壓力襪壓力與位移隨著裝時間變化的有限元模擬

鄭玉婕, 覃 蕊

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,青島 266071)

壓力襪是日常生活中應(yīng)用非常廣泛的服飾之一[1-3]。在穿著壓力襪的過程中,壓力襪的功能與著裝壓力舒適性有著密切聯(lián)系[4]。目前,關(guān)于壓力襪的研究大多集中于足踝部壓力研究,對于襪口處壓力研究較少。襪口是影響壓力襪舒適性和功能性的重要部位,壓力過小襪口處容易滑脫,壓力過大會使穿著者產(chǎn)生不適感,同時給肌體帶來負(fù)面影響,甚至產(chǎn)生器官與組織病變[5]。因此,壓力襪的襪口處應(yīng)具有適宜的壓力分布趨勢及壓力范圍。

對于壓感舒適性的評價,傳統(tǒng)方法是直接測量人體受壓部位壓力數(shù)據(jù),再結(jié)合主觀評價進行綜合測評[6]。該方法雖然操作簡單,但由于受到人的生理和心理因素的影響,容易使實驗結(jié)果產(chǎn)生偏差[7]。Verillo[8]指出,在理想狀態(tài)下,低于1 μm的體表位移就能有效引起壓感的產(chǎn)生。該結(jié)果表明,人體由于壓力而產(chǎn)生的內(nèi)向位移是壓感舒適性評價的有效指標(biāo)。壓力襪襪口對人體施壓,人體會產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)向位移,不同部位的位移存在差異。同時,隨著著裝時間的延長,襪口處人體所受壓力及位移也呈現(xiàn)不斷變化的趨勢。深入探討人體穿著緊身服裝過程中壓力與位移之間的關(guān)系,對于壓感舒適性評價及服裝的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改良具有一定的參考意義。

本研究以壓力短襪為研究對象,通過非接觸式三維人體掃描獲取襪口處人體腿截面形態(tài),針對壓力短襪襪口處存在的壓力過大導(dǎo)致不舒適感或壓力過小產(chǎn)生的易滑脫等壓力分布不合理現(xiàn)象,結(jié)合壓力襪的著裝時間,將著裝過程分為6個時間段(瞬時,1、2、4、8、12 h),應(yīng)用ANSYS有限元軟件模擬6個時間段襪口處人體腿截面壓力與位移分布趨勢。通過曲線擬合,得到6個時間段壓力、位移與對應(yīng)角度的函數(shù)關(guān)系。即:當(dāng)人體處于服裝壓力狀態(tài)時,在已知壓力值的前提下,可通過函數(shù)方程計算人體對應(yīng)的位移值,進而為壓感舒適性評價提供數(shù)據(jù)支撐。該方法為壓力襪襪口處的壓感舒適性研究及優(yōu)化設(shè)計提供了理論參考,同時可應(yīng)用于其他類型的緊身服裝。

1 壓力襪襪口處人體腿截面曲線的確立

1.1 非接觸式三維人體掃描

準(zhǔn)確的人體形態(tài)結(jié)構(gòu)是進行人體壓力及位移形變研究的基礎(chǔ),基于此,本研究通過非接觸三維人體掃描獲取壓力襪襪口處人體腿截面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

通常壓力短襪襪口位置為人體內(nèi)側(cè)腳踝點水平向上5～6 cm處[9],而5 cm和6 cm處截面大小及形狀基本相同,本研究將6 cm處定義為襪口截面位置。

1.1.1 實驗對象

選取年齡在20～25歲標(biāo)準(zhǔn)體型的健康男性大學(xué)生50人。

1.1.2 實驗對象選取原則

參照GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》國家標(biāo)準(zhǔn),實驗對象的平均身高和體重與95%的標(biāo)準(zhǔn)中統(tǒng)計數(shù)據(jù)相似[10]。

1.1.3 實驗要求

受試者赤裸腿部站在TecMath非接觸式三維人體測量儀上,通過三維人體掃描,把50位受試者內(nèi)側(cè)腳踝凸出點水平向上6 cm處截面形態(tài)掃描并截取出來。圖1為隨機選取的襪口處腿截面掃描曲線。

圖1 襪口處人體腿截面曲線Fig.1 Leg cross section of the top part of socks

1.2 襪口處腿截面形態(tài)的獲取

剔除不符合標(biāo)準(zhǔn)的截面曲線,本研究選取其中的40個截面進行處理。將40條曲線同心疊加,圓心為截取截面曲線時三維掃描系統(tǒng)自動定義的圓心。用Matlab軟件按照直角坐標(biāo)系每5°為一點等分,分別確定40個截面曲線中72個點的坐標(biāo),再將40個截面坐標(biāo)的各對應(yīng)點分別取平均值,即得到平均腿部截面圖及各點坐標(biāo)值(圖2)。

圖2 襪口處腿截面形態(tài)Fig.2 Shape of the leg cross section at the top part of socks

2 實驗樣品的選取及壓力測試

2.1 實驗樣品的選取

考慮到市面上常用壓力短襪的面料成分組成,本研究選取了6款常見的壓力短襪作為實驗樣品,并將6款樣本根據(jù)面料成分劃分為兩組,襪口部位具體參數(shù)如表1所示。

表1 6款實驗用壓力短襪性能參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of six experimental socks

其中,A1、A2、A3主成分為錦綸,B1、B2、B3為棉;k(N/m)為襪口彈性系數(shù),v為襪口材料泊松比,w(mm)為原始襪口寬。

2.2 壓力測試

本研究使用AMI3037-5S氣囊式服裝壓力測量裝置(日本AMI公司),測量受試者穿著6款實驗用壓力襪時襪口處72點壓力值。

通常情況下,人一天中連續(xù)穿著壓力襪的時間不超過12 h?；诖?本研究定義連續(xù)穿著壓力襪的最長時長為12 h,并將著裝時間劃分為6個時間點:瞬時壓力,1、2、4、8、12 h,通過壓力測試分別得到6款壓力襪襪口處72點壓力數(shù)據(jù)。

本研究以A1為例,壓力數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同時間段壓力值(A1)Fig.3 Pressure values in different periods (A1)

由圖3可見,襪口處人體腿截面上所有點的壓力值隨著著裝時間的延長均呈現(xiàn)遞減趨勢。在著裝過程中,60°和270°位置壓力較大,0°位置壓力較小。在瞬時壓力中,270°壓力值為3.44 kPa,0°壓力值2.73 kPa。穿著壓力襪1 h后,270°壓力值下降為2.46 kPa、下降幅度28.49%,0°壓力值1.73 kPa、下降幅度18.78%?？梢?在穿著壓力襪1 h內(nèi),腿截面上原始壓力越大的位置,壓力數(shù)值隨著著裝時間的延長下降越明顯。穿著12 h后,270°壓力值下降為1.22 kPa、下降幅度64.53%,0°壓力值0.74 kPa、下降幅度65.26%,表明隨著著裝時間的延長,壓力下降幅度趨于平衡。同時,隨著著裝時間的延長,壓力值的下降幅度越來越小,著裝后8 h和12 h的壓力數(shù)據(jù)已基本近似。因此可以近似地認(rèn)為,著裝8 h后,襪口處截面上各點壓力值基本達到平衡,不同點的壓力數(shù)值差距逐漸縮小。

3 襪口處腿截面有限元模型的構(gòu)建

人體小腿截面主要由皮膚、軟組織(肌肉、血管、神經(jīng))、脛骨和腓骨組成[11],襪口處人體腿部皮膚厚度約為1.5 mm[12]。根據(jù)非接觸式三維人體掃描及人體小腿處內(nèi)部結(jié)構(gòu),本研究構(gòu)建襪口處人體腿截面有限元模型,如圖4所示。

圖4 襪口處截面有限元模型Fig.4 FE model of leg cross section of the top part of socks

本研究將人體視為彈性體,腿截面與壓力襪間的接觸為彈性接觸。假設(shè)襪口處人體皮膚、軟組織及骨骼均為各向同性均勻的線彈性材料,分別設(shè)置三種材料的單元類型、彈性模量和泊松比,詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型的單元類型及材料參數(shù)Tab.2 Element type and material parameters of FE model

對襪口處腿截面進行二維三角形網(wǎng)格劃分,同時施加壓力載荷。骨骼為人體腿截面中最硬的部位,當(dāng)穿著壓力襪后,可以近似地認(rèn)為脛骨和腓骨在受壓后不發(fā)生位移?；诖?本研究將脛骨和腓骨X、Y方向位移均為0作為模型的邊界條件。

4 著裝后腿截面位移的有限元模擬

4.1 襪口處腿截面受壓后位移模擬

在ANSYS有限元軟件中導(dǎo)入腿截面壓力值作為壓力載荷,通過求解和后處理,可得到6款壓力襪襪口處腿截面位移分布云圖。本研究以穿著實驗用樣品A1一小時為例,位移分布云圖如圖5所示。

圖5 著裝1 h后位移分布云圖(A1)Fig.5 Displacement distribution cloud chart of leg cross section after 1h (A1)

圖5中,不同顏色代表不同的位移大小,下面的顏色帶從左到右表示數(shù)值依次增加。

4.2 位移隨著裝時間變化趨勢分析

通過有限元模擬,可得到6款實驗用壓力襪在6個時間段72點各自位移。本研究以A1為例,位移隨時間變化數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 位移隨著裝時間變化曲線(A1)Fig.6 Graph of the displacement values with time (A1)

由圖6可見,隨著著裝時間的延長,腿截面上各點位移均呈遞增趨勢,且6個時段的位移分布規(guī)律基本近似。270°位置為位移最大點,0°位置為位移最小點。在最開始的1 h內(nèi),位移的增長幅度最大,約為總體增長幅度的1/3;4 h后,位移增長幅度基本達到整體增長幅度的1/2;而后隨著時間的延長,增長幅度越來越小。在穿著壓力襪12 h后,位移最大點由原始狀態(tài)的1.178 mm增至4.44 mm,增長了3.77倍,位移最小點處由原始狀態(tài)的0.11 mm增至0.41 mm,增長了3.73倍,且同一時段的位移最大值約為位移最小值的2倍。

4.3 襪口處腿截面壓力與位移函數(shù)關(guān)系

當(dāng)人體受到服裝壓力時,壓力與體表產(chǎn)生的內(nèi)向位移之間的關(guān)系是評價壓力舒適性及對緊身服裝進行優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵。為了探討壓力襪整個著裝過程中壓力與位移間的函數(shù)關(guān)系,本研究構(gòu)建了“壓力/位移—角度”函數(shù)曲線,如圖7所示。

由圖7可見,6組曲線幾乎呈現(xiàn)出相同的變化趨勢,最高點約出現(xiàn)在350°位置,最低點約出現(xiàn)在255°位置。曲線分布的總體趨勢為[50°,135°]和[255°,350°],數(shù)值呈現(xiàn)遞增趨勢,而[0°,50°][135°,255°]和[350°,360°]遞減。從圖7還可以看出,無論穿著何種類型的壓力襪,且無論著裝時長如何,相應(yīng)位置的“壓力/位移—角度”函數(shù)關(guān)系基本保持不變。該結(jié)論為確定壓力襪襪口處壓力舒適范圍提供了可能,也為人體體表位移數(shù)據(jù)的獲取提供了參考依據(jù)。

圖7 著裝過程中“壓力/位移—角度”函數(shù)曲線Fig.7 Functional curve between pressure/displacement ratio and angle in whole wearing process

為了更加準(zhǔn)確地對函數(shù)曲線進行擬合,本研究根據(jù)曲線趨勢對函數(shù)曲線進行了轉(zhuǎn)換,角度由[0°,360°]轉(zhuǎn)換為[-10°,350°],如圖8所示。

圖8 “壓力/位移—角度”函數(shù)曲線角度轉(zhuǎn)換Fig.8 Conversion curve of pressure/displacement ratio and angle functional curves

根據(jù)曲線分布趨勢,本研究將函數(shù)曲線分為兩個區(qū)域,分別為[-10°,135°](第一部分)和[135°,350°](第二部分)。通過Origin軟件分別擬合兩條“壓力/位移—角度”二次曲線,擬合曲線及方程如圖9所示。

圖9 “壓力/位移—角度”二次曲線擬合方程Fig.9 Fitting curve of functional relationship between pressure/displacement ratio and angle

在圖9中,角度為自變量,“壓力/位移”為因變量,擬合曲線為二次方程。擬合曲線方程式及擬合度如表3所示。

表3 擬合曲線方程Tab.3 Fitting curve equations

表3中,兩條擬合曲線的擬合度(R2)均在0.92以上,顯示擬合度良好。根據(jù)擬合曲線方程,可以獲取人體位移數(shù)據(jù)及任意點壓力與位移之間的關(guān)系。由外部壓力產(chǎn)生的垂直于人體體表的內(nèi)向位移是評價緊身服裝壓力舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)。但是,由于緊身服裝對人體產(chǎn)生的壓力有限,因此位移形變通常較小,并且難以使用常規(guī)的物理方法獲取較為準(zhǔn)確的人體位移值[13-15]。利用本研究獲得的擬合曲線方程,想要獲取人體腿截面上任意點的位移數(shù)據(jù),只需要應(yīng)用壓力測試系統(tǒng)測量出該點壓力值,將壓力值和角度值代入文中求得的二次方程,即可求出該點對應(yīng)的位移值。

4.4 襪口處腿截面面積縮量分布趨勢

人體體表面積縮量是評價緊身服裝壓力程度的重要指標(biāo)。根據(jù)腿截面面積縮量的分布趨勢,在襪子設(shè)計過程中,可以將襪口設(shè)計為松緊不同的區(qū)域,以滿足人體的著裝舒適性需求。為了獲取人體著裝后腿截面的面積縮量分布情況,本研究將腿截面上72點中的每四個相鄰點構(gòu)成一個不規(guī)則四邊形。假設(shè)四個相鄰點的坐標(biāo)值為Mn(Xn,Yn)、Mn+1(Xn+1,Yn+1)、Mn′(Xn,Yn)、Mn+1′(Xn+1,Yn+1),該四邊形為面積Sn,可以近似地認(rèn)為Sn的面積等于襪口處腿截面不規(guī)則四邊形面積Sn′(圖10)。

(1)

為了更加準(zhǔn)確地判斷壓力作用下腿截面面積縮量的分布趨勢,本研究將襪口處腿截面按照每30°為一個區(qū)域等分為12個區(qū)域,[0°,30°]為區(qū)域1,[30°,60°]為區(qū)域2,……,以此類推。依據(jù)式(1)分別計算12個區(qū)域在不同著裝時間段(瞬時,1、2、4、8、12 h)的面積縮量數(shù)據(jù),如圖11所示(以A1為例)。

圖11 腿截面6個時間段面積縮量(A1)Fig.11 Area shrinkage mass of the lower leg at six periods of time (A1)

由圖11可見,12個區(qū)域的面積縮量均隨著裝時間的延長呈現(xiàn)增長趨勢。在6個時間段內(nèi),區(qū)域9在整個著裝時間內(nèi)面積縮量最大,區(qū)域5最小,區(qū)域12與區(qū)域5幾乎相同。區(qū)域9的面積縮量約為區(qū)域5和區(qū)域12的15倍。穿著壓力襪12 h后,區(qū)域9面積縮量增加3.63倍,區(qū)域5和區(qū)域12約增加3.48倍。由于區(qū)域5和12位置有脛骨和腓骨,軟組織層較薄,在一段時間的壓力作用下,腿截面位移達到平衡。因此,隨著著裝時間的延長,區(qū)域5和區(qū)域12的面積縮量增加略小于其他區(qū)域。另一方面,在軟組織層較厚的區(qū)域9中,當(dāng)其他參數(shù)相同時,腿截面位移變化較大。

在壓力襪的設(shè)計過程中,可以根據(jù)面積縮量的分布趨勢,結(jié)合主觀壓力舒適性評價,將襪口設(shè)計為松緊不同的區(qū)域,以滿足人體的著裝舒適性需求,該結(jié)論為壓力襪襪口優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

5 結(jié) 論

緊身服裝對人體體表產(chǎn)生的位移是評價壓感舒適性和進行服裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要指標(biāo)。通常情況下,緊身服裝產(chǎn)生的人體形變較小,并且很難通過常規(guī)物理方法獲取位移數(shù)據(jù)。本研究提供了一種準(zhǔn)確、簡單可行的方法獲取人體穿著緊身服裝后的位移數(shù)據(jù)。

1) 以彈性壓力襪為研究對象,在已知人體小腿處各部位的相關(guān)物理參數(shù)及壓力襪口對人體腿部施加的部分點壓力數(shù)據(jù)的前提下,將壓力襪的著裝過程分為6個時間段(瞬時,1、2、4、8、12 h),通過非接觸式三維掃描、襪口處腿截面模型的建立、有限元模擬和曲線擬合,得到了在穿著6款壓力襪時“壓力/位移”與角度之間的函數(shù)關(guān)系。

2) 無論受試者穿著何種壓力襪,著裝時長如何,“壓力/位移”與角度之間的函數(shù)關(guān)系基本保持不變。利用該擬合曲線方程,在已知壓力值的情況下,可以得到襪口處腿截面任意角度點、穿著壓力襪后任意時長的位移數(shù)據(jù)。

3) 在壓力襪的設(shè)計過程中,可以根據(jù)壓力、位移與角度之間的關(guān)系,將襪口設(shè)計為松緊不同的區(qū)域,以滿足人體的著裝舒適性需求,該結(jié)論為服裝壓力舒適性的評價和服裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化改良提供了參考。此方法同樣適用于其他類型的緊身服裝。

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