接觸狀態(tài)下男上裝基礎版型對人體壓力分布的有限元模型

康雪蓮， 應柏安， 張 欣， 段 錦

(西安工程大學 服裝與藝術設計學院， 陜西 西安 710048)

在現(xiàn)代生活中，穿著舒適性成為越來越重要的服裝評價因素之一。利用計算機對基礎版型的壓力分布做進一步的仿真研究，以及時了解不同材料、不同結構的基礎版型穿著后的人體與服裝之間的壓力分布，為男上裝基礎版型的穿著壓力提供一種數(shù)字化模擬和評價方式。采用數(shù)字化建模技術和有限元分析方法，分析穿著狀態(tài)下人體與服裝的壓力分布情況，使設計人員能夠及時了解基礎版型對男性上半身產(chǎn)生的影響，成為指導設計的一個重要因素。

基礎版型作為簡化的服裝，其評價方式與服裝一樣。在基于知識驅動的女茄克裝樣板設計方法的研究中，陳靜[1]在制作成衣后拍照進行穿著評價，利用穿著效果進行版型的主觀評價。許已超等[2]運用模糊數(shù)學法、統(tǒng)計方法、小波分析法等方法，對服裝測量數(shù)據(jù)進行分析與評價。齊行祥等[3]將平面的服裝版型網(wǎng)格化，利用空間幾何變換設定衣片的初始位置、匹配人體特征線與衣片特征線來轉換成三維立體模型評價服裝。戴瑋等[4]運用模糊數(shù)學方法，通過建立理論的隸屬函數(shù)對衣身等進行評價。徐正艷等[5]分析總結有限元方法和智能算法等數(shù)字化模擬在服裝壓力舒適性研究中的應用，并分析對比了服裝壓的測量方法。在文胸壓力分布的數(shù)字化模擬研究中，陸璐[6]提出人體與文胸的接觸模型，利用有限元分析文胸的壓力分布。

目前對服裝的評價多數(shù)在于服裝與人體間的幾何位置關系，少數(shù)在于壓力研究。本文通過構建人體與服裝的幾何模型，對人體與服裝進行單元類型的選擇、網(wǎng)格劃分，以及建立服裝與人體的有限元接觸力學模型，并利用有限元軟件Marc進行仿真計算與分析，進而獲得男上體穿著基礎版型時的壓力分布，并利用壓力測試對有限元計算的仿真結果進行驗證。通過有限元模型的數(shù)字化模擬可以得到壓力分布以及在重力作用下的位移變化，本文運用有限元技術提供一種可以在計算機中實現(xiàn)基礎版型的評價方法。

1 服裝與人體的幾何模型建立

1.1 人體的幾何模型建立

三維人體和服裝形體具有分布不均勻、造型多樣的結構特點。利用計算機將三維人體和服裝形體描述成計算機可識別的模型的過程為幾何建模，即重建物體原型的數(shù)據(jù)曲面模型。涉及的關鍵技術主要包括：三維實體幾何形狀數(shù)據(jù)采集、離散數(shù)據(jù)處理、三維實體模型重建[7-8]。

人體模型的建立是利用非接觸式三維掃描儀掃描男人臺表面，獲得人體形狀的點云數(shù)據(jù)，如圖1所示。通過選擇體外孤點進行處理，使得表面光滑。經(jīng)處理后得到多邊形模型，刪除不規(guī)則三角形、多邊形的數(shù)目，且對物體表面的孔洞利用曲率或者曲面等方式來填補完整，同時消除填補以后模型的細微特征或釘狀物，使得模型表面更加光滑。然后使用精確曲面進行造面，使得整個模型成為面體模型，并對面體進行縫合，如圖2所示，得到一個完整的人體三維幾何實體模型。

圖1 點云數(shù)據(jù)Fig.1 Point cloud data

圖2 片體縫合Fig.2 Suture facet

1.2 服裝的幾何模型建立

人體是一個不規(guī)則曲面，男性的胸部和肩胛骨隆起，男上裝服裝版型在這些區(qū)域產(chǎn)生一定的浮余量。為更好地貼合人體肩胛骨等區(qū)域，應設置分割線。在設計分割線位置時，要遵循以下2個原則：分割點應與服裝真實的省尖點相一致；切線應易于使用。根據(jù)這2個原理，在男子上衣的三維模型上畫出分割線。首先，依據(jù)男裝基礎版型繪制所涉及到的胸圍線、腰圍線、頸圍線、肩線、前中線與后中線以及制版中所涉及到的輔助線，然后從三維數(shù)字化人體模型中提取特征曲線的邊緣輪廓，需注意邊緣輪廓線必須是封閉曲線。其次，根據(jù)前、后輪廓體區(qū)域中點云的變化趨勢對人體特征線進行曲面重建。此外對構建的曲線進行調(diào)整，最終基礎版型如圖3所示。

圖3 男上裝基礎版型Fig.3 Men′s basic pattern. (a) Front; (b) Back

2 有限元模型構建與計算

2.1 單元類型

在對人體與服裝幾何模型進行網(wǎng)格劃分前，首先要確定單元類型。人體是不規(guī)則曲面的實體模型采用體單元，其中十節(jié)點四面體的網(wǎng)格可有任何空間方位，可在不減少人體精度的情況下接受不規(guī)則的形狀，且計算精度高[9-10]。實際人體具有骨頭、韌帶、肌肉等各部分組織，且分布不均勻。為方便劃分網(wǎng)格，假設人體單元均勻分布，并使用單一的網(wǎng)格進行劃分。對服裝模型可選用三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格，四邊形網(wǎng)格無論是在計算精度上還是在收斂速度上，都要優(yōu)于三角網(wǎng)格[11]。

考慮到四邊形網(wǎng)格與四面體單元具有較好的收斂性與適應性，同時人體與服裝幾何模型具有不規(guī)則曲面結構，故人體選用四面體網(wǎng)格，服裝選用四邊形的三維殼單元網(wǎng)格。網(wǎng)格大小、疏密的選擇會影響應力與應變的效果，與計算結果的精度相關[12],因此，人體的不規(guī)則程度較大則選用15 mm的網(wǎng)格，服裝的曲面程度較小則選用25 mm的網(wǎng)格。

2.2 網(wǎng)格劃分

在進行有限元計算前必須劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分操作包括以下3步：

1)對幾何模型進行幾何檢查，并對其中的問題，如出現(xiàn)自相交面、面與面之間存在縫隙等，多次調(diào)整檢查使建立的幾何模型能夠達到網(wǎng)格劃分的要求。

2)使用網(wǎng)格劃分工具，經(jīng)調(diào)整參數(shù)后對模型進行網(wǎng)格劃分。

3)檢查網(wǎng)格質量，若合適則可使用此網(wǎng)格模型；若不合適，則對幾何模型進行調(diào)整。

經(jīng)網(wǎng)格劃分后，人體與基礎版型的網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing. (a) Mesh of men′s basic pattern; (b) Mesh of upper body

2.3 材料參數(shù)

人體具有一定的彈性，同時人體本身具有非均勻性、非線性和黏彈性的材料特性，由于有限元求解中對材料的限制，為簡化計算，將人體簡化為同質且密度分布均勻的彈性體。實驗數(shù)據(jù)表明本文中材料經(jīng)緯向的拉伸系數(shù)差異不明顯，為簡化計算，假設服裝材料為各向同性，并為其賦予厚度值。人體選用Mooney彈性材料[13]，其中C10、C01代表材料的系數(shù)，均是正定常數(shù)。人體與服裝的參數(shù)見表1、2。

表1 人體材料參數(shù)在Marc中的定義Tab.1 Material parameters of human body in Marc

表2 基礎版型參數(shù)在Marc中的定義Tab.2 Material parameters of basic pattern in Marc

2.4 服裝與人體有限元接觸模型的構建

有限元模型構建完成后可在有限元軟件Marc中按照穿著狀態(tài)進行服裝與人體模型的裝配處理，所得模型如圖5所示。材料屬性的定義直接為有限元模型奠定了基礎。定義模型為彈性體，對于基礎版型制作的服裝與人體的接觸通過定義服裝的材料密度和重力以及服裝與人體之間的接觸關系來實現(xiàn)。人體與服裝為2個不同的接觸體。

圖5 人體與基礎版型的裝配圖Fig.5 Assembled model of men′s basic pattern on upper body. (a) Front; (b) Side; (c) Back

2.4.1邊界條件定義

模擬的真實情況為，人體在站姿狀態(tài)下穿著服裝，服裝自身所有的重力會使服裝具有下垂的特點。穿著服裝時，同時要保持服裝的肩線與人體保持靜止，人體肩部起主要的支撐作用。服裝的基本版型一般而言是對稱的，為簡化計算，選用一半的服裝。當人體穿著基礎版型時，需保證服裝的前中與后中在人體的圍度方向沒有位移，而此時人體與服裝之間保持相對的靜止關系。

在有限元軟件中將真實情況轉換為給定相應的邊界條件，如圖6所示。圖6(a)中服裝的前中和后中在人體圍度方向沒有位移；圖6(b)中服裝的肩線在人體的高度、圍度、厚度方向均沒有位移變化；圖6(c)中在高度方向給服裝整體賦予重力，為重力加速度-0.009 8 mm/s2；圖6(d)中人體頸部與腰部在身高方向保持沒有位移。通過邊界條件的組合構成符合真實情況的模擬環(huán)境，實現(xiàn)基礎版型的服裝在三維人體穿著中的壓力與位移分析，綜合分析人體穿著服裝的壓力來評價服裝的舒適性。

圖6 邊界條件Fig.6 Boundary conditions. (a) Fix front and back; (b) Fix shoulder; (c) Set gravity; (d) Fix top of upper body; (e) Fix bottom of upper body

2.4.2接觸與計算結果定義

服裝覆蓋在人體的表面，表明人體與服裝的接觸關系為表面接觸，并沒有在接觸后發(fā)生黏結等，二者之間的接觸關系為結構中的變形體與變形體之間的接觸。接觸表中設置人體與服裝之間的接觸關系為觸碰，接觸時是通過服裝受到重力進而探測到人體。

在有限元分析的彈性靜力學中，利用服裝的重力得到壓力的分布。計算方程式滿足人體對服裝的力與服裝自身的重力總功必定等于零，因此計算的算法選用牛頓-伊夫森算法。為保證計算結果輸出內(nèi)容滿足分析結果，需要定義輸出的計算結果參數(shù)應力、等效米塞斯效應等。

3 結果與分析

3.1 仿真結果

整個計算完成后得到如圖7所示的在重力影響下的X方向位移云圖以及圖8、9所示的壓力云圖。圖示左邊為數(shù)值標度，不同顏色代表不同數(shù)值的壓力與位移。分析人體站立狀態(tài)下穿著基礎版型后，不同部位的壓力以及服裝的位移狀況，主要是肩部、胸部以及肩胛骨等部位。由于織物的密度較小，使服裝向著人體的方向發(fā)生一定的位移，符合實際情況。根據(jù)仿真結果，對比壓力測試結果說明有限元模型是否合理。

圖7 X方向位移云圖Fig.7 Displacement in X direction. (a) Front; (b) Side; (c) Back

圖8 基礎版型壓力云圖Fig.8 Stress of men′s basic pattern. (a) Front; (b) Side; (c) Back

基礎版型的重力主要在X方向，通過X方向位移分析得出，肩部的位移在X方向較明顯，腰側部有較明顯的位移，背部肩胛骨在X方向位移較小，但小區(qū)域內(nèi)位移趨向肩胛骨，以上結果均符合真實情況。

圖9 人體壓力云圖Fig.9 Stress of upper body. (a) Front; (b) Side; (c) Back

通過分析壓力云圖得出，人體所受到的壓力較小，這是因為模擬過程中人體具有一定的剛度，符合真實情況?；A版型在肩部、背部等區(qū)域受到的壓力較大，理論符合現(xiàn)實情況，需進行壓力測試對其驗證。

3.2 壓力測試結果

為檢驗有限元模型計算所得壓力值的有效性，本文采用氣囊式壓力測試儀。當產(chǎn)生壓力時，氣囊內(nèi)的氣體發(fā)生變化，轉化為電信號，利用放大器將信號在數(shù)顯表中顯示，并記錄壓力測試值。

壓力測試實驗在安靜的恒溫實驗室中進行，溫度為(20±1)℃。依據(jù)上述仿真結果，對肩頸點、肩部中點、肩點、胸點及背部凸處5點進行壓力測試，測量的標記點共5個，如圖10所示。

圖10 基礎版型的穿著及測試點圖Fig.10 Wearing state of men′s basic pattern andpoints of pressure test. (a) Front; (b) Side; (c) Back

在男人臺穿著基礎版型狀態(tài)如圖10所示的情況下，對上述5點進行壓力測試3次，每次測試前服裝放置2 h以確保服裝下一次測試時不發(fā)生形變，測試所得的壓力均值如表3所示。

通過分析表3中的數(shù)據(jù)可看出，人體穿著基礎版型時，肩部中點所受的壓力最大，而其余4點所受到的壓力值相差不大。這與仿真結果基本吻合。

表3 壓力值Tab.3 Value of pressure

3.3 分析與討論

由圖8看出，有限元仿真預測的壓力變化與測試所得的壓力變化規(guī)律基本一致。均是肩部中點的壓力最大，胸部與背部對于服裝有著一定的支持作用。

仿真壓力值與實測壓力值存在一定的數(shù)值差。圖8顯示：肩部中點的壓力值為2.012～4.134 kPa，胸點與背部點壓力值為0～1.101 kPa，肩頸點與肩點壓力值為0～2.012 kPa；而實測肩部中點壓力值為3.14～3.20 kPa，胸點壓力值為0.73～0.81 kPa，肩頸點壓力值為0.54～0.61 kPa，肩點壓力值為1.19～1.23 kPa，背部點壓力值為0.61～0.75 kPa。實測數(shù)據(jù)均在仿真結果的范圍之內(nèi)。上述分析說明本文模型對基礎版型的壓力預測是合理的，運用此模型也可對其他服裝進行壓力預測。

仿真壓力值不同于實測壓力值，原因是本文壓力測試實驗存在一定的測量誤差，以及三維掃描儀掃描過程中會有誤差，造成所建立的模型本身存在一定的誤差，不能完全模擬人體穿著基礎版型的狀態(tài)。為使2種壓力值之間的差值減小，應進行大量的實驗測量以及對模型中材料選擇、幾何模型建立等方面進行深入的研究。

4 結 論

1)本文對人體和服裝的三維造型和曲面特點進行分析，提出了具有針對性的幾何模型的建模方法，包括對掃描所得的點云處理、實體構建、單元類型選擇、網(wǎng)格劃分以及接觸模型建立。

2)本文通過仿真模擬人體穿著服裝的狀態(tài)，構建人體與服裝的有限元接觸模型進行仿真計算，并對模擬結果進行分析，為基礎版型的壓力分布進行數(shù)字化評價提供可行性的參考，但由于服裝與人體均被視為同一種材質等原因使得仿真分析存在一些不足，有待深入研究。

3)通過有限元計算得到的壓力變化與實測基本規(guī)律一致，說明服裝基礎版型的評價與數(shù)字化分析模型的建立較為合理，進而可指導版型的設計過程，以及對其他服裝的壓力進行數(shù)字化預測。對模型進行優(yōu)化，減少2種壓力值之間的數(shù)值差，為服裝壓力預測提供借鑒。

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