王賢君， 方麗英

(1.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江理工大學(xué) 國際教育學(xué)院，浙江 杭州 310018)

目前，市場上有很多與手臂相關(guān)的針織緊身服裝，如防曬袖、針織緊身護(hù)臂以及與醫(yī)療相關(guān)的醫(yī)用壓力袖套等。其中，針織運動護(hù)肘主要是提供適當(dāng)壓力以保護(hù)肘部關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，但與此同時也會對手臂其他部位產(chǎn)生較大的壓力，尤其是上端口存在壓力差的部位。針織運動護(hù)肘端口處的壓力舒適性是影響產(chǎn)品舒適性的重要因素之一。針織運動護(hù)肘上端口對上臂施壓，上臂會產(chǎn)生位移，從而引發(fā)人體壓感的產(chǎn)生。1975年VERILLO R T[1]指出在理想的狀態(tài)下，低于1 μm的位移就可以引起壓力感覺的產(chǎn)生；覃蕊[2]在襪口壓力研究中指出，人體受到的平均壓力與平均位移存在極其顯著的正相關(guān)性。因此，位移可以作為評價服裝壓感舒適性的指標(biāo)。

目前，緊身服裝壓力舒適性研究主要圍繞壓力舒適閾值、壓力和位移分布預(yù)測，以及主客觀評價方法等方面。在壓力與位移分布預(yù)測研究中，覃蕊等[2]運用有限元技術(shù)模擬穿襪子后腳踝的位移分布情況。李小歡[3]在壓力臂套精確設(shè)計方法研究中建立了手臂有限元模型模擬壓力臂套對臂部作用的服裝壓大小和分布，但沒有考慮手臂形態(tài)的變化。多數(shù)學(xué)者只針對研究部位的單一狀態(tài)進(jìn)行壓力舒適性分析，尹玲等[4]指出在相同環(huán)境下，同一個人穿同一個款式的服裝，在靜止和常規(guī)運動狀態(tài)下，身體特定部位受到的壓力和壓感是不同的。陳曉娜等[5]在研究壓縮式運動文胸對人體產(chǎn)生壓力時，考慮了靜態(tài)和動態(tài)對各個部位壓力的影響，結(jié)果表明運動文胸的動態(tài)壓力變化主要受人體運動周期影響。文中在此基礎(chǔ)上運用有限元技術(shù)模擬上臂不同動作對上臂受壓后位移分布的影響。

影響壓力舒適性的因素主要有服裝因素和人體因素[6]，文中重點考慮人體結(jié)構(gòu)因素。人體上臂有肱二頭肌和肱三頭肌的存在，不同形態(tài)下的表面曲率差異較大，同時不同緊張程度的骨骼肌彈性模量是不同的，在同一維度的位移分布也會有變化。因此文中在研究上臂的位移分布時考慮上臂形態(tài)和肌肉彈性模量的變化，并分析位移與人體各結(jié)構(gòu)因素的相關(guān)性，以期為服裝壓位移研究、舒適性的評價以及緊身服裝的開發(fā)設(shè)計提供參考。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 接觸位置的確定

針織護(hù)肘上端口和上臂的接觸位置如圖1所示。圖1中將距肘部內(nèi)測彎折點10～12 cm處定義為針織護(hù)肘上端口與上臂的接觸位置(簡稱為接觸位置，下同)。由于接觸位置的上下兩端臂圍變化較小，為了適當(dāng)簡化模型，選取肘部沿大臂方向向上11 cm處的截面輪廓數(shù)據(jù)建立3D仿真模型。

圖1 接觸位置示意Fig.1 Schematic diagram of the contact position

1.2 實驗對象的篩選

初選6位在校中等身材女大學(xué)生作為實驗對象，各項指標(biāo)滿足以下要求；身高160～165 cm，臂圍24～25 cm；最終經(jīng)過篩選，取臂圍最為接近臂圍平均值的實驗對象為建模對象，該實驗對象年齡25歲，身高162 cm，體質(zhì)量51 kg，臂圍24.3 cm。

1.3 實驗儀器

2NX-16型非接觸式三維人體掃描儀，美國TC2公司制造；JK6113型皮脂厚度計，北京精凱達(dá)儀器有限公司制造。

2 人體數(shù)據(jù)的測量

2.1 三維掃描數(shù)據(jù)

采用非接觸式三維人體掃描儀，要求受試者赤裸上肢，對其上肢伸直放松、彎曲放松、伸直緊繃、彎曲緊繃4種形態(tài)進(jìn)行掃描，得到上肢點云數(shù)據(jù)，圖2為上肢伸直放松狀態(tài)下的人體點云圖像。將上肢點云導(dǎo)入NX Imageware軟件進(jìn)行點云處理，得到上臂4種狀態(tài)的外輪廓曲面。

圖2 人體點云圖Fig.2 Point cloud of the human body

2.2 截面數(shù)據(jù)

將上臂外輪廓曲面導(dǎo)入Solidworks 2018軟件，用截面功能獲取所需位置的截面，圖3為上肢伸直放松狀態(tài)下接觸位置的截面輪廓。選取截面中心建立坐標(biāo)系，其中0°方向為手臂的正前方，按照角度對截面進(jìn)行區(qū)域劃分，分割線與外輪廓相交得到16個分析點。使用曲率功能獲得相應(yīng)分析點的曲率。

圖3 接觸位置截面Fig.3 Sectional view of the contact position

2.3 皮脂數(shù)據(jù)

用皮質(zhì)鉗測量上臂各分析點的皮質(zhì)厚度，4種狀態(tài)下每個分析點測量3次，取平均值，最終確定16個分析點的皮質(zhì)厚度。

3 接觸位置模型的建立及有限元仿真模擬

3.1 接觸位置3D模型的建立

上臂截面主要由皮膚、皮下脂肪、神經(jīng)、血管、骨骼肌以及肱骨組成，其中皮下脂肪、神經(jīng)、血管和骨骼肌統(tǒng)稱為軟組織。由于文中對骨骼肌單獨建模，因此軟組織部分的模型只包括皮下脂肪、神經(jīng)和血管。參照文獻(xiàn)[7]，確定皮膚厚度為1.5 mm；由截面外輪廓和16個點的皮質(zhì)厚度得到軟組織的輪廓；參照文獻(xiàn)[8]，確定骨骼尺寸。文中將骨骼截面假設(shè)為圓形，骨骼截面圓心與上臂截面外輪廓中心重合，最終得到上肢的截面模型，并將其拉伸2 cm高度，得到接觸位置的3D模型，圖4為上肢伸直放松狀態(tài)下接觸位置的3D模型。同樣的步驟得到其余3種狀態(tài)的3D模型。

圖4 上肢伸直放松狀態(tài)下接觸位置3D模型Fig.4 3D model of the contact position

3.2 有限元模型建立

有限元法是將復(fù)雜的連續(xù)體劃分為有限個簡單的單元體，單元體之間僅采用節(jié)點相連，通過化整為零、再集零為整的手段對復(fù)雜問題進(jìn)行分析[9]。

近年來，研究服裝壓的學(xué)者都將人體視為彈性體，并將人體分為皮膚層、軟組織層和骨骼層，彈性模量分別為0.15，0.06和7 300 MPa[10]。溫朝陽等[11]使用實時定量剪切波彈性成像超聲診斷儀分析得出，緊張狀態(tài)下的肱二頭肌肌腹的楊氏模量為(123.658±31.392)kPa，松弛狀態(tài)下的楊氏模量為(45.658±13.479)kPa。

假設(shè)模型各部分為各向同性均勻的線性彈性材料，人體由皮膚層、軟組織層、骨骼肌層和骨骼層4個部分組成。表1列出了模型材料的屬性及類型。將3D模型導(dǎo)入ANSYS Workbench17.0，設(shè)置皮膚的彈性模量為0.15 MPa，泊松比為0.46；軟組織彈性模量為0.06 MPa，泊松比為0.49；骨骼的彈性模量為7 300 MPa，泊松比為0.30。由于骨骼肌在不同緊繃程度下的彈性模量是不同的，因此在骨骼肌的彈性模量范圍內(nèi)(45.658～123.658 kPa)均勻選取50，60，70，80，90，100，110，120 kPa 8個彈性模量數(shù)值用于動態(tài)分析，泊松比設(shè)為0.49。

表1 材料屬性和類型

各部分參數(shù)設(shè)定后，對模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2 mm，劃分結(jié)果得到46 576個單元和77 882個節(jié)點，圖5為伸直放松狀態(tài)下接觸位置有限元模型的網(wǎng)格劃分。

圖5 接觸位置3D模型網(wǎng)格劃分 Fig.5 3D model meshing of the contact position

3.3 有限元模型的邊界條件、加載和求解

接觸位置的有限元模型中，由于骨骼最為堅硬，因此在模擬過程中，將骨骼受壓后在X，Y，Z方向上的位移均為0設(shè)為模型的邊界條件。本模型只考慮截面的位移情況，因此設(shè)皮膚層，軟組織層，骨骼肌層的模型在Z方向的位移為0，在X，Y方向上自由移動。最后對皮膚表面加載法線方向的均等壓力，壓力為1 kPa，進(jìn)行位移求解。可得到接觸位置的位移分布圖。

圖6為接觸位置在放松狀態(tài)下的位移分布情況。圖中不同顏色代表了不同位移的大小，其中位移分布圖的左邊顏色條從下至上表示位移逐漸增大，最上方的紅色表示最大，最下方的藍(lán)色表示最小，從圖6可以看出接觸位置的位移分布情況。同樣的步驟可以得到其余3種狀態(tài)下的位移分布。

圖6 伸直放松狀態(tài)下接觸位置的位移分布Fig.6 Displacement diagram under the extended and relaxed states

4 有限元仿真結(jié)果分析

4.1 4種狀態(tài)的位移分布結(jié)果

通過ANSYS Workbench路徑設(shè)置，可得到4種狀態(tài)16個分析點在1 kPa均等壓力下的位移情況，具體如圖7所示。其中緊繃狀態(tài)的骨骼肌彈性模量為0.12 MPa。

在同一種狀態(tài)下，位移較大的區(qū)域在實際穿著服裝時受到服裝面壓較大[12]。由圖7可知，在伸直放松狀態(tài)下，接觸位置由于壓力而產(chǎn)生位移較大的區(qū)域為135.0°～202.5°和292.5°～22.5°。16個分析點中最大位移為0.026 0 mm，在157.5°的位置。在彎曲放松狀態(tài)下，位移變化較大的區(qū)域為67.5°～112.5°和292.5°～337.5°，16個分析點中最大位移為0.024 5 mm，在315°的位置；在伸直緊繃狀態(tài)下，接觸位置位移相對較大的區(qū)域為67.5°～135.0°。16個分析點中最大位移為0.014 6 mm，在90°的位置；在彎曲緊繃狀態(tài)下，接觸位置由于壓力而產(chǎn)生位移較大的區(qū)域為22.5°～67.5°和180°～247.5°最大位移為0.015 6 mm，在202.5°的位置。通過對比4種狀態(tài)的位移峰值可知，骨骼肌放松時，彎曲狀態(tài)的位移峰值比伸直狀態(tài)的大；骨骼肌緊繃時，彎曲狀態(tài)的位移峰值同樣比伸直狀態(tài)的大。由此推得在同等壓力和同種骨骼肌條件下，手臂彎曲狀態(tài)時的最大壓感要大于伸直狀態(tài)時的最大壓感。同時對比骨骼肌緊繃與放松狀態(tài)下的位移可知，骨骼肌緊繃狀態(tài)下的位移值遠(yuǎn)小于放松狀態(tài)下的，因此在同等壓力下，接觸位置在不同狀態(tài)下的壓感差距較大。

圖7 1 kPa壓力下不同狀態(tài)各分析點的位移情況Fig.7 Displacement of each analysis point in different states under 1 kPa pressure

4.2 位移的影響因素分析

由位移分布圖可知，在相同壓力下，不同狀態(tài)的位移分布情況不同。針對這種現(xiàn)象，設(shè)定每個分析點的位移為S，分析點的曲率為ρ，骨骼中心的相對距離為d，皮質(zhì)厚度為h，肌肉彈性模量為E，分析人體各結(jié)構(gòu)因素對位移S的影響。表2列出了角度為0°的分析點在不同狀態(tài)下各影響因素以及位移數(shù)據(jù)。

表2 角度為0°對應(yīng)的分析點數(shù)據(jù)

運用SPSS軟件對4種狀態(tài)16個分析點的S,ρ，h，d，E進(jìn)行相關(guān)性分析。位移與各影響因子的相關(guān)性見表3。由表3可知，在相關(guān)系數(shù)顯著性概率水平為0.01的情況下，位移S與皮膚距骨骼的相對距離d以及皮膚表面的曲率ρ存在顯著的相關(guān)性，與骨骼肌的彈性模量E存在顯著的負(fù)相關(guān)。選取與位移Y相關(guān)性顯著的因素進(jìn)行多元線性回歸分析，得到的線性回歸方程為

表3 位移與各影響因子的相關(guān)性

Y=-0.934X1+0.256X2+0.037X3,

調(diào)整后的R2=0.931，擬合度較高。

通過分析相關(guān)系數(shù)可知，影響位移的主要因素為骨骼肌的彈性模量。當(dāng)骨骼肌放松時，人體受壓時容易發(fā)生位移和形變，可以適當(dāng)緩沖著裝時的壓力；而當(dāng)骨骼肌緊繃時，人體受壓之后的形變能力降低，此時對服裝壓的緩沖能力下降，壓感較強。在同種狀態(tài)下，皮膚表面曲率越大的位置產(chǎn)生的位移越大，故在實際穿著服裝時，受到服裝的面壓較大，進(jìn)而壓感較強。

由上述分析可知，在手臂彎曲緊繃狀態(tài)下，上臂的形變能力降低，同時肱二頭肌和肱三頭肌隆起的區(qū)域(22.5°～67.5°,180°～247.5°)曲率較大，從而受到服裝的面壓較大。因此在優(yōu)化手臂相關(guān)緊身紡織品時，應(yīng)著重考慮手臂彎曲緊繃狀態(tài)下的壓力舒適性。

5 結(jié)語

文中運用逆行工程技術(shù)建立人體上臂伸直放松、彎曲放松、伸直緊繃、彎曲緊繃4種狀態(tài)的有限元模型，將人體視為彈性體，建立人體皮膚層、軟組織層、骨骼肌層、骨骼層4層人體有限元模型?？紤]上臂不同狀態(tài)的形態(tài)變化以及緊繃狀態(tài)下骨骼肌的彈性模量變化，對不同狀態(tài)的有限元模型模擬施加均等壓力，得到不同狀態(tài)接觸位置的位移分布情況，并對每種狀態(tài)下壓感較大的區(qū)域進(jìn)行了討論。

運用SPSS對影響位移的上臂結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行相關(guān)性分析，線性回歸方程為Y=-0.934X1+0.256X2+0.037X3,調(diào)整后的R2為0.931，擬合度較高。結(jié)果表明，上臂骨骼肌的彈性模量、表面的曲率以及與骨骼的相對位置共同影響著著裝后的位移。根據(jù)結(jié)論得出，施加均等壓力下，4種狀態(tài)中，上臂在彎曲緊繃的狀態(tài)下，肱二頭肌與肱三頭肌所在的位置(22.5°～67.5°,180°～247.5°)服裝壓感相對較大。該結(jié)論可為上臂服裝壓力舒適性閾值研究中主客觀評價分析點的選取以及相關(guān)緊身紡織品的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。