服裝壓力客觀測量方法分析

劉紅,　王紅歌，　陳東生

(1.河南工程學(xué)院 服裝學(xué)院,河南 鄭州 450007； 2.閩江學(xué)院 服裝學(xué)院，福建 福州 350108)

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服裝壓力客觀測量方法分析

劉紅1,王紅歌1，陳東生2

(1.河南工程學(xué)院 服裝學(xué)院,河南 鄭州 450007； 2.閩江學(xué)院 服裝學(xué)院，福建 福州 350108)

服裝壓力的客觀測量方法有間接測量法與直接測量法，其中間接測量法有拱壓法(復(fù)模法)、軟體假人法和理論計算法。直接測量法靠采用客觀的服裝壓力測量裝置直接測量服裝壓力值。直接測量法操作方便、簡單，但易受外界因素的影響，因此，在服裝壓力舒適性研究中應(yīng)將服裝壓力客觀測量法中的直接測量法與間接測量法相結(jié)合，以期為服裝壓力舒適性研究提供更為有效的研究方法及更加精確、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

服裝壓力;客觀測量;間接測量法;直接測量法

服裝壓力指的是人體穿著服裝后來自服裝的壓力。1968年，Ibrahim等以保型性服裝作為研究對象，服裝面料選擇了具有雙向拉伸性能的織物，在測試面料物理機(jī)械性能的同時，首次通過壓力傳感器測量了保型性服裝對人體產(chǎn)生的靜態(tài)及動態(tài)服裝壓力的大小和分布規(guī)律，并首次提出了服裝壓的概念[1]。

隨著服裝壓力舒適性越來越受到重視，服裝壓力的客觀測量問題也逐漸成為研究的熱點之一。西方國家從20世紀(jì)初就開始研究服裝壓力的測試問題，新的測試方法和測試儀器相繼出現(xiàn)。服裝壓力的精確測量是研究服裝壓力舒適性的依據(jù)和基礎(chǔ)，因而選擇合適的測試方法、先進(jìn)的測試裝置與系統(tǒng)對服裝壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，有助于深入、系統(tǒng)地分析服裝壓力舒適性。

服裝壓力的客觀測量方法有間接測量法與直接測量法之分[2]。

1　間接測量法

間接測量法有拱壓法(復(fù)模法)、軟體假人法和理論計算法。

1.1拱壓法

拱壓法(復(fù)模法)指用石膏或合成樹脂，做成模擬肘、膝部等部位的凸起模型，在起拱處打孔，貼置壓強(qiáng)傳感器，測定衣服對凸起部位的壓強(qiáng)。該方法中常見的是石膏法，石膏法是用石膏做測定部位的模型，模型的頂部要做得平一點，然后打孔，粘貼感壓器材，測定模型上的衣服施加的壓力。這種方法可以測出接近穿衣時的自然服裝壓強(qiáng)值，但不能進(jìn)行連續(xù)動作時的服裝壓力測試，并且石膏模型制作比較麻煩[3]。

1.2軟體假人法

在服裝壓力的測試過程中，壓力值的精確度很容易受到一些因素的影響，如實驗室的溫、濕度以及人體的微小姿勢變化，因此，采用材料與人體皮膚及軟組織的彈性模量、厚度等指標(biāo)相似的軟體假人進(jìn)行服裝壓力測試，可有效地避免外界因素的影響。另外，用假人進(jìn)行壓力測量還將省時、省力。

1979年，Norman等制作了假人模型，用于進(jìn)行服裝壓力的預(yù)測，該模型由皮膚、軟組織和骨骼組成，基于材料性能指標(biāo)都與人體接近的原則，皮膚材料選用硅橡膠，人體軟組織材料選用聚氨酯泡沫，該研究分別測試服裝作用于真實人體及假人模型上的壓力值，并比較了二者之間的線性關(guān)系及差異性[4]。2004年，Yu等分別采用適當(dāng)?shù)牟牧夏M了人體骨骼、軟組織和皮膚，建立了軟體假人模型，并用于服裝的壓力舒適性研究[5]。2005年，F(xiàn)an等運用軟體假人模型代替真人進(jìn)行腹帶的壓感舒適性研究，并預(yù)測腹帶的壓力分布情況。實驗結(jié)果表明，該假人模型具有較好的預(yù)測性，現(xiàn)在這個模型已被廣泛地應(yīng)用于模擬緊身服裝的壓力分布測試[6]。

1.3理論計算法

理論運算法通常是先建立待測部位的人體模型，進(jìn)而通過建立數(shù)學(xué)建模進(jìn)行壓力運算。

1966年，Kirk等研究了服裝壓力與織物拉力和人體曲率半徑之間的關(guān)系，其關(guān)系可用式(1)表示[7]：

P=TH/RH+TV/RV

(1)

式中:P為著裝后某一特定點的壓強(qiáng)值；T為在instron萬能材料試驗機(jī)上相同應(yīng)變測量得到的織物拉伸力；R為某一特定點的曲率半徑；H為水平方向；V為垂直方向。

人體的曲率半徑可采用吉村法測定。圖1為曲率半徑測定儀，其中，h為待測點的凸起高度，φ為量具的作用半徑，根據(jù)式(2) 可求出待測點在經(jīng)緯方向的曲率半徑rH和rV，然后通過式(1)計算求出該部位的服裝壓:

r=0.5(φ2+h2)/h

(2)

式中：r為人體某一特定點的曲率半徑；h為待測點的凸起高度；φ為量具的作用半徑。

基于球形原理，1986年，Hasegawa等針對彈性服裝提出了另一個關(guān)于服裝壓力的計算公式[8]：

P=ThKh+TvKv

(3)

式中：P為服裝壓力；T為彈性面料單位長度的拉伸力；h為人體上被測部位的水平方向；v為人體上被測部位的垂直方向；K為被測部位水平和垂直方向的曲率。

K的計算如式(4)所示：

(4)

式中：K為被測部位水平和垂直方向的曲率；φ為被測部位的寬度；h為被測部位的厚度。

羅笑南等2001年建立了人體穿著緊身內(nèi)衣后壓力分布的計算模型，該模型將人體視為剛性體，服裝視為彈性薄膜，基于薄膜大變形原理，計算了人體穿著內(nèi)衣后內(nèi)衣上一系列點由于拉伸變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，基于彈性力學(xué)的最小位能原理，采用格朗日乘數(shù)法，計算了緊身內(nèi)衣的壓力分布情況[9]。

基于動態(tài)接觸力學(xué)理論，2002年，Zhang等建立幾何非線性數(shù)學(xué)模型，模擬在運動過程中人體穿著緊身服裝時的服裝壓力分布，該模型將人體視為剛性體，能夠預(yù)測在運動過程中人體與服裝之間的動態(tài)力學(xué)行為[10]。

2006年韓紅爽等建立了人體腰部的橢圓截面物理模型，基于該模型，建立了服裝壓力與織物拉伸力關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。人體皮膚的表面壓強(qiáng)p(a,b,θ)(θ為橢圓方程角度參數(shù))與單位寬度織物拉伸力T二者之間的關(guān)系如式5所示[11]：

T=p(a,b,θ)×R(a,b,θ)=

(5)

當(dāng)θ=(π/2,3π/2)時，T=(a,b,θ)×b2/a,即代表腰圍兩側(cè)側(cè)縫部位服裝壓力與織物拉伸力的關(guān)系。其中，T為單位寬度織物的拉伸力；p(a,b,θ)為皮膚表面的壓強(qiáng)；a為腰部橢圓模型的長軸長;b為腰部橢圓模型的短軸長。

目前，國內(nèi)外關(guān)于服裝壓力理論算法的研究大多數(shù)都將人體視為剛性體，實際上，人體是一個有彈性模量和密度的彈性體，因此將人體作為剛性體建立模型來計算服裝壓力無法真實地模擬服裝和人體之間的壓力作用。近年來，很多專家學(xué)者將人體看作為彈性體，人體與服裝之間的接觸看作為彈性接觸，建立模型用以計算服裝壓力值。

2003年，Li等為研究女性胸部與胸罩之間的動態(tài)力學(xué)接觸，建立了女體三維生物力學(xué)模型，該模型將女性胸部視為彈性體，采用有限元法研究了運動過程中女體和胸罩之間的動態(tài)接觸，并獲取動態(tài)接觸模擬結(jié)果，具有很好的預(yù)測性[12]。2011年覃蕊將人體視為彈性體，足頸部與襪口之間的接觸視為彈性接觸，結(jié)合襪口處人體足頸部構(gòu)造、骨骼的位置、形狀及皮膚、軟組織的厚度、彈性模量和泊松比，使用有限元軟件Ansys對襪口處壓力分布情況進(jìn)行模擬分析，得出了襪口壓力與皮膚位移和襪口材料物理性能之間的函數(shù)關(guān)系，建立了襪口處壓力預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，由此模型計算得到的壓力值與實際測量值吻合度良好，該模型可用于襪口處服裝壓力的預(yù)測[4]。2012年劉紅以女式彈性運動背心為研究對象，將女體視為彈性體，考慮到背心對女體胸圍一周施壓后，女體胸圍會產(chǎn)生變形，因此采用有限元法建立了包含皮膚層、軟組織層及骨骼層的標(biāo)準(zhǔn)女體胸圍截面有限元模型，用以研究服裝與人體的接觸變形。基于該模型，對彈性運動背心胸圍一周的服裝壓力進(jìn)行分析，建立胸部服裝壓力預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，通過驗證，由該數(shù)學(xué)模型計算得到的胸部服裝壓力值與實際測量值非常接近[13]。

2　直接測量法

服裝壓力客觀測量法中的直接測量法靠采用客觀的服裝壓力測量裝置來直接測量服裝壓力值。

服裝業(yè)發(fā)達(dá)的國家從20世紀(jì)初就已經(jīng)開始致力于服裝壓力測試裝置的研究，經(jīng)過許多專家學(xué)者的努力，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)多種壓力測試裝置，其中主要有：液壓式壓力測試裝置、應(yīng)變片式傳感器壓力測試裝置、氣壓式壓力測試裝置、彈性光纖壓力測試系統(tǒng)等。其中，液壓式壓力測試裝置指的是用水壓力計或水銀壓力計測量服裝壓力值。該方法直接方便，但當(dāng)測量人體曲率半徑較小的部位時，過大的感壓部件使得測量具有一定難度，并且當(dāng)測量壓力較大的服裝時，感壓部件會使服裝出現(xiàn)變形，影響測量精度。應(yīng)變片式傳感器壓力測試裝置基于惠斯通電橋原理，服裝壓力的變化被作為電壓、電阻的變化形式被檢測出來。由于應(yīng)變片體積微小，測試結(jié)果精度較高，但應(yīng)變片傳感器易受服裝面料、人體曲率及人體表面壓縮硬度等影響，而傳感器的不易彎曲也導(dǎo)致動態(tài)壓力測量較為困難。氣壓式壓力測試裝置是結(jié)合液壓式壓力測試法和應(yīng)變片式壓力測試法的優(yōu)點開發(fā)得到的一種壓力測試裝置。由于感壓部件的材料柔軟易彎曲，該測量裝置受人體和面料的影響較小，并且可以動態(tài)測量。彈力光纖壓力測試裝置多用于測試襪口壓力，該裝置傳感器的靈敏度較高、頻帶較寬、動態(tài)測量范圍大，并且方便與計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)合，非常適合用于服裝壓力測量[14-18]。

3　間接測量法和直接測量法的結(jié)合應(yīng)用

一般情況下，進(jìn)行緊身服裝壓力舒適性研究，在試穿實驗中，多數(shù)找出20個左右的真人試穿者進(jìn)行服裝試穿，然后采用服裝壓力測量裝置測量服裝的壓力值，該方法極為耗費人力。隨著軟體假人的出現(xiàn)及不斷完善，為緊身服裝的設(shè)計及開發(fā)提供了一個研究平臺，在緊身服裝壓力舒適性研究中，可以采用軟體假人代替真人受試者，再采用服裝壓力測量裝置進(jìn)行壓力的直接測量，這將極大的降低該項研究中人力的耗費。另外，采用真人模特作為受試者時，著裝后真人模特的呼吸及輕微姿勢變化都會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，而采用軟體假人作為模特，則能較好地避免這種現(xiàn)象。對于一些人體中曲率半徑較小的部位，局限于目前服裝壓力測量裝置的精度，如果采用服裝壓力測量裝置難以精確的測量該部位的壓力值，可以考慮應(yīng)用理論計算法中的計算公式進(jìn)行推導(dǎo)計算，得出更加精確的數(shù)值[19-20]。

4　結(jié)語

服裝壓力客觀測量法中的直接測量法操作方便、簡單，能夠較為直觀地讀取所測位置的服裝壓力值，然而在測量過程中，由于傳感器要置于服裝與人體之間，會不同程度地改變服裝與人體的原始接觸狀態(tài)，傳感器的大小、厚薄、形狀、置入方向、待測點的體表曲率以及人體著裝后的呼吸及輕微姿勢變化等都會影響到直接測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另外，直接使用真人模特作為實驗的受試者，將會大量的浪費人力，物力。因此，在服裝壓力舒適性研究過程中應(yīng)將服裝壓力客觀測量法中的直接測量法與間接測量法進(jìn)行有效地結(jié)合，將會顯著地降低服裝壓力舒適性研究實驗所耗費的人力、物力，提高研究的效率并獲得更加精確的數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯：楊勇)

AnalysisofObjectiveMeasurementMethodforClothingPressure

LIUHong1,WANGHongge1,CHENDongsheng2

(1.DepartmentofFashionDesignandEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007,China; 2.FacultyofClothing,MinjiangUniversity,Fuzhou350108,China)

Theobjectivemeasurementofclothingpressureincludesindirectanddirectmethods.Theindirectmeasurementincludesarchpressuremethod(replicationmodelmethod),softwaredummymethodandtheoreticalcalculationmethod.objectiveclothingpressuretestingdeviceisusedtomeasuretheclothingpressurevaluefordirectmeasurementmethod.Directmeasurementmethodisconvenientandsimple,butitisvulnerabletosomeoutsidefactors.Therefore,directandindirectmeasurementmethodsshouldbecombinedinthestudyofclothingpressurecomforttoprovidemorereliabledataandeffectivemethodontheresearchofclothingpressurecomfort.

clothingpressure,objectivemeasurement,indirectmeasurementmethod,directmeasurementmethod

2016-04-26；

2016-06-16。

河南工程學(xué)院博士基金項目(D2014042);鄭州市科技發(fā)展計劃項目(20130687)。

劉紅(1981—)，女，副教授，博士。主要研究方向為服裝舒適性。Email:liuhong329@163.com

TS941.1

A

2096-1928(2016)03-0267-04