服裝壓力舒適性仿真研究進展

梁 宇,李 慧

(北京服裝學院 信息工程學院,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注。關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,服裝設計依然主要依賴于設計師的實踐經驗和大量的試錯。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測。推進服裝壓力仿真研究,可以減少服裝設計中不必要的試錯,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狀

縱觀前人成果,服裝壓力舒適性的研究涉及力學、人體工學、紡織材料學等學科領域。關于單方面的生理研究在日本和一些歐美國已經有比較豐碩的成果,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。

1.1 服裝壓力分布研究現狀

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,比較在靜態和動態下人體8個部位的壓力。研究發現,在運動和靜止狀態下,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下要大于該部位在靜止狀態的壓力值[4]。李世霞[5]研究發現文胸對人體壓力較大的部位為鋼托、肩部、側縫和后側等。

1.2 服裝壓力舒適閾值研究現狀

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,研究發現令人感覺舒適度不佳的范圍為5.88～9.8 k Pa,與人體皮表毛細血管壓力平均值7.85 k Pa相吻合。當服裝壓力超過皮表毛細血管壓力臨界值時,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,側縫處為0.48～0.73 k Pa,腹部為0.29～0.43 k Pa。岑司竹[11]結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,研究發現側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,乳房側下點為2.02～3.33 k Pa,乳房下緣點為1.69～2.74k Pa,側中點為1.63～2.18 k Pa,下胸圍上側縫到脊椎1/4點為3.98～4.79 k Pa,下胸圍上脊椎與側縫的中點為4.04～4.91 k Pa。張文斌等[12]發現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,小于以往學者測得的閾限。圖1為近年來學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問題的物理過程。絕大多數情況下,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造近似的方程,來獲取與偏微分方程類似的數值模型方程,并通過數值方法進行求解。由此得到的解便稱作近似解,與偏微分方程真實解相對應,有限元法的主要工作便是求解這些近似解。

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

2.2 虛擬服裝壓力的有限元求解過程

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

步驟1:合理的網格剖分,對該模型待求解區域進行網格劃分,將整個區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點作為插值點,進行分片插值,建立線性插值函數。設人體應力為S,應變為∈,模型各方向應力求解偏微分方程為:

模型各方向應變求解偏微分方程為:

式中:u是人體受應力后的位移。

步驟3:求解近似變分方程,輸出近似解求解結果。

2.3 服裝壓力分布的有限元預測模型

21世紀初,便有學者將有限元理論的仿真研究應用在服裝壓力舒適性領域中,取得了一定的成果,近幾年由于仿真技術的發展,對虛擬服裝壓力的仿真研究也更進一步。

Yeung K W 等[21]結合彈性力學理論和三維建模技術,建立了人體及服裝動態平衡三維力學模型,其中人體模型由硬骨頭、皮膚和軟組織3層構成,人體在動態情況下服裝壓力分布可由該數學模型模擬出來,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]基于織物力學特性分析人與服裝動態接觸過程中的力學分布,研發出服裝機械力學系統來進行服裝壓力預測。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系。

2019年Dan R 等[26]以連褲襪腰部為研究對象,構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下,壓力/位移比與角度之間的函數關系。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論。

2.4 有限元軟件

基于不同應用領域,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,它本身具有開發幾何研究的界面。COMSOL 多物理仿真模擬也為研究復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境因素,當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模型和傳熱模型耦合。圖2為在COMSOL中模擬人體下胸圍側中點受壓后,該點周圍的壓力分布,圖3 為根據仿真所得數據在MATLAB中繪制人體下胸圍側中點加載后應力分布三維圖。

圖2 在一點上加載后模型的應力分布

圖3 人體最大受壓點加載后應力分布

3 結束語

近幾年關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。現有研究中對關于真實的壓力測量研究主要還是靜態壓力,由于測試壓力設備的局限,對運動狀態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、預測的壓力分布誤差較大等問題。近年來,由于三維掃描技術的發展,在建模精度方面有了一定的提高,但是大部分學者多是在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。由于人體體型復雜,人體的內部生理環境是一個極為復雜的生態系統,所以現有的仿真研究大都將人體看作剛體來建模,仿真結果也會與真實服裝壓力存在較大誤差。

如今服裝行業競爭越來越激烈,服裝是否有“黑科技”、是否有足夠的專業理論支撐也是相當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,為服裝產品提供可靠的理論依據,可以大大減少產品研發中人力資源成本。在以后的研究中還需運用科學手段獲取運動狀態下的服裝壓力,提高建模的精確性、準確性和完整性,對人體與服裝的關系進行深入研究。