位的总体表面积的比例系数；

3、步骤2：基于所述步骤1得到的人体不同部位接触被子、接触被下空气层、接触床垫和暴露外环境的体表面积，建立人体局部的热传递方程；

4、步骤3：采用并联法计算被服系统局部热阻；

5、步骤4：根据所述被服系统局部热阻计算整体热阻。

6、可选的，所述步骤2中的人体局部的热传递方程包括：接触被子部分的热传递方程、接触被下空气层部分的热传递方程、接触床垫部分的热传递方程和暴露外环境部分的热传递方程；

7、所述接触被子部分的热传递计算公式为：

8、

9、

10、其中，q1为接触被子部分的总散热量；a1为接触被子部分的体表面积；ts和ta分别为人体皮肤温度和外环境温度；r1为接触被子部分的总热阻；rb为被子的热阻；h1为被子表面干热换热系数；

11、所述接触被下空气层部分的热传递计算公式为：

12、

13、其中，q2为接触被下空气层部分的总散热量；a2为接触空气层部分的体表面积；r2为接触被下空气层部分的总热阻；

14、被下空气层部分的热量首先传递到被下空气层，然后通过被子和床垫两部分传递至外环境，计算公式为：

15、q2＝qa+qb

16、

17、

18、

19、其中，tsa为被下空气层的温度；rd、ra和rb分别为热量传递到被下空气层、通过被子传递至外环境和通过床垫传递的热阻；aa和ab分别为热量通过被子和床垫传递的传热面积；hd和ha分别为接触被下空气层的皮肤表面和被子表面的干热换热系数；rm为床垫热阻；

20、由上述计算公式得到以下公式：

21、

22、因此，

23、

24、其中，fa和fb分别为热量通过被子和床垫传递的传热面积与接触空气层体表面积的比例系数；

25、所述接触床垫部分的热传递，计算公式为：

26、

27、r3＝rm

28、其中，q3为接触床垫部分的总散热量；a3为接触床垫部分的体表面积；r3为接触床垫部分的总热阻；

29、所述暴露外环境部分的热传递计算公式为：

30、

31、

32、其中，q4为暴露外环境部分的总散热量；a4为暴露外环境部分的体表面积；r3为暴露外环境部分的总热阻。

33、可选的，所述步骤3中采用并联法计算被服系统局部热阻的计算公式如下：

34、

35、其中，rt为局部热阻；as为局部体表面积；α1、α2、α3、α4分别为局部接触被子、接触被下空气层、接触床垫和暴露外环境的体表面积与该部位的总体表面积的比例系数。

36、可选的，所述步骤(4)中计算被服系统整体热阻的计算公式如下：

37、

38、其中，rt为被服系统整体热阻；ai为各局部体表面积；rt,i为各局部热阻。

39、可选的，所述步骤1采用三维虚拟技术构建所述被服系统与睡眠人体的三维几何模型。

40、可选的，所述人体部位包括：头部、胸部、腹部、背部、臀部、上臂、小臂、手、大腿、小腿、脚。

41、可选的，所述步骤1还包括：将所述被服系统和睡眠人体的模型在geomagic图像处理技术软件中进行去噪、修复、补洞。

42、可选的，所述步骤1将被服系统模型与睡眠人体模型分别导出obj文件，将处理后的被服系统和睡眠人体几何模型进行拟合对齐，利用3d比较功能导出两个模型的偏差值，获得不同部位接触被子、接触被下空气层、接触床垫和暴露外环境的体表面积与该部位的总体表面积的比例系数。

43、可选的，所述被服系统模型包括内层被子和床垫。

44、可选的，所述睡眠人体几何模型包括人体和床垫。

45、本发明有益效果是：

46、本发明利用三维模型预测被服系统的整体和局部热阻，避免了暖体假人和昂贵的测量仪器的使用，有效地降低了测量成本，且本发明的热阻测量方法易操作，可以提高预测效率，本发明的预测结果与暖体假人测量结果相近，可用于预测不同被子、床垫、人体姿势和被服覆盖面积状态下的热阻值，有助于判断被服系统的保暖性能，提升家纺产品使用的热舒适性。

技术特征：

1.一种被服系统热阻预测方法，其特征在于，所述被服系统热阻预测方法包括：

2.根据权利要求1所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述步骤2中的人体局部的热传递方程包括：接触被子部分的热传递方程、接触被下空气层部分的热传递方程、接触床垫部分的热传递方程和暴露外环境部分的热传递方程；

3.根据权利要求2所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述步骤3中采用并联法计算被服系统局部热阻的计算公式如下：

4.根据权利要求3所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述步骤(4)中计算被服系统整体热阻的计算公式如下：

5.根据权利要求1所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述步骤1采用三维虚拟技术构建所述被服系统与睡眠人体的三维几何模型。

6.根据权利要求1所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述人体部位包括：头部、胸部、腹部、背部、臀部、上臂、小臂、手、大腿、小腿、脚。

7.根据权利要求1所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述步骤1还包括：将所述被服系统和睡眠人体的模型在geomagic图像处理技术软件中进行去噪、修复、补洞。

8.根据权利要求1所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述步骤1将被服系统模型与睡眠人体模型分别导出obj文件，将处理后的被服系统和睡眠人体几何模型进行拟合对齐，利用3d比较功能导出两个模型的偏差值，获得不同部位接触被子、接触被下空气层、接触床垫和暴露外环境的体表面积与该部位的总体表面积的比例系数。

9.根据权利要求8所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述被服系统模型包括内层被子和床垫。

10.根据权利要求8所述的服系统热阻预测方法，其特征在于，所述睡眠人体几何模型包括人体和床垫。

技术总结
本发明公开了一种基于三维模型的被服系统局部和整体热阻预测方法，属于纺织工程技术领域。包括以下步骤：构建被服系统与人体的三维几何模型；建立局部接触被子部分、接触被下空气层部分、接触床垫部分和暴露外环境部分的热传递方程；采用并联法计算被服系统局部热阻；根据被服系统局部热阻计算整体热阻。本发明利用三维模型预测被服系统的整体和局部热阻，避免了暖体假人和昂贵的测量仪器的使用，有效地降低了测量成本，提高预测效率，且预测结果与暖体假人测量结果相近，可用于预测不同被子、床垫、人体姿势和被服覆盖面积状态下的热阻值，有助于判断被服系统的保暖性能，提升家纺产品使用的热舒适性。

技术研发人员：柯莹,郑晴,王鸿博
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11