舒適服裝壓及其與織物力學(xué)性能相關(guān)性研究進(jìn)展

張宇飛，魏小紅，王越平，肖 紅

(1.北京服裝學(xué)院 材料設(shè)計(jì)與工程學(xué)院，北京 100029； 2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院 軍需工程技術(shù)研究所，北京 100010)

人體穿著服裝后，無論是靜止還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，都會(huì)因服裝的壓力作用給人體帶來舒適或不舒適的服裝穿著主觀感受，其受到人體生理、心理和服裝號(hào)型、尺寸及材料等多因素的影響。在實(shí)際使用中，一方面，可以通過測(cè)量獲得人體特定部位或者是特定類型服裝的服裝壓；另一方面，在服裝款式、尺寸、應(yīng)用場(chǎng)景明確條件下，服裝壓主要來自于織物的物理機(jī)械性能，包括彈性模量、拉伸應(yīng)變及應(yīng)力等。探明舒適服裝壓和織物力學(xué)性能的相關(guān)性，對(duì)織物開發(fā)及服裝設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

本文從服裝壓的定義及分類出發(fā)，分析服裝壓的影響因素，介紹人體不同性別、不同部位和不同類型服裝的舒適服裝壓范圍；綜述并分析服裝壓和織物力學(xué)性能相關(guān)性的理論公式、實(shí)際測(cè)試等方面的研究進(jìn)展。提出舒適服裝壓及織物力學(xué)性能相關(guān)性的研究方向。

1 服裝壓及舒適服裝壓范圍

1.1 服裝壓的概念

服裝壓指人體穿著服裝后，服裝對(duì)人體表面垂直施加的壓力，主要由集束壓、面壓以及質(zhì)量壓3部分組成[1]。質(zhì)量壓是服裝自身質(zhì)量給予人體的壓力，在秋冬季、極地等服裝中表現(xiàn)明顯。集束壓是由于服裝寬松量設(shè)計(jì)較小、系扣繩帶或彈性帶而產(chǎn)生的壓力，這種壓力的代表性服裝有緊身胸衣、緊身衣褲等。面壓是著裝者帶動(dòng)服裝產(chǎn)生一定的形變導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，包括剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、拉伸和收縮應(yīng)力[2]。人體所受的服裝壓通常是上述多個(gè)力共同作用的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)研究的服裝壓一般也是三者的統(tǒng)一。

服裝壓是一個(gè)可以量化的數(shù)據(jù)，常用單位為kPa。服裝壓的客觀評(píng)價(jià)方法包括直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接測(cè)量法是在人體和服裝之間放置內(nèi)置空氣的橡膠球或氣囊，通過內(nèi)部空氣的壓縮流動(dòng)測(cè)量服裝壓[3-4]；或者通過各類壓阻/電容/應(yīng)變/壓電/光纖類壓力傳感器[4-6]，獲得特定部位的服裝壓。為了消除人的主觀影響，人們也會(huì)使用間接測(cè)量法，采用軟體假人代替真人進(jìn)行測(cè)試[7-9]。結(jié)合實(shí)際測(cè)量，進(jìn)一步通過三維人體建模模擬，也可以獲得具有一定普適性的人體服裝壓計(jì)算公式[10-11]。

如果穿著的服裝能夠使得著裝者自由運(yùn)動(dòng)，減少對(duì)肢體的束縛，保持著裝者運(yùn)動(dòng)舒適，則稱該服裝具有服裝壓舒適性，此時(shí)的服裝壓就被稱為舒適服裝壓[12]。通常，舒適服裝壓并不是一個(gè)具體數(shù)據(jù)，而是一個(gè)范圍。除了心理、神經(jīng)生理和生理的人體因素外，人體各部位的物理機(jī)械屬性及服裝性能是關(guān)鍵影響因素。

1.2 不同性別和部位的舒適服裝壓

影響服裝壓舒適性的人體客觀物理因素主要包括人體各部位的身體曲率、彈性模量、軟組織結(jié)構(gòu)、脂肪含量及運(yùn)動(dòng)幅度等方面的差異[13-14]。相關(guān)研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，男性女性在人體不同部位的舒適服裝壓范圍[15]見表1。人體不同部位的服裝壓通常由主觀評(píng)價(jià)法與服裝壓客觀測(cè)量法綜合得出，統(tǒng)計(jì)主觀評(píng)價(jià)為舒適的服裝壓數(shù)值，歸納整理后得出舒適服裝壓范圍。

表1 人體不同部位的舒適服裝壓范圍 kPa

由表1可知，在人體多個(gè)部位，男性女性相同部位下舒適服裝壓的范圍和最大值均是男性大于女性，比如上臂、腰部、下臂等。但在個(gè)別部位，由于男性女性在該部位的曲率半徑、表面彈性系數(shù)有顯著差異，導(dǎo)致舒適服裝壓有較大差別。一般情況下，曲率半徑越小、表面彈性系數(shù)越高的部位，其服裝壓越大[16]。最為典型的部位就是胸部，女性胸部的表面彈性系數(shù)更高，曲率半徑更小，所以承受的服裝壓更大，擁有更高的舒適服裝壓。

1.3 不同服裝類型的舒適服裝壓

影響舒適服裝壓大小的服裝因素主要包括服裝尺寸、款式、服裝適用對(duì)象及場(chǎng)合、構(gòu)成服裝的織物性能等。尺寸越小、款式越緊身，人體感受到的服裝壓越大。尺寸和款式在服裝設(shè)計(jì)中，通過號(hào)型等設(shè)置可以調(diào)節(jié)的服裝壓，使其處于舒適服裝壓范疇。

通常根據(jù)服裝的適用對(duì)象及場(chǎng)合，對(duì)服裝進(jìn)行分類，對(duì)不同類型服裝的舒適服裝壓閾值進(jìn)行研究，用以指導(dǎo)服裝設(shè)計(jì)。從文獻(xiàn)歸納出的不同服裝類型對(duì)應(yīng)的舒適服裝壓范圍或閾值見表2。

值得注意的是，表2中的文獻(xiàn)獲得舒適服裝壓的方法、具體環(huán)境或?qū)ο蟠嬖诓町?，本文只是用來說明不同服裝類型有不同的舒適服裝壓范圍。研究特定類型服裝的舒適服裝壓，需要針對(duì)性的測(cè)量和分析。一般情況下，用于治療增生性瘢痕、血管類疾病的醫(yī)用長(zhǎng)襪的舒適服裝壓范圍略大于用于塑形美體的緊身胸衣、束褲類緊身服裝，其服裝壓均遠(yuǎn)大于日常穿著的服裝。

2 服裝壓與織物力學(xué)性能相關(guān)性

對(duì)于特定的人體部位，特定的服裝款式及尺寸，織物的物理機(jī)械性能是影響服裝壓最關(guān)鍵的因素。根據(jù)前人的研究[19, 25-26]可知，有多種織物物理特性都會(huì)對(duì)服裝壓產(chǎn)生或多或少的影響，包括織物的拉伸性能、彈性模量、剪切性能、彎曲性能、柔軟度以及織物摩擦因數(shù)等，其中最為關(guān)鍵的是織物彈性模量及拉伸性能。

表2 不同服裝類型對(duì)應(yīng)的舒適服裝壓范圍或閾值 kPa

2.1 理論研究

2.1.1 基于拉普拉斯方程的服裝壓預(yù)測(cè)模型

為了探索服裝壓與織物性能的關(guān)系，文獻(xiàn)[27]借鑒用于計(jì)算固體圓筒容器或彈性容器裝滿液體后的表面張力的拉普拉斯定律，構(gòu)建服裝壓預(yù)測(cè)模型見式(1)。如Troynikov等[28]通過使包覆圓柱體的織物產(chǎn)生特定的拉力，而后用拉普拉斯定律來預(yù)測(cè)織物對(duì)圓柱體(半徑已知)施加的服裝壓的大小。Maecintyre等[29]進(jìn)一步驗(yàn)證了拉普拉斯定律的有效性，并證明其在預(yù)測(cè)曲率半徑較小處的服裝壓時(shí)準(zhǔn)確程度較低。

P=T/R

(1)

式中：P為圓柱面壓力，Pa；T為每米織物的張力,N/m；R為圓柱面的曲率半徑,m。

1966年，Kirk等[30]對(duì)人體膝蓋處的曲率半徑和此處的織物拉伸應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)量，提出了織物拉伸應(yīng)力、身體部位的曲率半徑與服裝壓之間的函數(shù)關(guān)系式：

P=TH/rH+TV/rV

(2)

式中：P為服裝壓,Pa；T為拉伸應(yīng)力,N/m；r為身體部位的曲率半徑,m；角標(biāo)H代表緯向；V代表經(jīng)向。

在特定情況下，式(2)可以簡(jiǎn)化為式(3)，進(jìn)一步說明了服裝壓與拉伸應(yīng)力成正比，與身體受壓部位的曲率半徑成反比[30]：

P=KT/r+C

(3)

式中：P為服裝壓,Pa；T為拉伸應(yīng)力,N/m；r為曲率半徑,m；K、C為常數(shù)。

早期的研究者們基于拉普拉斯方程所構(gòu)建的服裝壓預(yù)測(cè)模型整體較為簡(jiǎn)單，考慮因素較少，準(zhǔn)確程度有待提高。2001年，Ng等[31]在拉普拉斯定律基礎(chǔ)上考慮了織物的剛度因素，推導(dǎo)出了服裝寬裕量與服裝壓之間的關(guān)系：

(4)

式中：Re為服裝寬裕量,%；EI為織物剛度(單位長(zhǎng)度的織物張力/織物伸長(zhǎng)率),gf/cm；CF為壓縮因子；Chuman為人體某部位的周長(zhǎng),cm；P為服裝壓,mmHg。其中CF是為了使不規(guī)則的人體表面與理想圓柱體具有相同的服裝壓，而使二者織物具有不同尺寸周長(zhǎng)所用的轉(zhuǎn)換因子，即壓縮因子。

2001年，Ng等[32]研究了管狀彈性織物的長(zhǎng)寬比對(duì)壓力服中服裝壓大小的影響，并發(fā)現(xiàn)在給定的彈性織物下，織物施加的服裝壓與((AR0)/W0-(AR1)/W1)成正比。

(5)

式中：P為服裝壓,Pa；EI為織物剛度,N/m2；AR0為針織面料拉伸前的長(zhǎng)寬比；AR1為針織面料拉伸后的長(zhǎng)寬比；W0為針織面料拉伸前的寬度與單位長(zhǎng)度的比值；W1為針織面料拉伸后的寬度與單位長(zhǎng)度的比值。

Liu等[33]還構(gòu)建出一種理論模型，該模型可以預(yù)測(cè)多層的、每層都具有不同拉伸特性的管狀彈性織物穿著在圓柱管上時(shí)所產(chǎn)生的服裝壓。當(dāng)組成多層管狀織物的每個(gè)織物層的厚度都很小，并且具有相似的應(yīng)力應(yīng)變行為時(shí)，該模型準(zhǔn)確度相對(duì)較高。

(6)

式中：P為服裝壓,Pa；ε為軸向應(yīng)變,%；C為針織物周長(zhǎng),mm；N為針織物層數(shù)；hi為第i層針織物的厚度,mm；Ei為第i層針織物的彈性模量,N/m2。

2.1.2 其他服裝壓預(yù)測(cè)模型

1983年，田中道一等[34]考慮到人體和服裝間的摩擦因數(shù)，提出了公式(7)，描述的是將圓筒狀彈性織物包覆在彎曲的肘部或膝部，使彎曲部位產(chǎn)生明顯的人體與服裝間法向壓力。在其余條件相同的情況下，“人體表面—服裝”界面摩擦因數(shù)越大，所產(chǎn)生的服裝壓就越小。

(7)

式中：Ps為在任意點(diǎn)S處的服裝壓, g/cm2；P0為彎曲前的服裝壓, g/cm2；t0為彎曲處的服裝張力,g/cm2；μ為人體表面和服裝間的摩擦因數(shù)；e為自然對(duì)數(shù)的底；c、k為常數(shù)；s為從彎曲處沿手臂或腳的長(zhǎng)度在服裝面上測(cè)定的距離,cm。

當(dāng)服裝的寬裕量和伸長(zhǎng)量小于人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的皮膚伸長(zhǎng)量時(shí)，會(huì)引起服裝變形拉伸并產(chǎn)生拉伸張力T。2018年，段彩玲[35]提出了理論關(guān)系式(8)，建立了服裝壓與織物的拉伸張力、彈性模量、形變量及人體表面曲率的關(guān)系。

F=2Tcosφ=2flcosφ

(8)

式中：F為服裝壓力,N；T為拉伸張力,N；f為織物彈性模量,N/m2；l為織物形變量,m；φ為織物拉伸張力T與服裝壓F的夾角。

前述理論公式不約而同的證明了一點(diǎn)：即服裝壓與織物的力學(xué)性能密切相關(guān)，存在著定量關(guān)系。

2.2 實(shí)踐研究

2.2.1 定性研究

關(guān)于服裝壓與織物力學(xué)性能相關(guān)性的定性研究一直在不斷發(fā)展。Gong等[36]通過測(cè)試5種彈性織物伸長(zhǎng)率及其不同伸長(zhǎng)率下小腿處的服裝壓，提出織物服裝壓會(huì)隨織物伸長(zhǎng)率增加而線性增加，并且具有各向異性。Liu等[37]研究了醫(yī)療壓縮襪(GCSs)的服裝壓與力學(xué)性能之間的關(guān)系。服裝壓較小的GCSs可產(chǎn)生較大的拉伸形變、較低的抗彎剛度和剪切剛度及定負(fù)荷拉伸下較好的拉伸性能。而具有更高服裝壓的GCSs表現(xiàn)出相反的性質(zhì)。2年后Liu等[38]進(jìn)一步證明了GCSs的材料性能對(duì)服裝壓的大小及分布有著顯著的影響。研究證明了織物的拉伸功(WT)和拉伸應(yīng)變(EM)與服裝壓大小呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性， 剪切剛度(G)和抗彎剛度(B)與服裝壓大小呈正相關(guān)。王伶俐[39]指出，針織物的初始模量、蠕變率、應(yīng)力松弛率、拉伸伸長(zhǎng)率、定伸長(zhǎng)力和定伸長(zhǎng)功與服裝壓力呈現(xiàn)顯著正相關(guān)性，最大彈性伸長(zhǎng)率、塑性變形率和定力伸長(zhǎng)率與服裝壓呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)性。

可見，進(jìn)行服裝壓相關(guān)性定性研究的織物力學(xué)性能指標(biāo)，從一開始較為簡(jiǎn)單的拉伸，逐步加入了剪切、彎曲、彈性等內(nèi)容，并將初始模量、蠕變率、塑性變形率等也納入了研究范疇。

2.2.2 定量研究

建立服裝壓與織物力學(xué)性能的定量關(guān)系一直是研究者們不懈努力的方向。近些年發(fā)展較為迅速的是通過有限元模擬法預(yù)測(cè)服裝壓數(shù)值。

2011年，Liu等[40]通過有限元模擬法構(gòu)建了人體胸部的服裝壓與服裝在胸部處的應(yīng)變、彈性模量之間的關(guān)系。首先測(cè)量彈性模量、人體穿著彈性運(yùn)動(dòng)背心后的服裝壓，然后構(gòu)建由皮膚、軟組織和骨骼3部分組成的有著標(biāo)準(zhǔn)女性胸部橫截面的有限元模型，最后將實(shí)測(cè)服裝壓作為載荷代入有限元模擬中，通過有限元模型獲得該服裝壓下的人體應(yīng)變值。由此建立服裝壓、服裝胸部應(yīng)變量和彈性模量，代入獲得三者間線性方程。同年，Lin等[41]同樣利用有限元模擬法嘗試預(yù)測(cè)身著運(yùn)動(dòng)衣的男性腿部的服裝壓。該項(xiàng)研究不僅構(gòu)建出詳細(xì)的腿部模型，而且進(jìn)一步的構(gòu)建出了具有非線性彈性材料屬性的運(yùn)動(dòng)服模型。在有限元軟件中將運(yùn)動(dòng)服模型穿套在腿部模型上，從而模擬出在穿戴該種運(yùn)動(dòng)服時(shí)的男性腿部的服裝壓、應(yīng)變值等。并將模擬值與相同情況下的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，證明其具有較高的一致性。

研究者們同時(shí)也在不斷地完善著經(jīng)典的主觀評(píng)價(jià)與客觀實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。2016年，陳麗華[42]采用“舒適服裝壓范圍→對(duì)應(yīng)的拉伸力范圍→對(duì)應(yīng)的拉伸率范圍→舒適壓力范圍內(nèi)彈性服裝的寬裕量”的研究思路，對(duì)20種常用不同彈性的彈力針織物及其服裝，測(cè)量出在定拉伸率下針織物的拉伸力及服裝壓，并分組構(gòu)建出相應(yīng)的線性回歸方程。研究表明定伸長(zhǎng)力與服裝壓和拉伸率均為顯著的線性相關(guān)關(guān)系。2017年，胡立娟[22]使用薄膜壓力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試了氨綸彈力網(wǎng)眼織物的服裝壓，得到服裝壓與織物的定伸長(zhǎng)力、初始模量和拉伸回復(fù)率之間的關(guān)系；而后以舒適服裝壓作為標(biāo)準(zhǔn)參照，確定舒適織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)和拉伸彈性。表明內(nèi)衣壓力與織物的初始模量、定伸長(zhǎng)力呈正相關(guān)性，而與拉伸回復(fù)率的相關(guān)性不顯著。顯然，由舒適服裝壓得到對(duì)應(yīng)的織物性能參數(shù)是可行的。2017年，Liu等[43]采用主觀舒適性評(píng)價(jià)與客觀拉伸實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，首先測(cè)量樣品圍帶等部位長(zhǎng)度，獲得定伸長(zhǎng)率下的拉伸張力，計(jì)算出等效服裝壓；結(jié)合結(jié)構(gòu)參數(shù)和張力數(shù)據(jù)，建立預(yù)測(cè)圍帶服裝壓的方程；根據(jù)主觀評(píng)價(jià)確定文胸的舒適服裝壓的范圍。

典型壓力服裝的服裝壓與伸長(zhǎng)率的相關(guān)性見表3。

表3 典型壓力服裝的服裝壓與伸長(zhǎng)率的相關(guān)性

3 現(xiàn)有研究存在的問題

現(xiàn)有研究明確了舒適服裝壓與人體曲率半徑和織物力學(xué)性能有著明確的相關(guān)性，并且可以由舒適服裝壓反推得到對(duì)應(yīng)織物的性能要求。但是現(xiàn)有的研究仍然存在如下不足：

①無論是理論計(jì)算還是有限元法，對(duì)于人體模型的處理通常是將其簡(jiǎn)化為表面光滑平整沒有起伏、或具有一定起伏的圓柱體，并且對(duì)人物模型賦予其均一的屬性。如果需要更加精確的模擬和計(jì)算，則應(yīng)該探索建立更加貼近人體表面形狀并具有多種屬性的復(fù)雜模型。

②典型測(cè)量服裝壓的方法是在服裝內(nèi)襯入電子壓力傳感器，以此記錄該位置點(diǎn)的壓力動(dòng)態(tài)變化情況。但是服裝舒適性的感受通常是服裝面與人體表面相接觸感知的。由壓力傳感器測(cè)得的多個(gè)點(diǎn)的局部壓力與“服裝-人體”接觸面的服裝壓舒適度評(píng)價(jià)，“點(diǎn)-面”之間的相關(guān)性仍有不足。

③利用有限元模型模擬服裝壓的方法尚不成熟。常將服裝模型簡(jiǎn)化為具有一定屬性的“殼結(jié)構(gòu)”，或者直接在軟件中對(duì)人體模型施加已知的載荷。以上的方法均不能有效表現(xiàn)出真實(shí)服裝穿著過程中，紡織品帶來的復(fù)雜力學(xué)情況。

④現(xiàn)有研究中，對(duì)于服裝壓舒適性的判斷方法多采用人體試穿后，試穿者口述此時(shí)舒服或者不舒服然后記錄此時(shí)的服裝壓是否為舒適服裝壓。這樣的測(cè)試結(jié)果受試穿者心情、生理狀態(tài)、環(huán)境影響較大，測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定，可靠程度較低。目前已有研究者嘗試讓電腦對(duì)服裝壓數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，最終實(shí)現(xiàn)通過電腦評(píng)估虛擬服裝穿著的合身性[51]。但是總的來說，目前尚沒有一套具有嚴(yán)格限制條件的、完善的舒適服裝壓判定方法出現(xiàn)。

⑤現(xiàn)有對(duì)服裝壓的研究多局限于泳衣、壓力臂套等緊身紡織品，而制服類服裝加放量小、塑形性強(qiáng)，活動(dòng)過程中比休閑類衣服更加容易感受到服裝壓，目前尚缺少對(duì)合體制服類服裝壓的研究。

⑥目前對(duì)于服裝壓的研究多集中在“瞬時(shí)”服裝壓，即織物或服裝在某一刻測(cè)出的服裝壓是多少，然后將其與織物力學(xué)性能相聯(lián)系。較少有人研究服裝壓在時(shí)間、使用次數(shù)等條件作用下發(fā)生的變化，即服裝壓的“抗疲勞性”，并將某一過程下變化的服裝壓與織物力學(xué)性能相聯(lián)系進(jìn)行分析。

⑦服裝壓由面壓、質(zhì)量壓和集束壓3部分組成，現(xiàn)有研究均沒有加以區(qū)分，統(tǒng)一在服裝壓下進(jìn)行研究，但是三者在不同類型服裝中的重要程度有顯著區(qū)別。例如制服類服裝以質(zhì)量壓為主，相對(duì)應(yīng)的，紗線線密度等就對(duì)服裝壓的影響甚大；而在泳衣中，集束壓占據(jù)了主導(dǎo)地位，那么研究織物的彈性模量等力學(xué)性能就具有更重要的意義。目前尚沒有研究者對(duì)此進(jìn)行歸納整理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行服裝壓與織物力學(xué)性能相關(guān)性的研究。

4 結(jié)束語

已有的研究明確了舒適服裝壓與織物模量、形變量、形變時(shí)的應(yīng)力及人體曲率半徑相關(guān)，其中與織物相關(guān)的3個(gè)參數(shù)，也正是彈性織物最重要的彈性評(píng)價(jià)參數(shù)。例如大變形量的運(yùn)動(dòng)/緊身類服裝，需要模量小、易伸長(zhǎng)、易回復(fù)的彈性織物；小變形量的制服/西服類服裝，為了滿足適體性的要求，需要模量相對(duì)較大、不易伸長(zhǎng)、伸長(zhǎng)后回復(fù)性好的彈性織物。不同服用場(chǎng)景、不同的織物對(duì)織物力學(xué)性能提出了不同的細(xì)致要求。為了開發(fā)出穿著理想舒適的服裝，需要研究各類服裝在使用過程中的舒適服裝壓及其與織物力學(xué)性能的相關(guān)性，構(gòu)建舒適服裝壓與織物力學(xué)性能間的定量關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)織物的研發(fā)。