馬 亮，張 欣，應(yīng)柏安，吳 龍

（西安工程大學(xué)，陜西 西安710048）

隨著生活水平的提高和健康著裝觀念的深入人心，人們對服裝舒適性的要求也日益趨高。近年來，壓力舒適性已逐漸成為除熱濕舒適性和觸覺舒適性外，衡量服裝穿著舒適性的重要指標(biāo)之一。

本文對數(shù)字化三維人體模型在穿著文胸服裝后的壓力分布進(jìn)行仿真模擬，建立人體胸部有限元仿真模型、文胸有限元仿真模型。在研究過程當(dāng)中，將人體視為彈性體，人體胸部和文胸的接觸視為彈性接觸，結(jié)合彈性模量、泊松比建立起文胸與人體胸部有限元接觸力學(xué)模型［1］。

1 研究目的

影響文胸服裝壓力分布的因素主要為人體和服裝兩個方面。首先，不同人體胸部的形態(tài)、曲率、彈性模量都對文胸服裝產(chǎn)生較大的影響。其次，文胸對壓力的影響主要包括服裝材料、款式結(jié)構(gòu)及服裝尺寸。服裝的壓力還會受到人體不同的運動狀態(tài)等影響。人體穿著文胸服裝，在壓力作用下會產(chǎn)生形變。文胸的壓力大小和分布主要與服裝材料的勁度系數(shù)、服裝尺寸、服裝款式、人體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及人體各部位的彈性模量有關(guān)。

有限元法能夠較為準(zhǔn)確地描述彈性體的變形程度［2］。該方法實質(zhì)是將復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限多個簡單的單元體，單元體之間僅通過結(jié)點相連，通過化整為零，再集零為整的手段對復(fù)雜問題進(jìn)行分析。有限元法通常以位移為未知量，以最小位能原理為基礎(chǔ)求解位移。通過建立待測部位的有限元模型，并賦予邊界條件和載荷，再經(jīng)后處理，可較好預(yù)測文胸的壓力分布。

2 研究方法

2.1 模型建立

本文采用的人體胸部幾何模型為數(shù)字化三維模型。文胸幾何模型是在數(shù)字化人體模型的基礎(chǔ)之上，對通過對胸部曲面進(jìn)行擬合，完成文胸的曲面造型［3］。在幾何模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步建立人體和文胸的有限元模型［4］。對人體而言采用八節(jié)點六面體實體單元模擬，文胸采用四邊形和三角形混合單元模擬，如圖1所示。在進(jìn)行仿真過程當(dāng)中，由于文胸和人體胸部都為彈性體［5］，建立接觸模型進(jìn)行仿真較為復(fù)雜，所以在模型的建立上做了以下幾點假設(shè)：人體介質(zhì)均勻，這樣保證了物體內(nèi)應(yīng)力、位移的連續(xù)性；設(shè)定所建立的模型為各向同性的，即物體的力學(xué)性質(zhì)在物體的各個方向都是相同的，物體的彈性常數(shù)不隨方向改變而變化。在文胸與人體的彈性接觸過程中，人體的彈性部位宏觀上都可以視為各向同性材料；文胸和服裝接觸過程中無初始應(yīng)力。

圖1 有限元模型

2.2 有限元分析過程

有限元的分析過程主要包括前處理、加載、后處理三個過程。首先要創(chuàng)建或讀入幾何模型，定義材料屬性，單元劃分。然后施加載荷并進(jìn)行求解［4－6］。最后查看結(jié)果（也稱“后處理”）。表1、表2是仿真過程中各項參數(shù)。對于邊界條件的設(shè)定，保證了人體上下位置的不變以及模杯邊界的穩(wěn)定性，如圖2所示。通過有限元分析方法對模杯試衣過程進(jìn)行模擬，模擬仿真出該模杯穿著之后的壓力分布效果。三維數(shù)字化人體與服裝的接觸問題是一種非線性行為，因此在建立接觸力學(xué)模型時，將人體和服裝均設(shè)置為可變形接觸體，并將接觸關(guān)系設(shè)置為變形體與變形體之間的接觸，建立接觸表確定二者之間的接觸特征，本文選用法向接觸的方式確定三維人體與服裝間的接觸，并假設(shè)接觸法向過盈配合參數(shù)為15%，使人體隨著時間推移在23s內(nèi)膨脹10%，以測試服裝與人體之間的壓力。

表1 人體參數(shù)設(shè)置

表2 文胸參數(shù)設(shè)置

3 試驗結(jié)論

通過有限元分析方法對人體穿著文胸后的壓力分布進(jìn)行了仿真。文胸和人體的接觸力學(xué)模型是在大應(yīng)變的仿真條件下，采用靜態(tài)壓力模擬的方法，對三維人體與文胸間的壓力進(jìn)行分析計算，模擬出文胸對人體胸部所施加的壓力以及人體胸部對文胸所產(chǎn)生的壓力。仿真結(jié)果從X、Y、Z三個方向給出壓力分布情況。通過計算機(jī)仿真方法對文胸的壓力舒適性進(jìn)行仿真，可以更好地為文胸產(chǎn)品的設(shè)計給出指導(dǎo)意見，進(jìn)而優(yōu)化該類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計，節(jié)省該類產(chǎn)品設(shè)計時間。圖3為文胸模杯在X、Y、Z三個方向的壓力分布云圖，圖示左側(cè)顏色帶為不同顏色所代表的壓力值，最上方的壓力值最大，往下依此減小。

圖2 邊界條件

為了更好地說明文胸在穿著過程中人體胸部的位移情況，在X、Y、Z三個方向各選取分析過程中三個相同的時間點，并做出人體胸部的位移變化，如圖4所示，圖示左側(cè)顏色帶為不同顏色所代表的位移值，最上方的位移值最大，往下依此減小。可以看出人體在穿著文胸過程中胸部有向上提升和向中心靠攏的趨勢。

圖3 文胸壓力分布的仿真結(jié)果

圖4 人胸部位移情況

4 結(jié)語

本文以三維數(shù)字化人體模型為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了模杯與人體的有限元接觸模型。通過仿真結(jié)果可以看出模杯整體受壓力情況明顯，模杯與胸部的貼合性較好。通過有限元分析方法對模杯試衣過程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬輸出的結(jié)果對模杯的合體性進(jìn)行評價，為文胸服裝的適體性和壓力舒適性提供了數(shù)字化評價方法。