服装压力分布及预测的研究与进展_北京京显信息技术有限公司

近年来，服装压力分布舒适度已成为国内外的研究热点之一。当人体穿着服装时，服装对人体压力分布测量情况及压力预测是研究压力舒适度的前提。不同的人穿着不同的服装,在人体的各个部位产生压力的分布情况各不相同。传统的研究方法是通过测量比较人体各部位结构形态与服装款式及尺寸的关系,或使用压力仪器测量服装在人体某一具体部位的压力大小。这些方法虽然能够得到一些人体各部位形状与服装款式结构之间的关系,但还远远不能描述人体与服装间存在的多方面复杂关系。因此,深入探讨服装压力分布及预测方法对于压力舒适性评价是必不可少的,对于生产者设计及制作服装也具有重要的参考价值。

本文**归纳总结了服装压力分布及预测的研究现状及进展。

1.影响因素

影响服装压力分布的因素主要有人体和服装2个方面。

1.1 人体人体

是一个复杂的系统，服装穿着于人体后产生的压力分布情况与以下几个人体因素密切相关。

1）人体各部位形状各不相同，其中胸部、腰部、腿部等是研究压力分布的主要部位。人体各部位的形状、曲率以及皮肤和软组织的弹性模量对服装压力分布具有很大的影响。

2)人体各部位构成不同,骨骼形状及大小各异,肌肉厚度、压缩度和弹性模量各不相同,这些因素都会对压力分布产生一定的影响。

3）当人体姿势改变时，皮肤会产生不同程度的变形和位移，从而导致局部压力分布情况发生变化。1966年，KirkWm等测量了不同运动状态下人体皮肤的延伸率，这种方法为计算压力与皮肤延伸率的关系提供了重要参考。

1.2 服装服装

对压力分布的影响主要包括服装材料、款式以及尺寸等几个方面。在服装的尺寸、款式相同的情况下,伸长越难以及摩擦阻力越大的面料对人体产生的压力也越大。相同材料、相同款式的服装,宽松量越小、越紧身的服装对人体产生的压力越大。当服装材料和尺寸相同时,款式越贴合人体的服装,对人体产生的压力越大,如紧身衣、束带等对人体的压力明显大于同等号型的其他服装。

2.研究方法

2.1压力仪器直接测量法

直接测量法是用仪器直接测量待测点的压力值。从目前的情况来看,直接测量只能够得到某点的压力值,还无法预测服装与人体接触部位的压力分布规律,因此具有一定的局限性。

2.1.1流体压力测试法

压力的存在可以使U形管内的液面产生高度差，流体压力法就是通过读取液面高度差来获得压力值。运用这种方法测量服装压力时,将内置空气的橡胶球贴附于待测部位,读取单管内**柱的高度变化量或U形管内两侧的高度差,即为所测的服装压力。这种仪器体积小,质量轻,缺点是感应端的橡胶头尺寸大。在研究过程中,当待分析的某一点曲率很大时,如膝盖,弯曲的肘、胸部等部位,不但测量时较为困难,数据的准确性也很难保证。

2.1.2压力传感器测试法

压力传感器按结构形式可分为压阻式、电容式、应变式、压电式等。压阻式和电容式压力测试系统能实时测量连续的压力分布,应用*为普遍。在运用应变式传感器测量压力时,由于服装压力的存在,使贴附在待测部位的体积微小的应变片产生变形,通过传感器,电阻、电压值发生变化,即所谓的压力变化。美国Tekscan公司研制的压力分布测量系统可**用于多种领域中的压力分布测量与分析。其网格化基底的触觉传感器厚度只有0.127mm,可弯曲,轻薄小巧,力的量程*小可达665Pa,因此能够测量几乎所有服装与人体之间接触面的压力,可以较为真实地反映出压力数值及压力分布的变化规律。

2.1.3气压式服装压力测试法

气压式服装压力测试法是通过对充入一定量空气的气囊施压，气囊与半导体应变片式压力传感器相连接，压力的变化作为电压的变化被检测出来。在测量服装压力的时候,只需将气囊贴附于人体的待测部位,就可以直接读出压力数值。其中,气囊材质及厚度的选择对压力测量影响很大。为使压力气囊更好地贴合柔软的人体，2008年，陈东生等研制了Mju-c服装压力测试系统。其工作原理就是采用气压测试,在拟测压力的部位放入1个厚度约2mm的气囊作为感压部件,由于感压部件柔软轻薄,因此对于曲率较大(如膝盖,弯曲的肘部)以及构造较为复杂的部位(如胸部),该气囊可以很好地贴附于人体,减少了压力数值的误差。由于气囊很柔软,因此,当服装材料的弹性以及刚柔性较差时,材料的特性对压力变化影响较小。该测试系统的缺点是只能进行点测量,无法预测局部的压力分布规律。

2.1.4弹性光纤压力测试系统

利用具有弹性的光纤制成压力测试仪，测试并评定了男袜的压力舒适度。测量时,将弹力光纤放置在服装与人体待测部位之间,其工作原理是:由氦氖激光发生器产生入射光,进入光纤并从头到尾地反射回**,当弹力光纤被外部力量扭曲变形时,通过**的射线数量就会起变化,而外射的光线数量相应减少,其外射光线通过硅胶探测元件转换成电能,其电信号强度通过电子伏特计测量,弹力光纤的输出电压由硅制光电二极管、放大器、记录器读出。运用弹力光纤进行压力测试时,压力大小能通过测量外射光线的量获得。光纤传感器结构简单,体积小,很适合于服装压力的测量,缺点是受压力测量部位的限制。

2.2软体假人测量服装压力分布法

在压力测试过程中,实验室环境、温度、湿度、人的呼吸以及一些生理指标的微小变化都可能导致压力值的改变,因此在各项指标都与真人相似的软体假人上进行压力测试,可以避免外界条件对压力变化的干扰。

用软体假人代替真人进行压力测量,其前提是假人的材料与人体皮肤及软组织的弹性模量、厚度等指标相似。目前,高分子弹性体已**地应用于医疗卫生领域,并用于模拟人体组织和**。2003年，Ramkumar等对硅有机树脂进行了一系列重复性实验，制成了等同于人体皮肤的合成手指。2006年，Tanaka用聚二乙烯氟化物压力聚合物薄膜设计了1个有触觉感的手指，用于监测人体皮肤的状况。Profilometry指出，PUR-coatedPA是模拟皮肤的理想材料，这种材料的粗糙度参数指标Ra和Rz与自然状态下的年轻、干燥的无毛发皮肤区域的各项指标吻合度良好。2003年，Chen等选择了6款假人进行男士西装压力实验。实验过程中,选择正常的站立姿势和运动姿势,并将假人测试与真人测试的结果进行比较。结果表明,用假人取代真人进行实验,假人的压缩性、材料构成、尺寸以及测试时假人的姿势都是应该考虑的问题。

用假人进行压力测量不但可以排除外界环境对实验数据的干扰,而且可以解决直接在真人身上进行服装压力测量耗时、耗力、成本昂贵的缺陷。香港理工大学的Fan等研制了可以用于任何环境和条件下服装压力舒适性评价的假人。通过在假人身上进行压力测试,可以得出较为真实可靠的数据,目前,该假人主要用于测试女性内衣的压力舒适度,而

对于其他部位的压力测量还缺乏精确度。2005年,Fan等运用标准的假人模特代替真人穿着腹带的方法预测了腹带穿着后的压力分布。该模型具有较好的预测性,现在,这个模型已**应用于模拟紧身衣的服装压力分布测试。

2.3服装压力理论运算法

理论运算法是以三维人体模型的建立为基础，通常是先建立待预测部位的人体模型，然后运用该模型通过数学建模的方法进行压力分布运算。

2.3.1将人体视为刚体的运算

将人体视为刚体，只考虑服装的弹性变形及摩擦性对人体的压力作用，是进行压力分布研究及预测时比较简单的方法。

1998年，Zhang等在已经建立的三维人体几何模型的基础上，建立了一系列三维力学模型来描述人体及服装的动量平衡，建构方程及接触力学模型[22]。该模型将人体视为刚体,将服装视为弹性薄膜,并将人体形态和服装结构通过三维方式表示出来,通过定义服装材料的力学属性以及服装与人体接触时的力学模型、边界条件和初始条件,可以计算出服装与人体相互作用时产生的应力与应变关系。Li等研制了生物力学模型,描述和模拟穿着运动文胸时的服装压力和应力与应变分布,该模型具有较好的预测能力。2001年,罗笑南等提出了人体穿着紧身内衣后压力分布的计算模型。该模型将人体视为刚体,服装视为弹性薄膜,以薄膜大变形理论为基础,通过求解变形后内衣一系列点上的应力,再根据弹性力学的*小位能原理、拉格朗日乘数法计算出弹性内衣对人体的压力。2002年,张欣等根据人体和服装接触时的力学特性,在动态接触力学理论基础上建立了几何非线性数学模型,模拟人体穿着紧身服装时,在运动过程中的动态服装压力分布,该模型将人体视为刚性体,能够较为准确地预测人体在运动过程中,服装与人体之间的动态力学行为。

2.3.2将人体视为弹性体的运算

人体是一个有弹性模量和密度的弹性体，因此将人体作为刚体来预测服装的压力分布无法真实地模拟服装和人体之间的压力作用。目前,将人体视为弹性体运算压力分布的方法主要有迭代法和有限元法。

2.3.2.1迭代法

迭代法也称辗转法，其过程是不断用变量的旧值递推新值。它利用计算机运算速度快,适合做重复性操作的特点,让计算机对1组指令进行重复执行,在每次执行这组指令时,都从变量的原值推出它的一个新值。

2005年，王建民等采用新的几何插值体积细分方法研究了弹性体的变形以及服装压力分布。该模型运用六面体网格模拟着装后的人体变形,然后通过迭代法整合为反映服装和人体之间迭代关系的拉氏函数动态方程,**通过人体的变形特征来计算压力分布。该方法能够准确地预测紧身衣的压力分布情况,为内衣结构以及款式设计提供有益的参考。

2.3.2.2有限元法

有限元法是用结构力学方法求解弹性力学问题，实质是将复杂的连续体划分为多个简单的有限单元体，单元体之间**通过节点相连，通过化整为零，再集零为整的手段对复杂问题进行分析。

2003年，李毅等建立了女体三维生物力学模型以研究女性胸部与胸罩之间的动态力学接触。该模型将胸部视为弹性体,躯体视为刚性体,用有限元分析法研究了运动过程中人体和胸罩之间的动态接触,获得了动态接触模拟结果,具有很好的预测性。他们还用有限元法研究了袋状织物制成的纺织品及其压力分布问题。

2008年，Mirjalili等提出了运用有限元预测弹性服装和人体接触时压力分布的方法[34]。他采用Ansys9.0软件对弹性服装和人体接触部位进行分析建模,再用仪器对各点压力值进行测试发现,仪器测试和有限元分析后得到的压力分布数值**误差为7%,可视为对压力具有较好的预测性。

3.发展方向

3.1服装性能与人体机能有机结合

服装压力的产生是人体和服装共同作用的结果。从人体角度考虑,现有研究成果较为先进的是将人体视为弹性体来预测服装压力,但这些研究对于人体的组织结构并没有进行深入研究,只是简单地考虑了皮肤的弹性模量、密度等参数。要进一步提高服装的舒适性与功能性,首先必须对人体进行深入研究,其中包括人体形态特征、人体运动时各部位的力学特征、人体着装后的生理、心理变化等等,这些因素都将对压力分布产生影响。从服装性能角度考虑,现有的研究大都只考虑到织物的弹性、塑性以及纱线构成,而服装与人体之间的摩擦以及服装的扭曲变形对压力的影响却少有涉及,摩擦以及扭曲变形是导致压力分布发生改变不可忽视的因素。将服装性能和人体机能有机结合进行压力分布的研究是准确预测压力分布的前提。

3.2三维人体模型的建立与完善

三维人体模型的建立是进行服装压力分布预测的前提,人们可以通过局部三维人体模型建立压力预测的数学模型,然后获取待测部位的曲线或曲面方程,求出曲率半径,再测量待测服装的弹性系数,并根据公式求出各待测点压力值,用软件分析压力分布情况。到目前为止,关于三维人体模型建立的

研究成果不胜枚举,人体的各个部位都可以用三维模型表示。日本的Kinue等为研究拟合人体围度尺寸，假设人体的各个截面都是与中心轴线正交的超

椭圆轮廓，从而建立了人体截面形状的超椭圆模型。这个模型只是近似地描述了人体的大致特征,无法准确地表示人体的形态。目前,大多数研究者都采用三维人体扫描系统对人体形态进行扫描,在此基础上得出人体基本体态特征,但由于受测试人数的限制,现有的模型很难真实准确地表示出普遍的人体特征,模型精确度很难保证。有效的解决办法是建立起完整的三维人体扫描数据库,按照年龄、性别、体型划分人群,在此基础上建立起来的三维人体模型将具有较高的准确度。

3.3人体和服装动态接触压力预测的研究

目前针对静态服装压力的研究居多，而对动态压力的研究相对较少。事实上,人体穿着服装大多数情况下是处于运动状态中,因此,运动压力问题更值得人们关注。从分析人体的体型特征和各部位的力学特点入手,研究不同运动状态下,人体和服装之间的动态接触力学模型,包括服装变形与人体变形幅度的关系,服装与人体之间作用力的大小及分布,运动过程中服装的变形、服装与人体之间的摩擦等,然后在二者基础上建立服装和人体间的弹性接触力学模型,研究服装和人体相互接触受压后所产生的应力与应变分布规律,**建立起人体和服装之间动态接触压力分布的预测系统。该系统的建立可以为生产者设计满足人体运动压力舒适性的服装提供重要的参考依据。

4.结语

压力舒适性是人们对舒适感觉进行评判的重要指标，而服装压力分布及预测是探讨压力舒适度的前提。本文从影响压力分布的因素入手,系统地分析了目前服装压力研究的现状及优缺点。研究表明,目前服装压力的研究还只停留在对人体各部位特征的简单模拟,没有将服装性能与人体机能有机结合起来,某些对于服装压力的复杂模拟由于计算量很大而无法普及,因此离实际应用还有一段距离。如何建立有效的服装压力分布预测模型,并将理论模型与实际生产有机结合起来,降低成本,提高效率是进一步研究服装压力的发展方向。

北京京显信息科技有限公司（上海费度科技有限公司）成立于2004年，是由一批海归青年所创办的高科技企业，注册于上海复旦科技园区。

北京京显信息科技有限公司是美国传感器设备有限公司SENSOR PRODUCTS INC大中华区**代理，其压力分布及压力感测纸产品**服务于中国电子、汽车、家具、运动、医疗等行业。同时我们也代理瑞典Qualisys三维运动捕捉系统、Bertec测力台、Visusal3D三维步态分析/体态分析软件，为中国高校、研究所、医院提供生物力学、工效学等完整和**的解决方案。在"973"、"863"国家自然科学基金等重大学科项目中发挥了重要作用。

公司秉承“创新、务实、专业、高效”的服务理念，以“for-edu”的企业精神带领专业服务团队为教育及工业科研领域提供**、先进、精密、高效的科研领域设备与专业服务。

把国际上先进的科研产品介绍到中国，提升我国的科研水平，服务于教育、服务于中国制造业，使中国的高科技产品和服务走向世界。