肖 平， 張昭華， 周 瑩， 劉佳鍇， 唐顥源

(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 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； 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

服裝具有保護(hù)人體免受外界傷害以及保持舒適的著裝微環(huán)境的功能，而服裝與人體皮膚表面之間的空氣層是影響服裝舒適性的直接因素[1-2]。一些極端環(huán)境下的工作人員如交警、高空擦窗員和空調(diào)維修員等，由于上肢活動(dòng)頻繁使得衣下空間發(fā)生改變，從而影響了服裝的熱濕傳遞[3-4]。以往對(duì)防護(hù)服舒適性、防護(hù)性以及功效性的評(píng)估及研究大多數(shù)基于人體的站立姿態(tài)，不符合實(shí)際工作狀態(tài)[5-7]，因此，為保證各種條件下服裝對(duì)人體的防護(hù)，人體姿勢(shì)對(duì)于服裝的活動(dòng)工效與熱濕舒適工效的影響需要進(jìn)一步深入研究。

目前已有很多學(xué)者對(duì)衣下空氣層進(jìn)行了研究。于淼等[4]通過(guò)掃描獲得相同款式不同面料性能的服裝空氣層體積發(fā)現(xiàn)，空氣層體積與面料經(jīng)向密度及懸垂度顯著相關(guān)。Agnes等[8]采用三維掃描的方法定量評(píng)估了衣下間隙的厚度及服裝與人體表面的接觸面積發(fā)現(xiàn)，衣下空間的分布與服裝的寬松程度以及人體體型的凹凸性緊密相關(guān)；Joanna等[9]通過(guò)量化不同含水量服裝的衣下空間發(fā)現(xiàn)，織物含水量一定程度上影響了衣下空間的分布；Emel等[10]研究發(fā)現(xiàn)，人體動(dòng)作對(duì)衣下空間的分布有顯著影響。由此可見(jiàn)，衣下空間的物理性狀受面料性能、服裝款式、服裝含濕量、人體動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)等因素的綜合作用?，F(xiàn)階段關(guān)于空氣層的研究大都局限于站立姿態(tài)，而在實(shí)際工作狀態(tài)下，人體活動(dòng)導(dǎo)致衣下空間改變[11-12]，隨之影響服裝的熱濕舒適性，因此，還需進(jìn)一步研究討論有關(guān)人體姿勢(shì)與衣下空間分布，及其與人體散熱、散濕性能之間的關(guān)系。

本文通過(guò)三維掃描及后處理的方法，分析了不同上肢動(dòng)作對(duì)衣下間隙體積以及接觸面積的影響。采用Newton暖體假人測(cè)試法，分析上肢動(dòng)作對(duì)局部熱傳遞的影響，為功能防護(hù)服裝的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考，還可為建立著裝人體工作姿勢(shì)下的熱濕傳遞模型提供數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

1.1.1 三維掃描儀

采用HandyScan700型手持式三維激光掃描儀(加拿大Creaform公司)獲取假人裸體及著裝的三維數(shù)據(jù)。掃描精度為0.03 mm，分辨率為0.05 mm，通過(guò)掃描對(duì)象的反光點(diǎn)得到掃描對(duì)象的特征及數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確地獲取三維模型。

1.1.2 出汗暖體假人

采用出汗暖體假人Newton測(cè)試服裝的熱阻，該假人可模擬人體皮膚溫度及出汗，共分為34個(gè)體段(見(jiàn)圖1)，每個(gè)體段都可獨(dú)立控制，從而得到各體段的局部熱阻及全身總熱阻。

為分析假人手臂動(dòng)作對(duì)相關(guān)體段衣下間隙分布的影響，實(shí)驗(yàn)提取了假人分區(qū)圖中上半身共12個(gè)體段進(jìn)行局部數(shù)據(jù)提取與分析，結(jié)果如表1所示。

1.1.3 手臂支架

為確保每組實(shí)驗(yàn)中手臂前伸角度的一致性，采用自制的手臂支架固定假人手臂(見(jiàn)圖2)。U形管安裝在支架上，假人手臂固定在U形管上，通過(guò)調(diào)整螺母松緊可自由調(diào)節(jié)U形管的高度。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用IP54型電子角度尺(伊萊科公司)測(cè)量手臂前伸角度，并用膠帶記錄支架底座及U形管的位置，確保每次實(shí)驗(yàn)中假人手臂姿勢(shì)的一致性。

圖1 Newton出汗假人體段分區(qū)圖Fig.1 Segmentation map of Newton sweating manikin.(a) Front view; (b) Back view

表1 實(shí)驗(yàn)選取的假人12個(gè)體段名稱Tab.1 Experimental name of 12 segments of manikin

圖2 手臂支架Fig.2 Holder of arms

1.1.4 實(shí)驗(yàn)服裝及裝備

實(shí)驗(yàn)參考交通警察的指揮動(dòng)作，選用滌/棉交織的交警制服，其款式如圖3所示。服裝面料的厚度為0.33 mm，面密度為144.9 g/m2，經(jīng)緯密度分別為73、53根/cm，透氣率為616.51 mm/s，熱阻為 0.129 clo。為模擬交警的真實(shí)工作狀態(tài)，腰間佩戴了裝有手電筒、警棍、對(duì)講機(jī)等工具的執(zhí)勤腰帶，總質(zhì)量約為3.5 kg。服裝各部位的規(guī)格尺寸如表2所示。

圖3 服裝款式圖Fig.3 Sketch drawing of experimental garment.(a) Front view; (b) Back view

表2 服裝規(guī)格尺寸Tab.2 Specifications of garment

1.2 手臂動(dòng)作

實(shí)驗(yàn)參考交警的指揮動(dòng)作，并結(jié)合假人的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，設(shè)計(jì)了6組手臂的前伸動(dòng)作，如表3所示。表中：M0為參照姿勢(shì)，假人雙臂自然下垂；動(dòng)作M1～M3為左臂不動(dòng)，右臂每次在矢狀面抬高45°；M4～M5為在右臂保持135°的前提下，左臂依次上抬45°。

表3 手臂前伸動(dòng)作Tab.3 Protraction angles of arms

1.3 測(cè)量與計(jì)算

1.3.1 衣下間隙體積

為得到假人體表與服裝之間的衣下間隙體積，分別掃描假人裸體及穿著交警制服后的三維模型，并應(yīng)用逆向工程軟件(Geomagic Quality 2017)進(jìn)行降噪、填充孔、對(duì)齊等處理，分別得到裸體及著裝假人的體積，則衣下間隙體積可根據(jù)下式計(jì)算：

Vair=Vclo-Vnake

式中：Vair為衣下間隙體積，cm3；Vclo為穿著服裝后的假人體積，cm3；Vnake為裸體假人的體積，cm3。

1.3.2 接觸面積百分比

服裝與皮膚之間的接觸面積百分比越大，服裝與人體之間的接觸程度越高。假設(shè)衣下間隙厚度在2 mm以內(nèi)表示服裝與皮膚相接觸，則應(yīng)用Geomagic 軟件的對(duì)齊與三維比較功能，可計(jì)算得到衣下間隙厚度小于2 mm的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)占人體全身數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)的百分比為

式中：Acon為接觸面積百分比，%；i為衣下間隙厚度小于2 mm的數(shù)據(jù)點(diǎn)；N為假人掃描得到的全身三維數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

1.3.3 服裝熱阻

根據(jù)ASTM F1291—1999《利用暖體假人測(cè)試服裝熱阻的標(biāo)準(zhǔn)方法》，各體段的局部熱阻計(jì)算如下式所示：

式中：It為體段的局部熱阻，clo；Ts為體段平均溫度，℃；Ta為周圍環(huán)境溫度，℃；Q/A為面積加權(quán)熱通量，W/m2；K為單位常數(shù)，取6.45 clo。

各體段的有效熱阻根據(jù)下式計(jì)算得出：

Icl=It-Ia

式中：Icl為體段的有效熱阻值，clo；Ia為測(cè)量假人裸體所得的邊界空氣層熱阻，clo。

1.4 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)在人工氣候艙內(nèi)進(jìn)行，溫度控制在(20±0.5) ℃，相對(duì)濕度為(50±5)%，風(fēng)速為(1±0.1) m/s。三維掃描前需在假人及服裝表面貼置反光點(diǎn)，間隔2～10 cm，為保證衣下空間形態(tài)不發(fā)生改變，在一組動(dòng)作的掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，隨即進(jìn)行該動(dòng)作的熱阻測(cè)試。采用恒皮溫法，假人各體段的皮膚溫度均設(shè)定為(34±0.2) ℃。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)隨機(jī)選擇一種動(dòng)作，應(yīng)用角度儀確定手臂抬起角度，并用支架固定假人手臂。隨后用手持式三維掃描儀進(jìn)行裸體掃描，掃描完成后，不改變手臂姿勢(shì)，立刻進(jìn)行裸體熱阻測(cè)試，暖體假人熱阻測(cè)試重復(fù)3次以避免隨機(jī)誤差。

2)著裝假人的三維掃描。給假人穿上制服并佩戴好腰帶，按裸體掃描所確定的標(biāo)記位置固定假人手臂，隨后進(jìn)行三維掃描獲取著裝狀態(tài)下的假人模型。掃描完成后，不改變手臂姿勢(shì)，立刻進(jìn)行著裝熱阻測(cè)試，并重復(fù)3次熱阻測(cè)試。

3)更換假人動(dòng)作，重復(fù)上述步驟完成其余動(dòng)作的三維掃描和熱阻測(cè)試。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。單因素方差分析和相關(guān)性分析用于確定手臂活動(dòng)角度與局部衣下空氣層體積、接觸面積和熱阻的相關(guān)性，當(dāng)顯著性水平p< 0.5時(shí)表明顯著相關(guān)。一元線性回歸分析用于確定局部衣下空氣層體積與熱阻以及接觸面積與熱阻的線性關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 衣下間隙體積分析

各體段在5種手臂動(dòng)作下的衣下間隙體積如圖4 所示?？煽闯?，腹部(ST)與中后背(MB)的空氣層體積最大，上后背(UB)的空氣層體積最小，這主要與體表的肌肉凹凸形態(tài)有關(guān)。當(dāng)右臂從0°抬高到135°(M0～M3)時(shí)，右臂各區(qū)段的衣下間隙體積逐漸減少，而左臂的上抬動(dòng)作(M4～M5)對(duì)右臂的衣下間隙體積影響不大。類似地，右臂的上抬角度對(duì)左臂各區(qū)段的衣下間隙體積影響不大，說(shuō)明手臂動(dòng)作的單側(cè)影響特征。隨著手臂動(dòng)作從M0變化到M5，上后背(UB)與上中背(MB)的衣下間隙逐漸減少，而胸部(UC)與腹部(ST)的衣下間隙體積增加，由于實(shí)驗(yàn)中手臂為矢狀面的向前運(yùn)動(dòng)，使服裝整體向前拉扯，后背部的衣下間隙體積被壓縮。

單因素方差分析的結(jié)果表明，手臂前伸角度對(duì)衣下間隙體積有顯著性影響(F(1.8, 19.7)=8.3;p=0.003)。各體段的衣下間隙體積與手臂動(dòng)作的相關(guān)系數(shù)如表4所示。其中：左前小臂(LFF)與胸部(UC)的衣下間隙體積與手臂動(dòng)作間未發(fā)現(xiàn)顯著的相關(guān)性；腹部(ST)呈顯著的正相關(guān)，說(shuō)明隨著手臂運(yùn)動(dòng)角度的增加，腹部的衣下間隙體積增大；其他體段均呈顯著的負(fù)相關(guān)性，說(shuō)明隨著手臂運(yùn)動(dòng)角度的增加，衣下間隙體積減少。

表4 衣下間隙體積與手臂動(dòng)作的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of air gap volume and arm motion

注：**p<0.01時(shí)顯著相關(guān)；*p<0.05時(shí)顯著相關(guān)。

2.2 接觸面積百分比分析

各體段在5種手臂動(dòng)作下的接觸面積百分比如圖5所示。可看出，上后背(UB)與胸部(UC)的服裝與人體接觸面積最大，這2個(gè)體段也是人體胸肌與肩胛骨的隆起區(qū)域，對(duì)服裝起支撐作用?？傮w上看，手臂各區(qū)段的前部比后部的接觸面積都要大(如RUAF>RUAB)，這與手臂的向前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有關(guān)。與衣下間隙體積的結(jié)果類似，手臂動(dòng)作呈單側(cè)影響特征，即右臂從0°抬高到135°時(shí)，右臂各區(qū)段的接觸面積隨之增加，而對(duì)左臂的接觸面積無(wú)影響。隨著手臂動(dòng)作從M0變化到M5，除胸部(UC)與腹部(ST)的接觸面積由于手臂向前運(yùn)動(dòng)而減少外，其余各體段的接觸面積均隨著手臂前伸角度的增加而增大，特別是上后背(UB)與中后背(MB)區(qū)域。

圖5 各體段的接觸面積百分比Fig.5 Contacting area proportion of body segments

進(jìn)一步應(yīng)用單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，手臂前伸角度對(duì)服裝接觸面積百分比有顯著性影響 (F(1.9, 20.7)=8.83;p=0.002)。各體段的接觸面積百分比與手臂動(dòng)作的相關(guān)系數(shù)如表5所示。其中：腹部(ST)與胸部(UC)的相關(guān)系數(shù)為負(fù)，但并不顯著，說(shuō)明手臂的前伸運(yùn)動(dòng)減小了軀干前部的接觸面積；上后背(UB)與中后背(MB)的接觸面積百分比與手臂動(dòng)作呈強(qiáng)正相關(guān)性(p< 0.01)，而RUAF, RUAB, LUAF, LUAB 和LFB幾個(gè)體段也呈正相關(guān)關(guān)系(p< 0.05)，說(shuō)明隨著手臂前伸角度的增加，這些體段的服裝與皮膚之間的接觸面積也隨之增大。

表5 接觸面積百分比與手臂動(dòng)作的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficient of contacting area and arm motion

注：**p<0.01時(shí)顯著相關(guān)；*p< 0.05時(shí)顯著相關(guān)。

2.3 衣下活動(dòng)空間分析

由上述分析可知，手臂活動(dòng)具有單側(cè)影響特征，右臂的運(yùn)動(dòng)主要影響人體右側(cè)的衣下間隙分布，隨著手臂運(yùn)動(dòng)角度的增加，衣下間隙體積減少，而接觸面積百分比增加，因此定義人體的活動(dòng)空間為

服裝與人體皮膚之間的活動(dòng)空間與衣下間隙體積成正比，與接觸面積成反比。對(duì)涉及右臂動(dòng)作的M0～M3進(jìn)行回歸分析，得到右臂前伸角度(0°～135°)對(duì)人體局部體段活動(dòng)空間的影響，結(jié)果如下。

右前上臂(RUAF)：

Sb=13.5-0.05Ab(R2=0.989,p=0.005)

右后上臂(RUAB)：

Sb=15.76-0.046Ab(R2=0.967,p=0.017)

右前小臂(RFF)：

Sb=9.46-0.04Ab(R2=0.944,p=0.029)

右后小臂(RFB)：

Sb=12.02-0.046Ab(R2=0.941,p=0.03)

上后背(UB)：

Sb=3.56-0.008Ab(R2=0.95,p=0.025)

式中：Sb為衣下活動(dòng)空間，cm3；Ab為手臂前伸角度(°)。模型適用于現(xiàn)役交警制式襯衣(見(jiàn)圖3)衣下活動(dòng)空間的預(yù)測(cè)。

上述體段的活動(dòng)空間隨著手臂前伸角度的增加而顯著減少，其他體段未發(fā)現(xiàn)顯著性變化?？傮w上，上后背的活動(dòng)空間最小，在服裝設(shè)計(jì)中可考慮增加背部褶裥或采用彈性面料的方法，以滿足手臂的向前運(yùn)動(dòng)。

2.4 服裝各體段局部熱阻分析

各體段在5種手臂動(dòng)作下的局部有效熱阻如圖6 所示?？煽闯?，手臂動(dòng)作對(duì)各體段的局部有效熱阻均有影響，呈現(xiàn)出非均勻的分布狀態(tài)。上后背(UB)的衣下空氣層體積小，接觸面積大，因此熱阻值最小，而腹部(ST)的衣下空氣層體積大，接觸面積小，因此熱阻值最大。相關(guān)分析結(jié)果表明，RUAF, LUAF, RUAB和UB幾個(gè)體段的局部熱阻與手臂活動(dòng)角度間呈顯著的負(fù)相關(guān)性(p< 0.05)，說(shuō)明隨著手臂運(yùn)動(dòng)角度的增加，局部熱阻減小。胸部(UC)與熱阻間呈顯著的正相關(guān)性(p< 0.05)，由于手臂前伸運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致胸部的活動(dòng)空間增加，因此胸部的局部熱阻也隨之增加。

圖6 各體段的有效熱阻值Fig.6 Thermal insulation of body segments

Mert等[6]的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有褶皺織物的散熱量大于等效均勻空氣層的散熱量，這是因?yàn)轳薨櫟墓葏^(qū)接觸或接近人體表面，導(dǎo)致散熱量增加?？梢?jiàn)，衣下間隙體積及接觸面積共同影響服裝的隔熱性能。應(yīng)用多元逐步回歸分析，以衣下間隙體積與接觸面積百分比為輸入?yún)?shù)，以局部有效熱阻為輸出參數(shù)，得到的預(yù)測(cè)方程如下(R2=0.62,p< 0.001)：

It=0.297+0.001Vair-0.003Acon

可見(jiàn)，衣下空氣層體積越大，接觸面積越小的服裝，其有效熱阻越大。

3 結(jié) 論

應(yīng)用三維掃描儀探測(cè)局部衣下間隙分布，為研究人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)對(duì)服裝衣下間隙分布特征提供了一種可行的方法。本文基于該方法，分析了特定作業(yè)動(dòng)作對(duì)服裝活動(dòng)空間及隔熱性能的影響，得出了以下結(jié)論：

1)手臂的運(yùn)動(dòng)方向影響衣下局部間隙分布，隨著手臂前伸角度的增大，軀干前部體段的衣下間隙體積增大，接觸面積減??；手臂各區(qū)段前部的接觸面積均大于手臂后部，而衣下間隙體積小于手臂后部。

2)手臂前伸角度顯著影響衣下間隙體積及接觸面積。除軀干前部體段外，手臂前伸角度與接觸面積呈正相關(guān)性，而與衣下間隙體積呈負(fù)相關(guān)性。

3)服裝與人體皮膚之間的活動(dòng)空間可用衣下間隙體積與接觸面積之比表征，且右臂各體段的活動(dòng)空間隨著右臂前伸角度的增加而顯著減少(p< 0.05)。

4)局部有效熱阻可用衣下間隙體積與接觸面積百分比來(lái)預(yù)測(cè)(R2=0.62,p< 0.001)，而衣下間隙體積與接觸面積受到服裝款式及人體活動(dòng)姿勢(shì)的共同影響。

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