夏 明,2,3 宋 婧,2,3 張 平 姜朝陽(yáng)

1. 東華大學(xué)服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 200051；2. 同濟(jì)大學(xué)上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院,上海 200092；3. 東華大學(xué)現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051

跑步運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)一定的肌肉損傷和疲勞。緊身運(yùn)動(dòng)裝備利用材料的彈性對(duì)人體軀干部位進(jìn)行束縛，達(dá)到保護(hù)肌肉并避免損傷的作用[1]?？墒侨梭w能承受的服裝壓力有一定限度，過(guò)大會(huì)使人體疲勞加劇，引起呼吸加快或血液循環(huán)障礙等生理不適[2]，過(guò)小則無(wú)法減緩肌肉酸痛或恢復(fù)體力。JAKEMAN等[3]通過(guò)增強(qiáng)式跳深訓(xùn)練試驗(yàn)得出，穿著壓力長(zhǎng)襪的受試者相比沒(méi)有穿著壓力長(zhǎng)襪的受試者，前者肌肉酸痛感有顯著改善。因此，對(duì)緊身運(yùn)動(dòng)裝備的服裝壓力進(jìn)行更精確的研究具有重要意義，其對(duì)跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲的量身定制有指導(dǎo)作用。

李紅等[4]介紹了循序遞減壓力襪的作用原理及應(yīng)用、生產(chǎn)工藝、壓力性能及測(cè)試方法等。倪海燕[5]基于下肢受壓迫時(shí)皮膚血流的變化，探討了壓迫對(duì)人體生理的影響，為緊身類服裝的開(kāi)發(fā)和研究提供了科學(xué)依據(jù)。YY/T 0853—2011《醫(yī)用靜脈曲張壓縮襪》提出，保健壓力襪的壓力值一般在1.06～2.66 kPa即8.0～20.0 mmHg，壓力沿著腿部由下向上遞減。李新陽(yáng)[6]采用非均勻有理B樣條函數(shù)建立了平針織物的線圈樣條函數(shù)模型，并較準(zhǔn)確地描述了壓力襪在線圈形態(tài)和長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)織物壓力分布的變化情況。歐亞[7]基于靜脈曲張襪的襪筒橫向尺寸和壓力值的分析，得到了送紗速度與橫向尺寸的函數(shù)關(guān)系，這對(duì)靜脈曲張襪的生產(chǎn)有指導(dǎo)作用。HONG等[8]利用智能人臺(tái)檢測(cè)穿著服裝時(shí)的壓力發(fā)現(xiàn)，各測(cè)試點(diǎn)的壓力明顯不同。此外，還有學(xué)者對(duì)面料在一定拉伸率條件下產(chǎn)生的服裝壓與拉伸力進(jìn)行了相關(guān)性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系[9]。候昀彤等[10]研究了女性大腿股動(dòng)脈止血點(diǎn)處橫截面的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)曲率越大的部位對(duì)應(yīng)的壓力值越大，這為醫(yī)用止血產(chǎn)品的研究提供了參考。

本文以人體工程學(xué)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)面料拉伸率和曲率的研究，建立腿部服裝壓力預(yù)測(cè)模型即圓筒狀壓力預(yù)測(cè)模型(簡(jiǎn)稱“圓筒模型”)，并驗(yàn)證了線性回歸方程的擬合程度，再通過(guò)三維人體掃描試驗(yàn)，研究人體腿部穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲前后的尺寸和截面形態(tài)的變化，分析影響圓筒模型壓力預(yù)測(cè)的因素。

1 圓筒模型的建立

1.1 面料的選擇與性能測(cè)試

1.1.1 面料的準(zhǔn)備與測(cè)試方法

選取市面上跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲使用較為普遍的針織面料用于壓力預(yù)測(cè)模型的建立。該針織面料由質(zhì)量分?jǐn)?shù)占80%的錦綸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)占20%的氨綸組成。利用INSTRON萬(wàn)能電子強(qiáng)力儀測(cè)定該針織面料的拉伸性能。根據(jù)FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法》，從距離布端1.5 m以上處裁剪出被測(cè)面料，接著采用等速拉伸法，測(cè)試面料的拉伸性能，儀器自動(dòng)記錄面料拉伸至斷裂時(shí)的載荷-位移曲線。

1.1.2 面料的測(cè)試結(jié)果與分析

基于該面料的載荷-位移曲線關(guān)系得出，該面料的橫向斷裂拉伸率可達(dá)到300%左右，適用于跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲的制作。接著對(duì)面料拉伸率在60%以內(nèi)的拉伸力與拉伸率進(jìn)行直線擬合(圖1)和回歸分析，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)拉伸率不超過(guò)60%時(shí)，面料的變形為彈性變形，面料在該拉伸率范圍內(nèi)產(chǎn)生的服裝壓力具有參考性。

圖1 拉伸力與拉伸率的直線擬合及回歸分析(拉伸率≤60%)

1.2 圓筒模型的建立

1.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與測(cè)試方法

選擇AMI3037號(hào)氣囊式壓力測(cè)試儀測(cè)量服裝壓力，研究圓筒模型曲率(半徑的倒數(shù))和面料拉伸率對(duì)服裝壓力的影響。

跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲的樣版設(shè)計(jì)主要針對(duì)腳踝周長(zhǎng)、小腿最大圍、膝圍、大腿最大圍等尺寸。本文對(duì)200名在校研究生的人體部位尺寸進(jìn)行了人工測(cè)量，得到在校研究生腳踝周長(zhǎng)、小腿最大圍、膝圍和大腿最大圍的平均值分別為20.5、 34.2、 35.5和52.0 cm。因此，本文選擇4個(gè)不同周長(zhǎng)(即20.5、 27.0、 35.5和48.0 cm)的光滑剛性圓筒模型用于壓力預(yù)測(cè)，高度均為20.0 cm，分別記作1#、 2#、 3#、 4#，其曲率依次減小。

試驗(yàn)設(shè)置了7個(gè)面料拉伸率值，分別為0%、 10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%。利用式(1)可計(jì)算出4個(gè)不同周長(zhǎng)圓筒模型預(yù)測(cè)壓力用的28塊面料緯向的原始長(zhǎng)度：

(1)

式中：ε——拉伸率，%；

L0——面料緯向的原始長(zhǎng)度，cm；

L1——面料緯向的拉伸后長(zhǎng)度，cm。

壓力值測(cè)試步驟：

(1) 根據(jù)計(jì)算得到的面料緯向的原始長(zhǎng)度，兩端再加放0.5 cm的縫份，使用繃縫機(jī)將面料縫制成高度均為15.0 cm圓筒試樣。

(2) 在距離圓筒模型底部7.5、 15.0 cm處各畫1條水平線。在距離圓筒試樣底部7.5 cm處畫1條水平線，再均勻地畫3條垂直線。

(3) 校準(zhǔn)儀器，將2個(gè)氣囊分別黏貼在距離圓筒模型底部7.5 cm水平線上的對(duì)稱部位(圖2)，記錄靜止時(shí)氣囊的壓力值。

(4) 為減少面料自身厚度對(duì)壓力值的影響，壓力測(cè)試時(shí)特將縫份放在外表面，測(cè)試并記錄壓力值。

每塊圓筒試樣及對(duì)應(yīng)的圓筒模型測(cè)試時(shí)，都需重復(fù)以上步驟。

圖2 氣囊使用示意

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1所示為28塊圓筒試樣測(cè)得的壓力值。

表1 28塊圓筒試樣測(cè)得的壓力值

由表1可知：當(dāng)曲率相同時(shí)，拉伸率越大，圓筒模型所受的壓力越大；當(dāng)拉伸率相同時(shí)，曲率越大，圓筒模型所受壓力越大；對(duì)于不同的曲率，拉伸率越小，圓筒模型所受壓力越接近?；诖丝梢耘卸?，壓力與曲率、拉伸率之間存在一定的相關(guān)性。

接著，利用SPSS軟件對(duì)Pearson簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)、Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)和Kendall相關(guān)系數(shù)進(jìn)行多元線性回歸分析。同時(shí)，為了消除解釋變量(即可控制變量或說(shuō)明變量)的個(gè)數(shù)對(duì)相關(guān)系數(shù)的影響，利用調(diào)整的判定系數(shù)即R2檢驗(yàn)線性回歸方程的擬合優(yōu)度，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的R2=0.912，說(shuō)明擬合效果較好。線性回歸方程為F=-0.70+4.34k+4.74ε，其中：F為服裝壓力，kPa；k為曲率，cm-1；ε為拉伸率。此外，從表2的線性回歸計(jì)算結(jié)果中可以看出，T檢驗(yàn)的顯著性水平均小于0.050，這表明線性回歸方程顯著。

表2 線性回歸計(jì)算結(jié)果

2 跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲穿著壓力測(cè)試

2.1 跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲的制作

使用Creaform HandySCAN 3D三維掃描儀，以身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)3名受試者(分別為偏瘦體1號(hào)、正常體2號(hào)和肥胖體3號(hào))進(jìn)行三維人體數(shù)據(jù)采集，再根據(jù)三維人體點(diǎn)云計(jì)算出主要部位的圍度和高度(表3)。

表3 3名受試者數(shù)據(jù)采集

跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲壓力值的設(shè)計(jì)參考知名壓縮褲品牌SKINS設(shè)計(jì)的梯度壓力值，腳踝處的壓力值在(2.57±0.47)kPa即(19.3±3.5)mmHg，腳踝處到腰部的壓力值依次逐級(jí)遞減。因此，本文將3位受試者腳踝處的壓力值設(shè)計(jì)為2.54 kPa即19.1 mmHg。3位受試者腿部主要部位的拉伸率設(shè)計(jì)如表4所示。在不考慮其他因素影響的前提下，根據(jù)拉伸率計(jì)算式及人體對(duì)應(yīng)部位的尺寸，計(jì)算出跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲的尺寸，從而得到3種體型的跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲樣板。最后利用繃縫機(jī)進(jìn)行壓縮褲的縫制。

表4 跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲主要部位拉伸率的設(shè)計(jì) (%)

2.2 壓力測(cè)試

2.2.1 測(cè)試過(guò)程

(1) 根據(jù)跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲樣版各部位的高度尺寸，在跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲對(duì)應(yīng)部位做好標(biāo)記，再用馬丁測(cè)量?jī)x在人體對(duì)應(yīng)部位(如腳踝處、小腿最大圍處等)做好標(biāo)記，并在這些圍度上均勻地標(biāo)記8個(gè)測(cè)量點(diǎn)。

(2) 對(duì)氣囊式壓力測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。考慮到氣囊本身厚度的影響，對(duì)各部位水平圍度一周的8個(gè)點(diǎn)分2次進(jìn)行測(cè)量，記錄靜止時(shí)氣囊的壓力值。

(3) 檢查穿著好跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲時(shí)，各部位的水平線是否與地面保持水平。

(4) 測(cè)試并記錄壓力值。

每條跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲和對(duì)應(yīng)受試者進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都需重復(fù)以上步驟。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)每個(gè)部位8個(gè)點(diǎn)的壓力值計(jì)算平均值即為實(shí)測(cè)值，其與對(duì)應(yīng)的壓力預(yù)測(cè)值一起歸納于表5中。

表5 3位受試者壓力預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值

(kPa)

從表5可以看出：小腿最大圍處、膝蓋處和大腿最大圍處壓力的預(yù)測(cè)值雖比實(shí)測(cè)值大，但整體上較接近，且壓力值都是從小腿最大圍處往大腿最大圍處逐漸遞減的，因此線性回歸方程可用于預(yù)測(cè)小腿最大圍處、膝蓋處和大腿最大圍處的壓力值；腳踝處壓力的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值差異較大，原因與腳踝處壓力影響因素較多有關(guān)。

3 圓筒模型壓力預(yù)測(cè)影響因素分析

3.1 腿部圍度尺寸數(shù)據(jù)分析

3.1.1 不同人體腿部圍度

偏瘦體1號(hào)和肥胖體3號(hào)穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲前后圍度的尺寸差值如圖3所示。在肥胖體3號(hào)膝蓋處、小腿最大圍處、腳踝處所受的壓力都小于偏瘦體1號(hào)的情況下，肥胖體3號(hào)的壓縮變形值基本大于偏瘦體1號(hào)。兩位受試者著裝前后，在大腿部(對(duì)應(yīng)的人體腿部截面高度為35.0～60.0 cm)的圍度尺寸差明顯大于其他部位，即脂肪含量越多，壓縮變形越明顯。偏瘦體1號(hào)和肥胖體3號(hào)著裝前后在腳踝處的圍度尺寸差基本為0.0 cm，即穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲后腳踝處沒(méi)有產(chǎn)生壓縮變形。

圖3 偏瘦體1號(hào)和肥胖體3號(hào)著裝前后腿部圍度尺寸差

3.1.2 不同跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲腿部圍度

正常體2號(hào)分別穿著高度相同、圍度尺寸不同的S、 M、 L碼跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲后進(jìn)行三維人體掃描，數(shù)據(jù)提取方法同偏瘦體1號(hào)和肥胖體3號(hào)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，穿著S、 M和L碼的跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲前后，正常體2號(hào)遵循壓力越大其圍度尺寸差越大，且脂肪含量越多的部位其圍度尺寸差越大的規(guī)律。

3.2 腿部圍度截面形狀分析

在腿部圍度尺寸提取的過(guò)程中可得到人體腿部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。以偏瘦體1號(hào)為例，將同一高度對(duì)應(yīng)圍度上的點(diǎn)整理后進(jìn)行截面圖形繪制，可得到如圖4所示的截面。

圖4 偏瘦體1號(hào)大腿最大圍處著裝前后截面形狀對(duì)比

穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲后，腿部形狀發(fā)生了變化，圍度尺寸減小。因人體本身在大腿最大圍處和小腿最大圍處的截面接近圓形，穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲后截面更趨向于圓形。因此，利用圓筒模型預(yù)測(cè)大腿最大圍處和小腿最大圍處的壓力，效果較好。

圖5所示為偏瘦體1號(hào)穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲前后膝蓋處的截面圖，由于膝蓋處的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，穿著跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲后線條變圓滑，原因與壓縮使部分脂肪產(chǎn)生了形變有關(guān)，也可能與后中和前中的曲線在人體上有一定的弧度，壓縮褲未能完全貼合人體從而造成穿著后的截面曲線趨于圓滑有關(guān)。比較膝蓋處的壓力預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值可以看出，圓筒模型的預(yù)測(cè)效果較好。

圖5 偏瘦體1號(hào)膝蓋處著裝前后截面形狀對(duì)比

3.3 腳踝處壓力預(yù)測(cè)影響因素

腳踝處的壓力值是在距離壓縮褲邊緣3.0 cm處測(cè)得的?，F(xiàn)將距離圓筒模型底部7.5 cm的氣囊移動(dòng)至距離圓筒模型底部3.0 cm處，測(cè)量壓力值。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在3.0 cm處測(cè)得的壓力值都小于7.5 cm處測(cè)得的壓力值，原因可能與測(cè)量部位距離褲子邊緣較近有關(guān)。腳踝處結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，脂肪少、骨骼多，后中的曲率較大，外側(cè)較平坦，且不同的站姿和不同的用力方式等都會(huì)對(duì)其壓力值造成影響，因此，采用腳踝處8個(gè)點(diǎn)的均值來(lái)表示該處的壓力實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值差異較大。

4 結(jié)論

通過(guò)研究服裝壓力與拉伸率、曲率的關(guān)系得到：

(1) 在跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲壓力預(yù)測(cè)用圓筒模型的建立過(guò)程中，當(dāng)拉伸率控制在0%～60%時(shí)，服裝壓力與拉伸率、曲率都呈正相關(guān)關(guān)系，并得出了它們?nèi)咧g的線性回歸方程F=-0.70+4.34k+4.74ε，其中F為服裝壓力(kPa)，k為曲率(cm-1)，ε為拉伸率。

(2) 通過(guò)測(cè)試跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲的穿著壓力，對(duì)比實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，圓筒模型可用于預(yù)測(cè)除腳踝處的其他腿部壓力。

(3) 利用三維人體掃描試驗(yàn)分析不同人體腿部圍度尺寸數(shù)據(jù)、穿著不同跑步運(yùn)動(dòng)壓縮褲后腿部圍度尺寸數(shù)據(jù)，以及腿部圍度截面形狀、腳踝處壓力預(yù)測(cè)影響因素得出，脂肪含量相同時(shí)，壓力值越大則產(chǎn)生的壓縮變形越大；壓力值相同時(shí)，脂肪含量越多的部位產(chǎn)生的變形越大。