基于三維數(shù)字化測(cè)量的文胸與人體胸部有限元接觸力學(xué)模型研究

馬 亮，張 欣，應(yīng)柏安，吳 龍

（西安工程大學(xué)，陜西 西安710048）

隨著生活水平的提高和健康著裝觀念的深入人心，人們對(duì)服裝舒適性的要求也日益趨高。近年來，壓力舒適性已逐漸成為除熱濕舒適性和觸覺舒適性外，衡量服裝穿著舒適性的重要指標(biāo)之一。

本文對(duì)數(shù)字化三維人體模型在穿著文胸服裝后的壓力分布進(jìn)行仿真模擬，建立人體胸部有限元仿真模型、文胸有限元仿真模型。在研究過程當(dāng)中，將人體視為彈性體，人體胸部和文胸的接觸視為彈性接觸，結(jié)合彈性模量、泊松比建立起文胸與人體胸部有限元接觸力學(xué)模型［1］。

1 研究目的

影響文胸服裝壓力分布的因素主要為人體和服裝兩個(gè)方面。首先，不同人體胸部的形態(tài)、曲率、彈性模量都對(duì)文胸服裝產(chǎn)生較大的影響。其次，文胸對(duì)壓力的影響主要包括服裝材料、款式結(jié)構(gòu)及服裝尺寸。服裝的壓力還會(huì)受到人體不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等影響。人體穿著文胸服裝，在壓力作用下會(huì)產(chǎn)生形變。文胸的壓力大小和分布主要與服裝材料的勁度系數(shù)、服裝尺寸、服裝款式、人體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及人體各部位的彈性模量有關(guān)。

有限元法能夠較為準(zhǔn)確地描述彈性體的變形程度［2］。該方法實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限多個(gè)簡單的單元體，單元體之間僅通過結(jié)點(diǎn)相連，通過化整為零，再集零為整的手段對(duì)復(fù)雜問題進(jìn)行分析。有限元法通常以位移為未知量，以最小位能原理為基礎(chǔ)求解位移。通過建立待測(cè)部位的有限元模型，并賦予邊界條件和載荷，再經(jīng)后處理，可較好預(yù)測(cè)文胸的壓力分布。

2 研究方法

2.1 模型建立

本文采用的人體胸部幾何模型為數(shù)字化三維模型。文胸幾何模型是在數(shù)字化人體模型的基礎(chǔ)之上，對(duì)通過對(duì)胸部曲面進(jìn)行擬合，完成文胸的曲面造型［3］。在幾何模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)一步建立人體和文胸的有限元模型［4］。對(duì)人體而言采用八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元模擬，文胸采用四邊形和三角形混合單元模擬，如圖1所示。在進(jìn)行仿真過程當(dāng)中，由于文胸和人體胸部都為彈性體［5］，建立接觸模型進(jìn)行仿真較為復(fù)雜，所以在模型的建立上做了以下幾點(diǎn)假設(shè)：人體介質(zhì)均勻，這樣保證了物體內(nèi)應(yīng)力、位移的連續(xù)性；設(shè)定所建立的模型為各向同性的，即物體的力學(xué)性質(zhì)在物體的各個(gè)方向都是相同的，物體的彈性常數(shù)不隨方向改變而變化。在文胸與人體的彈性接觸過程中，人體的彈性部位宏觀上都可以視為各向同性材料；文胸和服裝接觸過程中無初始應(yīng)力。

圖1 有限元模型

2.2 有限元分析過程

有限元的分析過程主要包括前處理、加載、后處理三個(gè)過程。首先要?jiǎng)?chuàng)建或讀入幾何模型，定義材料屬性，單元?jiǎng)澐?。然后施加載荷并進(jìn)行求解［4－6］。最后查看結(jié)果（也稱“后處理”）。表1、表2是仿真過程中各項(xiàng)參數(shù)。對(duì)于邊界條件的設(shè)定，保證了人體上下位置的不變以及模杯邊界的穩(wěn)定性，如圖2所示。通過有限元分析方法對(duì)模杯試衣過程進(jìn)行模擬，模擬仿真出該模杯穿著之后的壓力分布效果。三維數(shù)字化人體與服裝的接觸問題是一種非線性行為，因此在建立接觸力學(xué)模型時(shí)，將人體和服裝均設(shè)置為可變形接觸體，并將接觸關(guān)系設(shè)置為變形體與變形體之間的接觸，建立接觸表確定二者之間的接觸特征，本文選用法向接觸的方式確定三維人體與服裝間的接觸，并假設(shè)接觸法向過盈配合參數(shù)為15%，使人體隨著時(shí)間推移在23s內(nèi)膨脹10%，以測(cè)試服裝與人體之間的壓力。

表1 人體參數(shù)設(shè)置

表2 文胸參數(shù)設(shè)置

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過有限元分析方法對(duì)人體穿著文胸后的壓力分布進(jìn)行了仿真。文胸和人體的接觸力學(xué)模型是在大應(yīng)變的仿真條件下，采用靜態(tài)壓力模擬的方法，對(duì)三維人體與文胸間的壓力進(jìn)行分析計(jì)算，模擬出文胸對(duì)人體胸部所施加的壓力以及人體胸部對(duì)文胸所產(chǎn)生的壓力。仿真結(jié)果從X、Y、Z三個(gè)方向給出壓力分布情況。通過計(jì)算機(jī)仿真方法對(duì)文胸的壓力舒適性進(jìn)行仿真，可以更好地為文胸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)意見，進(jìn)而優(yōu)化該類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，節(jié)省該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間。圖3為文胸模杯在X、Y、Z三個(gè)方向的壓力分布云圖，圖示左側(cè)顏色帶為不同顏色所代表的壓力值，最上方的壓力值最大，往下依此減小。

圖2 邊界條件

為了更好地說明文胸在穿著過程中人體胸部的位移情況，在X、Y、Z三個(gè)方向各選取分析過程中三個(gè)相同的時(shí)間點(diǎn)，并做出人體胸部的位移變化，如圖4所示，圖示左側(cè)顏色帶為不同顏色所代表的位移值，最上方的位移值最大，往下依此減小?？梢钥闯鋈梭w在穿著文胸過程中胸部有向上提升和向中心靠攏的趨勢(shì)。

圖3 文胸壓力分布的仿真結(jié)果

圖4 人胸部位移情況

4 結(jié)語

本文以三維數(shù)字化人體模型為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了模杯與人體的有限元接觸模型。通過仿真結(jié)果可以看出模杯整體受壓力情況明顯，模杯與胸部的貼合性較好。通過有限元分析方法對(duì)模杯試衣過程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬輸出的結(jié)果對(duì)模杯的合體性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為文胸服裝的適體性和壓力舒適性提供了數(shù)字化評(píng)價(jià)方法。