梁 宇,李 慧

(北京服裝學(xué)院 信息工程學(xué)院,北京 100029)

隨著人們生活水平的不斷提高,服裝的壓力舒適性也開始備受關(guān)注。關(guān)于服裝壓力舒適性的研究主要分為真實服裝壓力和虛擬服裝壓力2類, 目前關(guān)于真實和虛擬的服裝壓力研究,主要集中在文胸、瑜伽服、束縛帶、襪子等貼身衣物上,研究的人體部位主要集中在胸、腰、臀、腿等,雖然有一定的研究成果,但在服裝行業(yè),服裝設(shè)計依然主要依賴于設(shè)計師的實踐經(jīng)驗和大量的試錯。通過仿真研究建立可靠的物理模型,可以對服裝壓力進行仿真預(yù)測。推進服裝壓力仿真研究,可以減少服裝設(shè)計中不必要的試錯,很大程度避免一些危害人體健康的試驗。

1 真實服裝壓力研究現(xiàn)狀

縱觀前人成果,服裝壓力舒適性的研究涉及力學(xué)、人體工學(xué)、紡織材料學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。關(guān)于單方面的生理研究在日本和一些歐美國已經(jīng)有比較豐碩的成果,真實服裝壓力研究主要包括服裝壓力分布研究、服裝壓力舒適閾值研究及服裝壓力舒適性的影響因素研究。真實服裝壓力研究是虛擬服裝壓力研究的基礎(chǔ)。

1.1 服裝壓力分布研究現(xiàn)狀

1991年,MAKAB[1-2]對人體穿著文胸后多個部位服裝壓力進行測量及分析,找出8個舒適性不佳的部位。Shi mizu等[3]對文胸的壓力分布進行了研究,比較在靜態(tài)和動態(tài)下人體8個部位的壓力。研究發(fā)現(xiàn),在運動和靜止?fàn)顟B(tài)下,人體最大受壓點略有不同,并且同一個部位的壓力值在運動狀態(tài)下要大于該部位在靜止?fàn)顟B(tài)的壓力值[4]。李世霞[5]研究發(fā)現(xiàn)文胸對人體壓力較大的部位為鋼托、肩部、側(cè)縫和后側(cè)等。

1.2 服裝壓力舒適閾值研究現(xiàn)狀

由于人體曲率的改變會影響到各部位的壓力值[6-7],不同體型、不同運動狀態(tài)下人體的各部位受壓情況也存在著較大差異。Denton[8]主要對令人體感覺舒適性不佳的服裝壓力進行研究,研究發(fā)現(xiàn)令人感覺舒適度不佳的范圍為5.88～9.8 k Pa,與人體皮表毛細(xì)血管壓力平均值7.85 k Pa相吻合。當(dāng)服裝壓力超過皮表毛細(xì)血管壓力臨界值時,血液被迫流向人體穿戴壓力較小的身體部位,一般為腿部等較低部位,從而造成這些部位腫脹[9]。劉紅[10]主要對女性穿著運動背心時胸部的服裝壓力進行測量與分析研究,得到胸部的壓力舒適范圍為0.95～1.36 k Pa,背部為0.59～0.9 k Pa,肩部為1.135～1.64 k Pa,側(cè)縫處為0.48～0.73 k Pa,腹部為0.29～0.43 k Pa。岑司竹[11]結(jié)合血流量和運動心率方面的理論知識,對女性穿著文胸時胸部的服裝壓力進行測量與分析,研究發(fā)現(xiàn)側(cè)頸點服裝舒適壓力范圍為4.15～5.67 k Pa,后背肩胛骨提肌點為3.23～4.48 k Pa,BP點為2.56～3.97 k Pa,乳房側(cè)下點為2.02～3.33 k Pa,乳房下緣點為1.69～2.74k Pa,側(cè)中點為1.63～2.18 k Pa,下胸圍上側(cè)縫到脊椎1/4點為3.98～4.79 k Pa,下胸圍上脊椎與側(cè)縫的中點為4.04～4.91 k Pa。張文斌等[12]發(fā)現(xiàn)在穿戴不同款式服裝的時候,壓力舒適性范圍存在不同,在對部分服裝款式的壓力舒適性范圍開展研究后得到泳衣壓力舒適范圍為0.98～1.96 k Pa,緊身胸衣舒適范圍為2.94～4.90 k Pa,醫(yī)用長襪舒適范圍為2.94～5.88k Pa,緊身服舒適范圍為小于1.96 k Pa。王永榮等[13]選取女性上身8處測試點,利用束帶對舒適服裝壓力閾值進行研究,肩部、胸部、腹部3個部位測得的壓力舒適閾限分別為1.7、0.98、1.34 k Pa,小于以往學(xué)者測得的閾限。圖1為近年來學(xué)者研究著衣后不同人體部位舒適服裝壓力平均值。

圖1 不同人體部位舒適服裝壓力平均值

2 虛擬服裝壓力研究現(xiàn)狀

2.1 有限元理論

有限元法[14-17](Finite Ele ment Method,簡稱FEM),起源于航空工程中的矩陣分析,此算法的本質(zhì)是一種求解偏微分方程的算法。其中,偏微分方程通常被用于求解時空相關(guān)問題的物理過程。絕大多數(shù)情況下,這些偏微分方程的解可能無法求出。不過,可以通過對所需求解域進行離散化構(gòu)造近似的方程,來獲取與偏微分方程類似的數(shù)值模型方程,并通過數(shù)值方法進行求解。由此得到的解便稱作近似解,與偏微分方程真實解相對應(yīng),有限元法的主要工作便是求解這些近似解。

網(wǎng)格劃分越稠密時,求得近似解越貼近真實解。有限單元算法的核心內(nèi)容是通過離散化分解,將復(fù)雜的求解域模型剖分成有限個細(xì)小單元拼合而成的結(jié)構(gòu)。計算機通過對每個單元的力學(xué)特性進行分析,將剖分好的單元在有限元算法的規(guī)則下,拼接為一個整體,通過計算得到所需求解模型的力學(xué)特性。有限元算法的主要研究對象是單元,在進行網(wǎng)格劃分時最需要注意的一個問題是相鄰單元的參數(shù)要求具有一定的連續(xù)性。

2.2 虛擬服裝壓力的有限元求解過程

根據(jù)前人研究,織物的多種性能對服裝壓力都會產(chǎn)生一定影響[18-20],但對人體下胸圍受壓的應(yīng)力應(yīng)變分析中,需將復(fù)雜的實際情況抽象為相對簡單的力學(xué)模型,否則問題將會變得極其復(fù)雜難以處理,采用有限元法計算出相對準(zhǔn)確可靠的結(jié)果,步驟如下。

步驟1:合理的網(wǎng)格剖分,對該模型待求解區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,將整個區(qū)域分割成若干離散的單元。對于模型在各方向梯度下的離散化公式如式(1)和(2)所示。

步驟2:單元分析,將每個連接在一起的單元節(jié)點作為插值點,進行分片插值,建立線性插值函數(shù)。設(shè)人體應(yīng)力為S,應(yīng)變?yōu)椤?模型各方向應(yīng)力求解偏微分方程為:

模型各方向應(yīng)變求解偏微分方程為:

式中:u是人體受應(yīng)力后的位移。

步驟3:求解近似變分方程,輸出近似解求解結(jié)果。

2.3 服裝壓力分布的有限元預(yù)測模型

21世紀(jì)初,便有學(xué)者將有限元理論的仿真研究應(yīng)用在服裝壓力舒適性領(lǐng)域中,取得了一定的成果,近幾年由于仿真技術(shù)的發(fā)展,對虛擬服裝壓力的仿真研究也更進一步。

Yeung K W 等[21]結(jié)合彈性力學(xué)理論和三維建模技術(shù),建立了人體及服裝動態(tài)平衡三維力學(xué)模型,其中人體模型由硬骨頭、皮膚和軟組織3層構(gòu)成,人體在動態(tài)情況下服裝壓力分布可由該數(shù)學(xué)模型模擬出來,Yeung K W 通過該模型得到了穿著緊身褲時從腳踝到腰部的壓力分布。李毅等[22]基于織物力學(xué)特性分析人與服裝動態(tài)接觸過程中的力學(xué)分布,研發(fā)出服裝機械力學(xué)系統(tǒng)來進行服裝壓力預(yù)測。覃蕊等[23]運用有限元方法來模擬男短襪襪口對小腿部施壓后壓力與位移的關(guān)系。在研究中,人體被視為彈性體,腿部和襪口之間的接觸被視為彈性接觸。朱珊[24]通過有限元法對人體腰部所受服裝壓力做了分析研究,在ANSYS 軟件中對人體腰部的應(yīng)力分析進行了仿真研究。Zhang M 等[25]通過位移分布評價壓力舒適度,利用有限元法和曲線擬合探索小腿橫截面上壓力與位移的多重關(guān)系。

2019年Dan R 等[26]以連褲襪腰部為研究對象,構(gòu)建人體與連褲襪的接觸為彈力接觸,用ANSYS 模擬了彈力連褲襪樣品在穿衣過程中腰部相應(yīng)的位移分布。2021年Dan R 等[27]通過有限元模擬曲線擬合,深入研究人體穿著彈性連褲襪在運動狀態(tài)下,壓力/位移比與角度之間的函數(shù)關(guān)系。Shichen Zhang 等[28]在ANSYS中通過有限元模型的全因子分析,評價了不同設(shè)計特征對文胸肩帶的影響。得出拉伸對文胸肩帶運動位移影響最大,對楊氏模量影響最小的結(jié)論。

2.4 有限元軟件

基于不同應(yīng)用領(lǐng)域,目前常見的有限元軟件有COMSOL Multiphysics、ANSYS、L USAS、Al gor、MSC Nastran、ABAQUS、Hyper mesh、L MS-Sam tech、Fe map/NX Nastran和FEPG 等軟件。ANSYS是目前最流行的有限元軟件[29],其最大特征是可以根據(jù)具體需求選擇是否使用有限元法,但在幾何建模方面存在不足。它通過代碼對幾何進行建模,這使得所建模型不夠準(zhǔn)確,并且在求解所用公式的修改方面極為不便。而上述ANSYS的不足之處,在COMSOL中都可以得到很好的解決,在COMSOL 中僅使用有限元法,它本身具有開發(fā)幾何研究的界面。COMSOL 多物理仿真模擬也為研究復(fù)雜問題提供了極強的解決方案。在實際情況中,通過物理過程描述的現(xiàn)象并不是一個簡單的在一個物理場下的問題。例如:考慮影響服裝壓的環(huán)境因素,當(dāng)人體處在溫度變化的條件下,在求解時便需要進行固體力學(xué)模型和傳熱模型耦合。圖2為在COMSOL中模擬人體下胸圍側(cè)中點受壓后,該點周圍的壓力分布,圖3 為根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)在MATLAB中繪制人體下胸圍側(cè)中點加載后應(yīng)力分布三維圖。

圖2 在一點上加載后模型的應(yīng)力分布

圖3 人體最大受壓點加載后應(yīng)力分布

3 結(jié)束語

近幾年關(guān)于真實和虛擬服裝壓力的研究雖然有了一定的成果,仍存在著不足。

(1)真實服裝壓力測量方面?，F(xiàn)有研究中對關(guān)于真實的壓力測量研究主要還是靜態(tài)壓力,由于測試壓力設(shè)備的局限,對運動狀態(tài)下服裝壓力的研究還沒有普遍開展。

(2)服裝壓力仿真方面。早期關(guān)于虛擬壓力的仿真研究普遍存在著模擬的運動過程單一、預(yù)測的壓力分布誤差較大等問題。近年來,由于三維掃描技術(shù)的發(fā)展,在建模精度方面有了一定的提高,但是大部分學(xué)者多是在ANSYS、ABAQUS及CLO 中進行一些虛擬服裝壓力的研究,目前為止很少有人通過COMSOL對服裝壓力進行仿真研究,對多物理場耦合仿真也很少涉足。由于人體體型復(fù)雜,人體的內(nèi)部生理環(huán)境是一個極為復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),所以現(xiàn)有的仿真研究大都將人體看作剛體來建模,仿真結(jié)果也會與真實服裝壓力存在較大誤差。

如今服裝行業(yè)競爭越來越激烈,服裝是否有“黑科技”、是否有足夠的專業(yè)理論支撐也是相當(dāng)一部分消費者在購買服裝時重點考慮的因素,推進仿真研究,為服裝產(chǎn)品提供可靠的理論依據(jù),可以大大減少產(chǎn)品研發(fā)中人力資源成本。在以后的研究中還需運用科學(xué)手段獲取運動狀態(tài)下的服裝壓力,提高建模的精確性、準(zhǔn)確性和完整性,對人體與服裝的關(guān)系進行深入研究。