跑步運動壓縮褲壓力預測模型的建立*

夏 明,2,3 宋 婧,2,3 張 平 姜朝陽

1. 東華大學服裝與藝術設計學院,上海 200051；2. 同濟大學上海國際設計創(chuàng)新研究院,上海 200092；3. 東華大學現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051

跑步運動會帶來一定的肌肉損傷和疲勞。緊身運動裝備利用材料的彈性對人體軀干部位進行束縛，達到保護肌肉并避免損傷的作用[1]?？墒侨梭w能承受的服裝壓力有一定限度，過大會使人體疲勞加劇，引起呼吸加快或血液循環(huán)障礙等生理不適[2]，過小則無法減緩肌肉酸痛或恢復體力。JAKEMAN等[3]通過增強式跳深訓練試驗得出，穿著壓力長襪的受試者相比沒有穿著壓力長襪的受試者，前者肌肉酸痛感有顯著改善。因此，對緊身運動裝備的服裝壓力進行更精確的研究具有重要意義，其對跑步運動壓縮褲的量身定制有指導作用。

李紅等[4]介紹了循序遞減壓力襪的作用原理及應用、生產(chǎn)工藝、壓力性能及測試方法等。倪海燕[5]基于下肢受壓迫時皮膚血流的變化，探討了壓迫對人體生理的影響，為緊身類服裝的開發(fā)和研究提供了科學依據(jù)。YY/T 0853—2011《醫(yī)用靜脈曲張壓縮襪》提出，保健壓力襪的壓力值一般在1.06～2.66 kPa即8.0～20.0 mmHg，壓力沿著腿部由下向上遞減。李新陽[6]采用非均勻有理B樣條函數(shù)建立了平針織物的線圈樣條函數(shù)模型，并較準確地描述了壓力襪在線圈形態(tài)和長度發(fā)生變化時織物壓力分布的變化情況。歐亞[7]基于靜脈曲張襪的襪筒橫向尺寸和壓力值的分析，得到了送紗速度與橫向尺寸的函數(shù)關系，這對靜脈曲張襪的生產(chǎn)有指導作用。HONG等[8]利用智能人臺檢測穿著服裝時的壓力發(fā)現(xiàn)，各測試點的壓力明顯不同。此外，還有學者對面料在一定拉伸率條件下產(chǎn)生的服裝壓與拉伸力進行了相關性檢驗，發(fā)現(xiàn)二者之間存在顯著的正相關關系[9]。候昀彤等[10]研究了女性大腿股動脈止血點處橫截面的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)曲率越大的部位對應的壓力值越大，這為醫(yī)用止血產(chǎn)品的研究提供了參考。

本文以人體工程學為基礎，通過對面料拉伸率和曲率的研究，建立腿部服裝壓力預測模型即圓筒狀壓力預測模型(簡稱“圓筒模型”)，并驗證了線性回歸方程的擬合程度，再通過三維人體掃描試驗，研究人體腿部穿著跑步運動壓縮褲前后的尺寸和截面形態(tài)的變化，分析影響圓筒模型壓力預測的因素。

1 圓筒模型的建立

1.1 面料的選擇與性能測試

1.1.1 面料的準備與測試方法

選取市面上跑步運動壓縮褲使用較為普遍的針織面料用于壓力預測模型的建立。該針織面料由質(zhì)量分數(shù)占80%的錦綸和質(zhì)量分數(shù)占20%的氨綸組成。利用INSTRON萬能電子強力儀測定該針織面料的拉伸性能。根據(jù)FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復率試驗方法》，從距離布端1.5 m以上處裁剪出被測面料，接著采用等速拉伸法，測試面料的拉伸性能，儀器自動記錄面料拉伸至斷裂時的載荷-位移曲線。

1.1.2 面料的測試結果與分析

基于該面料的載荷-位移曲線關系得出，該面料的橫向斷裂拉伸率可達到300%左右，適用于跑步運動壓縮褲的制作。接著對面料拉伸率在60%以內(nèi)的拉伸力與拉伸率進行直線擬合(圖1)和回歸分析，發(fā)現(xiàn)：當拉伸率不超過60%時，面料的變形為彈性變形，面料在該拉伸率范圍內(nèi)產(chǎn)生的服裝壓力具有參考性。

圖1 拉伸力與拉伸率的直線擬合及回歸分析(拉伸率≤60%)

1.2 圓筒模型的建立

1.2.1 試驗準備與測試方法

選擇AMI3037號氣囊式壓力測試儀測量服裝壓力，研究圓筒模型曲率(半徑的倒數(shù))和面料拉伸率對服裝壓力的影響。

跑步運動壓縮褲的樣版設計主要針對腳踝周長、小腿最大圍、膝圍、大腿最大圍等尺寸。本文對200名在校研究生的人體部位尺寸進行了人工測量，得到在校研究生腳踝周長、小腿最大圍、膝圍和大腿最大圍的平均值分別為20.5、 34.2、 35.5和52.0 cm。因此，本文選擇4個不同周長(即20.5、 27.0、 35.5和48.0 cm)的光滑剛性圓筒模型用于壓力預測，高度均為20.0 cm，分別記作1#、 2#、 3#、 4#，其曲率依次減小。

試驗設置了7個面料拉伸率值，分別為0%、 10%、 20%、 30%、 40%、 50%、 60%。利用式(1)可計算出4個不同周長圓筒模型預測壓力用的28塊面料緯向的原始長度：

(1)

式中：ε——拉伸率，%；

L0——面料緯向的原始長度，cm；

L1——面料緯向的拉伸后長度，cm。

壓力值測試步驟：

(1) 根據(jù)計算得到的面料緯向的原始長度，兩端再加放0.5 cm的縫份，使用繃縫機將面料縫制成高度均為15.0 cm圓筒試樣。

(2) 在距離圓筒模型底部7.5、 15.0 cm處各畫1條水平線。在距離圓筒試樣底部7.5 cm處畫1條水平線，再均勻地畫3條垂直線。

(3) 校準儀器，將2個氣囊分別黏貼在距離圓筒模型底部7.5 cm水平線上的對稱部位(圖2)，記錄靜止時氣囊的壓力值。

(4) 為減少面料自身厚度對壓力值的影響，壓力測試時特將縫份放在外表面，測試并記錄壓力值。

每塊圓筒試樣及對應的圓筒模型測試時，都需重復以上步驟。

圖2 氣囊使用示意

1.2.2 試驗結果及分析

表1所示為28塊圓筒試樣測得的壓力值。

表1 28塊圓筒試樣測得的壓力值

由表1可知：當曲率相同時，拉伸率越大，圓筒模型所受的壓力越大；當拉伸率相同時，曲率越大，圓筒模型所受壓力越大；對于不同的曲率，拉伸率越小，圓筒模型所受壓力越接近?；诖丝梢耘卸?，壓力與曲率、拉伸率之間存在一定的相關性。

接著，利用SPSS軟件對Pearson簡單相關系數(shù)、Spearman等級相關系數(shù)和Kendall相關系數(shù)進行多元線性回歸分析。同時，為了消除解釋變量(即可控制變量或說明變量)的個數(shù)對相關系數(shù)的影響，利用調(diào)整的判定系數(shù)即R2檢驗線性回歸方程的擬合優(yōu)度，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后的R2=0.912，說明擬合效果較好。線性回歸方程為F=-0.70+4.34k+4.74ε，其中：F為服裝壓力，kPa；k為曲率，cm-1；ε為拉伸率。此外，從表2的線性回歸計算結果中可以看出，T檢驗的顯著性水平均小于0.050，這表明線性回歸方程顯著。

表2 線性回歸計算結果

2 跑步運動壓縮褲穿著壓力測試

2.1 跑步運動壓縮褲的制作

使用Creaform HandySCAN 3D三維掃描儀，以身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)為標準，對3名受試者(分別為偏瘦體1號、正常體2號和肥胖體3號)進行三維人體數(shù)據(jù)采集，再根據(jù)三維人體點云計算出主要部位的圍度和高度(表3)。

表3 3名受試者數(shù)據(jù)采集

跑步運動壓縮褲壓力值的設計參考知名壓縮褲品牌SKINS設計的梯度壓力值，腳踝處的壓力值在(2.57±0.47)kPa即(19.3±3.5)mmHg，腳踝處到腰部的壓力值依次逐級遞減。因此，本文將3位受試者腳踝處的壓力值設計為2.54 kPa即19.1 mmHg。3位受試者腿部主要部位的拉伸率設計如表4所示。在不考慮其他因素影響的前提下，根據(jù)拉伸率計算式及人體對應部位的尺寸，計算出跑步運動壓縮褲的尺寸，從而得到3種體型的跑步運動壓縮褲樣板。最后利用繃縫機進行壓縮褲的縫制。

表4 跑步運動壓縮褲主要部位拉伸率的設計 (%)

2.2 壓力測試

2.2.1 測試過程

(1) 根據(jù)跑步運動壓縮褲樣版各部位的高度尺寸，在跑步運動壓縮褲對應部位做好標記，再用馬丁測量儀在人體對應部位(如腳踝處、小腿最大圍處等)做好標記，并在這些圍度上均勻地標記8個測量點。

(2) 對氣囊式壓力測試儀進行校準?？紤]到氣囊本身厚度的影響，對各部位水平圍度一周的8個點分2次進行測量，記錄靜止時氣囊的壓力值。

(3) 檢查穿著好跑步運動壓縮褲時，各部位的水平線是否與地面保持水平。

(4) 測試并記錄壓力值。

每條跑步運動壓縮褲和對應受試者進行測量時，都需重復以上步驟。

2.2.2 測試結果與分析

對每個部位8個點的壓力值計算平均值即為實測值，其與對應的壓力預測值一起歸納于表5中。

表5 3位受試者壓力預測值和實測值

(kPa)

從表5可以看出：小腿最大圍處、膝蓋處和大腿最大圍處壓力的預測值雖比實測值大，但整體上較接近，且壓力值都是從小腿最大圍處往大腿最大圍處逐漸遞減的，因此線性回歸方程可用于預測小腿最大圍處、膝蓋處和大腿最大圍處的壓力值；腳踝處壓力的實測值與預測值差異較大，原因與腳踝處壓力影響因素較多有關。

3 圓筒模型壓力預測影響因素分析

3.1 腿部圍度尺寸數(shù)據(jù)分析

3.1.1 不同人體腿部圍度

偏瘦體1號和肥胖體3號穿著跑步運動壓縮褲前后圍度的尺寸差值如圖3所示。在肥胖體3號膝蓋處、小腿最大圍處、腳踝處所受的壓力都小于偏瘦體1號的情況下，肥胖體3號的壓縮變形值基本大于偏瘦體1號。兩位受試者著裝前后，在大腿部(對應的人體腿部截面高度為35.0～60.0 cm)的圍度尺寸差明顯大于其他部位，即脂肪含量越多，壓縮變形越明顯。偏瘦體1號和肥胖體3號著裝前后在腳踝處的圍度尺寸差基本為0.0 cm，即穿著跑步運動壓縮褲后腳踝處沒有產(chǎn)生壓縮變形。

圖3 偏瘦體1號和肥胖體3號著裝前后腿部圍度尺寸差

3.1.2 不同跑步運動壓縮褲腿部圍度

正常體2號分別穿著高度相同、圍度尺寸不同的S、 M、 L碼跑步運動壓縮褲后進行三維人體掃描，數(shù)據(jù)提取方法同偏瘦體1號和肥胖體3號。結果發(fā)現(xiàn)，穿著S、 M和L碼的跑步運動壓縮褲前后，正常體2號遵循壓力越大其圍度尺寸差越大，且脂肪含量越多的部位其圍度尺寸差越大的規(guī)律。

3.2 腿部圍度截面形狀分析

在腿部圍度尺寸提取的過程中可得到人體腿部的點云數(shù)據(jù)。以偏瘦體1號為例，將同一高度對應圍度上的點整理后進行截面圖形繪制，可得到如圖4所示的截面。

圖4 偏瘦體1號大腿最大圍處著裝前后截面形狀對比

穿著跑步運動壓縮褲后，腿部形狀發(fā)生了變化，圍度尺寸減小。因人體本身在大腿最大圍處和小腿最大圍處的截面接近圓形，穿著跑步運動壓縮褲后截面更趨向于圓形。因此，利用圓筒模型預測大腿最大圍處和小腿最大圍處的壓力，效果較好。

圖5所示為偏瘦體1號穿著跑步運動壓縮褲前后膝蓋處的截面圖，由于膝蓋處的結構較復雜，穿著跑步運動壓縮褲后線條變圓滑，原因與壓縮使部分脂肪產(chǎn)生了形變有關，也可能與后中和前中的曲線在人體上有一定的弧度，壓縮褲未能完全貼合人體從而造成穿著后的截面曲線趨于圓滑有關。比較膝蓋處的壓力預測值和實測值可以看出，圓筒模型的預測效果較好。

圖5 偏瘦體1號膝蓋處著裝前后截面形狀對比

3.3 腳踝處壓力預測影響因素

腳踝處的壓力值是在距離壓縮褲邊緣3.0 cm處測得的?，F(xiàn)將距離圓筒模型底部7.5 cm的氣囊移動至距離圓筒模型底部3.0 cm處，測量壓力值。對比發(fā)現(xiàn)，在3.0 cm處測得的壓力值都小于7.5 cm處測得的壓力值，原因可能與測量部位距離褲子邊緣較近有關。腳踝處結構較復雜，脂肪少、骨骼多，后中的曲率較大，外側較平坦，且不同的站姿和不同的用力方式等都會對其壓力值造成影響，因此，采用腳踝處8個點的均值來表示該處的壓力實測值與預測值差異較大。

4 結論

通過研究服裝壓力與拉伸率、曲率的關系得到：

(1) 在跑步運動壓縮褲壓力預測用圓筒模型的建立過程中，當拉伸率控制在0%～60%時，服裝壓力與拉伸率、曲率都呈正相關關系，并得出了它們?nèi)咧g的線性回歸方程F=-0.70+4.34k+4.74ε，其中F為服裝壓力(kPa)，k為曲率(cm-1)，ε為拉伸率。

(2) 通過測試跑步運動壓縮褲的穿著壓力，對比實測值與預測值發(fā)現(xiàn)，圓筒模型可用于預測除腳踝處的其他腿部壓力。

(3) 利用三維人體掃描試驗分析不同人體腿部圍度尺寸數(shù)據(jù)、穿著不同跑步運動壓縮褲后腿部圍度尺寸數(shù)據(jù)，以及腿部圍度截面形狀、腳踝處壓力預測影響因素得出，脂肪含量相同時，壓力值越大則產(chǎn)生的壓縮變形越大；壓力值相同時，脂肪含量越多的部位產(chǎn)生的變形越大。