基于智能假人壓力測(cè)試系統(tǒng)的服裝壓性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

羅勝利，王永榮，廖銀琳，劉 宇

(1. 廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院，廣東 廣州 511447；2. 廣州檢驗(yàn)檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511447； 3. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051)

壓力服裝，即能夠在人體的特定部位產(chǎn)生壓力的服裝，包括：具有豐胸、收腹、提臀及美腿功效的塑身衣褲；具有改善下肢血液循環(huán)、緩解和治療靜脈疾病功能的醫(yī)療紡織品；具有促進(jìn)體內(nèi)微循環(huán)、增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)機(jī)能的緊身運(yùn)動(dòng)衣褲[1]。 持續(xù)穩(wěn)定的服裝壓是實(shí)現(xiàn)以上功能的關(guān)鍵[2]。

服裝壓力測(cè)試是評(píng)價(jià)壓力服裝功能性、舒適性、安全性的重要技術(shù)[2-3]。 目前，大部分研究者采用人體上測(cè)試接觸壓力，即把壓力傳感器直接插入壓力服裝與人體之間[4]，常用的測(cè)試系統(tǒng)有Flexiforce壓力測(cè)試系統(tǒng)[5]、AMI-3037型氣囊壓力測(cè)試系統(tǒng)[6]、Pliance-X壓力測(cè)試系統(tǒng)[7]，基于Labview虛擬儀器技術(shù)的服裝壓力測(cè)量系統(tǒng)[8]、三維壓力模擬測(cè)試系統(tǒng)[9]等。 這種測(cè)試方法能夠直接得到受壓部位壓力值，但是難于形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法。其局限性包括：(1)由于人體三維曲率變化，軟組織力學(xué)性能差異，難于測(cè)量；(2)人體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將會(huì)引起傳感器位置滑移、人體圍度變化，造成測(cè)量誤差；(3)在人體上測(cè)試費(fèi)時(shí)，費(fèi)用昂貴[4]。 現(xiàn)有體外服裝壓力測(cè)試假人為固定三維尺寸的假人，且感壓元件是凸點(diǎn)形設(shè)計(jì)，測(cè)試中容易刮掛服裝以及引起服裝局部變形，從而影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性[10]。 因此，開(kāi)發(fā)一套性能穩(wěn)定的壓力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)評(píng)價(jià)壓力服裝性能具有重要意義。 文獻(xiàn)[10]研究開(kāi)發(fā)了第一代智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)，假人上內(nèi)嵌8個(gè)壓力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)試各部位的壓力值。本文基于第一代智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)一步優(yōu)化傳感器分布位置、傳感器類(lèi)型以及控制系統(tǒng)，研究開(kāi)發(fā)了第二代智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)，并進(jìn)行了服裝壓性能測(cè)試與評(píng)價(jià)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣衣

采用2種經(jīng)編彈性面料制作樣衣，面料規(guī)格參數(shù)如表1所示。 樣衣為無(wú)袖緊身衣，其款式和結(jié)構(gòu)如圖1所示，將其分別穿著在智能假人身上，測(cè)量其9個(gè)部位的壓力分布。 然后根據(jù)胸圍、腰圍、臀圍等關(guān)鍵圍度尺寸，按照伸長(zhǎng)率制作測(cè)試用樣衣規(guī)格，如表2所示。選用面料不同，因此面料1的樣衣分別編號(hào)為樣衣1-1、1-2、…、1-12，面料2的編號(hào)為樣衣2-1、2-2、…、2-12，且每個(gè)規(guī)格樣衣制作3件。

表1 樣衣面料規(guī)格參數(shù)

表2 樣衣規(guī)格尺寸表

1.2 智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)

智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)與壓力傳感器分布如圖2所示。由圖2(a)可知，智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)由假人、內(nèi)藏力值傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及其他附件、電腦及其配套軟件構(gòu)成。 假人是女款半身M號(hào)服裝人體模型(型號(hào)為160/84A)；壓力傳感器測(cè)量范圍為0～20 kPa，分辨率為10 Pa，感壓面積為(1.00±0.01) cm2。圖2(b)展示了假人身體各部位的壓力傳感器分布位置，準(zhǔn)確的位置描述如表3所示。 該系統(tǒng)利用接觸測(cè)量方式為穿著服裝的假人進(jìn)行接觸壓力檢測(cè)，該方式重復(fù)性強(qiáng)、操作便捷簡(jiǎn)單，可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

表3 壓力傳感器測(cè)試部位

1.3 試驗(yàn)方法

所有待測(cè)樣衣在測(cè)試前充分應(yīng)力松弛，并在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室至少放置24 h。 每種規(guī)格的樣衣測(cè)試3件，測(cè)試結(jié)果取平均值。 其中，樣衣1-4、1-8、1-12，樣衣2-4、2-8、2-12分別連續(xù)測(cè)試12 h，其他樣衣連續(xù)測(cè)試4 h，分別計(jì)算每個(gè)時(shí)間段10 s內(nèi)的壓力平均值作為0、5、10、20、30、60、120、180、240、300、360、420、480、540、600、660、720 min的服裝壓力值。 測(cè)試步驟：(1)啟動(dòng)服裝壓測(cè)試系統(tǒng)和軟件，聯(lián)機(jī)運(yùn)行；(2)設(shè)置測(cè)試參數(shù)并清零測(cè)力傳感器；(3)把待測(cè)服裝穿在假人上，靜止5 min；(4)開(kāi)始測(cè)試，軟件開(kāi)始記錄待測(cè)服裝的各部位壓力值；(5)重復(fù)步驟(1)～(5)，完成其余服裝的壓力測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同面料的服裝壓力分布

樣衣1-7和樣衣2-7的服裝壓力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。 由圖3可知，在相同的人體部位，由于面料性能差異，產(chǎn)生在人體體表同一部位的壓力值不同。樣衣1-7產(chǎn)生的壓力明顯高于樣衣2-7，原因在于前者面料的氨綸含量更高(如表1所示)，意味著面料單位伸長(zhǎng)時(shí)需要更大的力。在不同的人體部位，由于人體體表曲率和圍度差異，使各點(diǎn)壓力值差異明顯。 對(duì)于樣衣1-7而言，壓力值排序?yàn)楦箓?cè)點(diǎn)>腋下點(diǎn)>前腰中點(diǎn)>腹凸點(diǎn)>高腰側(cè)點(diǎn)>肩上點(diǎn)>前胸下部>后腰側(cè)點(diǎn)>肩胛骨點(diǎn)，其中，最大值為2 393 Pa，最小值為1 100 Pa。 對(duì)于樣衣2-7而言，壓力值排序?yàn)橐赶曼c(diǎn)>肩上點(diǎn)>腹側(cè)點(diǎn)>高腰側(cè)點(diǎn)>前腰中點(diǎn)>肩胛骨點(diǎn)>腹凸點(diǎn)>前胸下部>后腰側(cè)點(diǎn)，其中，最大值為1 337 Pa，最小值為587 Pa。

2.2 不同樣衣伸長(zhǎng)率的服裝壓力分布

在持續(xù)穿著樣衣30 min后，假人體表檢測(cè)到的壓力分布值如圖4所示。由圖4可知，除個(gè)別部位，兩種面料制作的不同規(guī)格樣衣壓力，基本隨伸長(zhǎng)率的增加而增大。 采用面料2制作的樣衣，肩上點(diǎn)的壓力波動(dòng)較大。這是由于測(cè)試樣衣款式為無(wú)袖，在測(cè)試過(guò)程中，袖窿邊緣和領(lǐng)邊緣的相對(duì)固定位置影響肩上點(diǎn)壓力值。

2.3 服裝壓力疲勞分析

對(duì)于不同功能性壓力服裝，持續(xù)穩(wěn)定的壓力分布是實(shí)現(xiàn)其功能性的關(guān)鍵因素。 樣衣1-8在穿著24 h過(guò)程中，服裝壓力的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。 由圖5可知，被測(cè)假人各個(gè)部位隨著穿著時(shí)間的延長(zhǎng)，服裝壓力逐漸減小，尤其在最初的4 h時(shí)，壓力衰減比較明顯。 這是由于彈性面料固有的應(yīng)力松弛引起持續(xù)穿著中服裝壓力減小。 因此在壓力服裝性能評(píng)價(jià)中，應(yīng)考慮其壓力疲勞性能指標(biāo)。

在日常穿著服裝的時(shí)間段中，一般持續(xù)穿著達(dá)到12 h。 因此，為了評(píng)價(jià)不同壓力服裝的壓力疲勞性能，選擇樣衣1-4、1-8、1-12，樣衣2-4、2-8、2-12連續(xù)12 h穿著在智能假人身上進(jìn)行壓力測(cè)試。壓力疲勞度Pf, n h是指穿著過(guò)程中壓力衰減值占初始?jí)毫Φ陌俜直?，如?1)所示。

(1)

式中：p0為初始?jí)毫?；pnh為第n個(gè)小時(shí)的壓力值。

(2)

根據(jù)式(1)和(2)，分別計(jì)算樣衣被穿著1、2、…12 h后的壓力疲勞度，研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分樣衣在多數(shù)測(cè)試部位中穿著4 h的壓力損失占12 h的壓力損失70%以上，如表4所示。由此說(shuō)明，經(jīng)過(guò)4 h的穿著，服裝壓力的衰減程度已經(jīng)很小。 因此，可以采用4 h的壓力衰減程度表征不同面料的壓力疲勞。

表4 穿著4 h樣衣壓力疲勞度占穿著12 h樣衣壓力的疲勞度

面料1制作的所有規(guī)格樣衣被持續(xù)穿著4 h后的壓力值、壓力衰減值和壓力疲勞度，如圖6所示。

由圖6可知，全部測(cè)試部位的服裝壓力隨著伸長(zhǎng)率的增加而增大。 伸長(zhǎng)率為10%～55%，穿著4 h時(shí)壓力衰減值隨著伸長(zhǎng)率的增大逐漸增大，大部分在20～130 Pa。 但樣衣伸長(zhǎng)率為60%時(shí)，在肩上點(diǎn)、肩胛骨點(diǎn)和前胸下部壓力值與伸長(zhǎng)率55%時(shí)相近或稍小，壓力衰減值低于伸長(zhǎng)率55%時(shí)的壓力值。 這是由于測(cè)試用樣衣為無(wú)袖款，這些點(diǎn)距離服裝邊緣如領(lǐng)口、袖窿較近，在試驗(yàn)測(cè)試中，由于拉伸較大，在持續(xù)測(cè)試中不能夠保持固定，存在滑移，影響測(cè)試結(jié)果。 在同一規(guī)格樣衣中，壓力衰減值在不同的測(cè)試點(diǎn)存在明顯差異，局部曲率半徑大的部位，壓力衰減值一般較大，由于這些部位拉伸變形較大，產(chǎn)生的應(yīng)力松弛幅度大。在壓力疲勞度方面，除個(gè)別點(diǎn)外，都集中于3%～5%，說(shuō)明面料1具有很好的壓力穩(wěn)定性。

面料2制作的所有規(guī)格樣衣被穿著4 h后的壓力值、壓力衰減值和壓力疲勞度如圖7所示。

由圖7可知，在大部分測(cè)試部位，服裝壓力隨著伸長(zhǎng)率的增加而增大，在肩上點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大。伸長(zhǎng)率一般為10%～55%，穿著4 h的壓力衰減值隨伸長(zhǎng)率的增加而逐漸增大；伸長(zhǎng)率為60%，在肩上點(diǎn)和肩胛骨點(diǎn)的壓力值與伸長(zhǎng)率55%相近或稍小，壓力衰減值低于伸長(zhǎng)率55%時(shí)的壓力衰減值。 在壓力疲勞度方面，除個(gè)別點(diǎn)外，都集中于3%～9%，整體壓力疲勞度比面料1偏大，說(shuō)明其具有相對(duì)較差的壓力穩(wěn)定性。 結(jié)合面料的纖維成分分析，面料1含有氨綸比例更大，因此說(shuō)明氨綸含量對(duì)壓力穩(wěn)定性有一定的影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研發(fā)的智能假人服裝壓測(cè)試系統(tǒng)，其包含9個(gè)嵌在假人體表不同部位的高精度壓力傳感器，分別是肩上點(diǎn)、肩胛骨點(diǎn)、腋下點(diǎn)、前胸下部、高腰側(cè)點(diǎn)、前腰中點(diǎn)、后腰側(cè)點(diǎn)、腹凸點(diǎn)和腹側(cè)點(diǎn)。此系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、持續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)穿著在智能假人身上的壓力服裝的壓力分布，完成體外服裝壓測(cè)試與評(píng)價(jià)壓力服裝綜合性能。 12種規(guī)格的壓力服裝穿著在智能假人身上，服裝壓測(cè)試系統(tǒng)分別進(jìn)行連續(xù)4、12 h的服裝壓測(cè)試，研究結(jié)果表明：(1)在制作的同規(guī)格樣衣中，由于采用的面料不同，壓力分布有明顯差異；(2)在多數(shù)測(cè)試區(qū)域，服裝壓力值隨著樣衣圍度方向拉伸伸長(zhǎng)率的增加而增大；(3)連續(xù)穿著4 h后的樣衣壓力疲勞度可用于表征壓力服裝的壓力疲勞性能；(4)連續(xù)穿著4 h后，樣衣圍度伸長(zhǎng)率為10%～55%，樣衣的大部分測(cè)試點(diǎn)壓力衰減值隨著伸長(zhǎng)率的增加而增大，壓力疲勞度變化不大，面料1制作的樣衣壓力疲勞度為3%～5%，面料2制作的樣衣壓力疲勞度為3%～9%。 此套設(shè)備為標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)壓力服裝的壓力性能提供了可能。