左凱悅, 王永榮,b, 溫惠華, 吳嬋輝

(1.東華大學(xué) a.服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院; b.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200051; 2.廣東九極生物科技有限公司,廣州 510000)

“她經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展令中國(guó)女性?xún)?nèi)衣消費(fèi)的支出及觀(guān)念整體升級(jí),中國(guó)的內(nèi)衣市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì),至2020年底,中國(guó)女性?xún)?nèi)衣市場(chǎng)規(guī)模為1 682億元,較上年增加19億元,同比增長(zhǎng)1.14%,女性?xún)?nèi)衣市場(chǎng)空間潛力巨大[1]。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高和消費(fèi)理念的改變,女性越來(lái)越注重文胸的功能性與舒適度。

Deirdre等[2]指出,85%的女性曾穿著過(guò)不合身的文胸,不合身文胸?zé)o法起到保護(hù)和固定乳房的作用,且會(huì)引起不舒適感。相關(guān)研究表明,文胸不合身和不舒適主要集中于肩帶、罩杯、鋼圈和底圍等位置[3-4],與文胸款式結(jié)構(gòu)、文胸和胸部間接觸壓力分布密切相關(guān)。此前許多學(xué)者基于客觀(guān)壓力實(shí)驗(yàn)和主觀(guān)評(píng)價(jià)研究文胸款式結(jié)構(gòu)、面料特性等因素對(duì)人體穿著文胸時(shí)壓力舒適性的影響,包括壓力舒適閾值和壓力分布規(guī)律[5]。但由于乳房的復(fù)雜生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)多樣性,文胸和人體間的接觸作用非常復(fù)雜,進(jìn)一步探究二者之間的相互作用機(jī)制具有更深遠(yuǎn)的意義。

有限元分析(Finite element analysis,FEA)利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬,可以用于分析服裝與人體間生物接觸力學(xué)問(wèn)題,近年來(lái)在服裝壓力舒適性研究方面得到了應(yīng)用。目前有學(xué)者基于有限元分析法對(duì)文胸某一部件如罩杯、肩帶、鋼圈等[6-8]及款式簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)文胸[9]進(jìn)行穿著模擬,而人體模型由最初被視為簡(jiǎn)單的剛體轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬哟味嗖牧系膹?fù)雜彈性體。構(gòu)建胸部和整件文胸的有限元接觸力學(xué)模型將促進(jìn)二者之間相互作用機(jī)制的探究,于企業(yè)而言,可以科學(xué)指導(dǎo)文胸款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和面料選擇,縮減設(shè)計(jì)周期,促進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)效率,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;于消費(fèi)者而言,能夠?yàn)槠涮峁┨暨x文胸的科學(xué)依據(jù)。

1 乳房生理特點(diǎn)

1.1 乳房生理結(jié)構(gòu)

乳房位于第2～6肋高度,淺筋膜淺深兩層之間,胸肌筋膜表面,自胸骨旁線(xiàn)向外可達(dá)腋中線(xiàn)。如圖1(a)[10]所示,其內(nèi)部生理結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,主要由乳腺、脂肪、輸乳管、乳房懸韌帶(Cooper韌帶)和皮膚構(gòu)成。其中,Cooper韌帶上連皮下的淺筋膜,下接深層的深筋膜組織,對(duì)乳房起到支撐和牽拉作用,是固定乳腺和維持胸部形狀最重要的結(jié)構(gòu)[11]。隨著女性年齡的增長(zhǎng)和脂肪的流失,懸韌帶的數(shù)量和彈性會(huì)降低,因此需要穿戴文胸來(lái)提供外部支撐與保護(hù)。

圖1 乳房生理結(jié)構(gòu)及受力分析Fig.1 Physiological structure and stress analysis of the breast

1.2 乳房形態(tài)

女性乳房的外部形態(tài)多種多樣,主要與地域、種族、年齡、生活習(xí)慣、婚育狀況等因素密切相關(guān)。陳明艷[12]研究發(fā)現(xiàn),18～25歲的女性多已發(fā)育成熟且未婚,乳房主要呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)型、半球型和圓錐型,乳點(diǎn)一般位于第四、五肋骨間;而40歲以上的女性開(kāi)始出現(xiàn)乳房萎縮下垂現(xiàn)象,乳點(diǎn)位置進(jìn)一步下移,一般位于第六、七肋骨間。

常麗霞等[13]以乳平圍表示胖瘦豐滿(mǎn)程度,以“乳深/乳平圍”表示扁聳程度,將乳房細(xì)分為九類(lèi):胖挺型、胖中型、胖扁型、中挺型、適中型、中扁型、瘦挺型、瘦中型及瘦扁型。梁素貞等[14]考慮了乳點(diǎn)間距和乳點(diǎn)高度因素,將乳房形態(tài)劃分為內(nèi)斂偏高型、內(nèi)斂中間型、內(nèi)斂下垂型、外闊偏高型、外闊中間型、外闊下垂型、中間偏高型、中間下垂型和標(biāo)準(zhǔn)型。董程媛等[15]依據(jù)乳房側(cè)面挺聳度和下垂程度,將乳房側(cè)面形態(tài)劃分為圓盤(pán)型、圓球型、紡錘型和下垂型。

1.3 乳房組織內(nèi)部受力分析

如圖1(b)所示,自然站立時(shí),乳房在重力(G乳房)、懸韌帶張力(F懸韌帶)、胸肌剪切力(F胸肌)和肋骨的支撐力(F肋骨)作用下達(dá)到平衡狀態(tài),F懸韌帶、F胸肌和F肋骨的大小取決于乳房的質(zhì)量和F懸韌帶與水平線(xiàn)的夾角α,計(jì)算方法如下式[16]所示:

(1)

(2)

(3)

通常正常的乳房質(zhì)量在500～1 000 g,F懸韌帶與水平線(xiàn)的夾角α在45°～60°,則F懸韌帶、F胸肌和F肋骨的范圍分別為2.9～8.3 N、1.3～5.6 N和2.1～4.2 N。

2 文胸-胸部有限元模型構(gòu)建

有限元分析可分為三大階段:前處理、求解和后處理。前處理階段主要進(jìn)行胸部和文胸幾何模型構(gòu)建、網(wǎng)格劃分、材料屬性定義、接觸定義、邊界條件定義等;求解階段依據(jù)接觸定義、邊界條件進(jìn)行計(jì)算求解;后處理階段輸出分析結(jié)果;將仿真結(jié)果與真人試穿結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,修正優(yōu)化后獲得最終文胸-胸部接觸力學(xué)模型,一般流程如圖2[17-18]所示。

圖2 文胸-胸部有限元建模流程Fig.2 Brassiere-chest finite element modeling process diagram

2.1 文胸和胸部幾何模型構(gòu)建

2.1.1 胸部幾何模型

1) 基于臨床醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的胸部幾何模型。構(gòu)建幾何模型是實(shí)現(xiàn)有限元分析的重要前提。臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域采用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed tomography,CT)和磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)等影像技術(shù)獲取人體三維數(shù)據(jù),包含清晰的人體橫截面圖像,可展示人體真實(shí)的骨骼結(jié)構(gòu)、軟組織厚度和器官形狀等。張紹祥等[19]利用CT影像和“中國(guó)可視化人體”斷層照片[20]建立了包括內(nèi)臟、肌肉組織和骨骼結(jié)構(gòu)的胸部三維有限元模型,如圖3所示。但CT和MRI掃描時(shí)人體處于水平仰臥或趴臥姿勢(shì),與站姿下的乳房形態(tài)差異較大。

圖3 三維表面模型及有限元模型Fig.3 3D surface model and finite element models

2) 基于三維人體掃描技術(shù)的胸部幾何模型。三維人體掃描是另一種用于獲取人體三維信息的技術(shù),無(wú)輻射危害,因此廣泛應(yīng)用于服裝和人體數(shù)字化建模,但該法無(wú)法獲取人體內(nèi)部組織細(xì)節(jié)信息。人體胸部結(jié)構(gòu)主要包括乳房、肌肉軟組織、骨骼和內(nèi)部器官,內(nèi)部器官被骨骼保護(hù),受到服裝壓力的影響較小[21],故通常不考慮器官層面的幾何構(gòu)建。

鑒于建立解剖結(jié)構(gòu)完整的胸部模型的難度和復(fù)雜程度較高,服裝領(lǐng)域常將胸部簡(jiǎn)化為剛性軀體和彈性乳房。Dempsey等[22]研究發(fā)現(xiàn),乳房中腺體組織和脂肪組織的力學(xué)特性無(wú)統(tǒng)計(jì)差異,這一結(jié)論對(duì)采用均勻組織假設(shè)對(duì)大變形下的乳房進(jìn)行建模提供了理論依據(jù)。

2.1.2 文胸幾何模型

姚遠(yuǎn)[7]用Handyscan三維掃描儀獲取鋼圈的三維形態(tài),在Geomagic中對(duì)鋼圈進(jìn)行幾何重建。徐瑤瑤[8]通過(guò)EaScan-5M三維掃描儀采集模杯點(diǎn)云數(shù)據(jù),在Geomagic Studio12實(shí)現(xiàn)模杯曲面擬合,最后在Hypermesh中進(jìn)行實(shí)體填充完成罩杯模型構(gòu)建,如圖4(a)所示。

自然狀態(tài)下面料處于松弛狀態(tài),文胸立體幾何造型難以通過(guò)掃描獲取,從穿著文胸的人體上提取文胸的輪廓以獲取運(yùn)動(dòng)文胸的幾何造型是最普遍的方法,如圖4(b)[9]所示。Sun等[17]采用同樣的方法獲取吊帶文胸和普通鋼圈文胸的幾何造型,其結(jié)構(gòu)包括肩帶、罩杯、鋼圈、雞心、側(cè)翼和底圍,如圖4(c～d)所示。文胸建模已從對(duì)某一部件的建模轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)整件文胸的建模,但文胸的種類(lèi)繁多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,當(dāng)前的文胸模型均為簡(jiǎn)化后的模型,模型的簡(jiǎn)化會(huì)影響有限元仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 文胸有限元模型Fig.4 Finite element models of brassieres

2.2 文胸和胸部材料屬性

2.2.1 胸部材料屬性

材料屬性是有限元中模擬實(shí)際物理特性的重要參數(shù),在文胸相關(guān)的人體有限元模型研究中,通常假設(shè)胸部為均質(zhì)、各向同性的非線(xiàn)性材料,如表1所示。線(xiàn)性彈性體應(yīng)用較為廣泛,其主要材料參數(shù)為楊氏模量(Young’s modulus,記為E)和泊松比(Poisson’s ratio,記為v)。楊氏模量也稱(chēng)為彈性模量,是描述材料力學(xué)性能的常用參數(shù),通過(guò)縱向應(yīng)力引起的應(yīng)變來(lái)描述材料的縱向變形[23]。泊松現(xiàn)象指材料沿載荷方向產(chǎn)生伸縮變形時(shí),在垂直于載荷的方向會(huì)產(chǎn)生縮短(或伸長(zhǎng))變形,垂直方向上的應(yīng)變與載荷方向上的應(yīng)變之比即為材料的泊松比[24]。

表1 文胸相關(guān)胸部有限元模型中胸部材料屬性設(shè)置Tab.1 Breast material property setting in brassiere-chest finite element models

續(xù)表1

醫(yī)學(xué)研究表明,幾乎所有的人體固體材料,如肌肉、肌腱、韌帶及皮膚等都是黏彈性材料[29],且具有不均勻性、各向異性、不可壓縮性和塑性,利用超彈性材料屬性定義軟組織材料是目前軟組織FEA中常用的替代方法[30]。Neo-Hookean模型和Mooney-Rivlin模型是應(yīng)用較為廣泛的乳房材料超彈模型。Eder等[31]用12種乳房材料屬性構(gòu)建女性胸部有限元模型,結(jié)果顯示超彈性模型擬合結(jié)果優(yōu)于線(xiàn)彈性模型;Rajagopal[32](C10=0.08 kPa)和Tanner[33](C10=0.13 kPa)提出的Neo-Hookean模型的擬合優(yōu)度顯著高于其他模型。

Mooney-Rivlin模型的應(yīng)變能密度函數(shù)W可表達(dá)為[34]:

(4)

式中:Cij為Rivlin系數(shù),可由單軸拉伸實(shí)驗(yàn)確定;I1,I2分別為第一、第二應(yīng)變不變量。

Mooney-Rivlin模型是多項(xiàng)式模型的特殊形式,當(dāng)n=1時(shí),其表達(dá)式為:

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(5)

當(dāng)式(5)中C01=0時(shí),該模型則會(huì)簡(jiǎn)化為Neo-Hookean模型,即:

W=C10(I1-3)

(6)

式中:C10為剪切模量的一半。

剪切模量(Shear modulus,記為G)是橫向應(yīng)力與應(yīng)變的比值,用于描述橫向應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系,反映剪切變形的難易程度。

以往研究中,胸部的材料參數(shù)多直接參考醫(yī)學(xué)材料測(cè)試結(jié)果[8,9,21,25],但不同年齡段女性乳房的力學(xué)性能存在差異,直接引用前人的數(shù)據(jù)會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性。Sun等[27]基于Samani等提出5參數(shù)Mooney-Rivlin模型(C10=0.31 kPa,C01=0.30 kPa,C11=2.25 kPa,C20=3.80 kPa,C02=4.72 kPa),利用運(yùn)動(dòng)捕捉實(shí)驗(yàn)通過(guò)迭代計(jì)算確定了其研究中乳房材料的最佳參數(shù)為C10=0.052 kPa,C01=0.05 kPa,C11=0.375 kPa,C20=0.78 kPa,C02=0.63 kPa。在此基礎(chǔ)上,Zhang等[35]在建模時(shí)增加對(duì)鎖骨與胸骨材料屬性的描述,并指出鎖骨與胸骨的楊氏模量分別為0.1 MPa和0.08 MPa時(shí),可以很好地模擬手臂外展時(shí)的乳房變形。

2.2.2 文胸材料屬性測(cè)試

與人體復(fù)雜的生理結(jié)構(gòu)相比,服裝結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,建模時(shí)通常被視為各向同性的線(xiàn)彈性殼體,只需要定義材料的兩個(gè)材料參數(shù):楊氏模量和泊松比(織物的泊松比通常為0～0.5[24])。Sun等[17]將罩杯和側(cè)翼制作成條狀試樣,將肩帶和底帶制作成環(huán)狀試樣,采用Instron拉力測(cè)試儀系統(tǒng)對(duì)這些部件進(jìn)行拉伸測(cè)試以獲取其楊氏模量。雙向拉伸法[24]是測(cè)量織物泊松比的一種常用方法,適用于針織物、機(jī)織物。罩杯多由厚度不均勻的泡沫材料制成,測(cè)試可參考軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6344—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》。

2.3 文胸和胸部的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元建模的重要環(huán)節(jié)之一,直接影響模型的計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模。劃分網(wǎng)格時(shí)須充分考慮網(wǎng)格數(shù)量、單元形狀與類(lèi)型、網(wǎng)格密度和良好的過(guò)渡性[36],然后選擇合適的網(wǎng)格密度、單元類(lèi)型及形狀。為確保得到高質(zhì)量網(wǎng)格,需要進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn),檢查內(nèi)容包括翹曲度、雅可比、扭曲度和縱橫比等。

有限元建模時(shí),通常將文胸視為二維殼單元,單元類(lèi)型采用四邊形,或?qū)⑺倪呅闻c三角形混合使用[37];將胸部視為三維形狀,單元類(lèi)型采用四面體或六面體[38-39]。4節(jié)點(diǎn)四面體和8節(jié)點(diǎn)六面體通常用于近似直線(xiàn)的邊界模型中,而曲線(xiàn)邊界模型常采用10節(jié)點(diǎn)四面體、20節(jié)點(diǎn)六面體。實(shí)際仿真過(guò)程中為兼顧計(jì)算精度與速度,常采用8節(jié)點(diǎn)六面體和10節(jié)點(diǎn)四面體,但4節(jié)點(diǎn)四面體即可滿(mǎn)足乳房的大變形模擬且計(jì)算速度較快,而采用10節(jié)點(diǎn)四面體的計(jì)算時(shí)間更長(zhǎng)但精度無(wú)顯著提高,故4節(jié)點(diǎn)四面體應(yīng)用更為普遍。

以往研究中,胸部網(wǎng)格尺寸一般設(shè)置在0～10 mm,文胸的網(wǎng)格尺寸多設(shè)置在0～5 mm。Liang等[40]對(duì)2、4、6、8 mm和10 mm五種尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行了收斂研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用4 mm網(wǎng)格的計(jì)算時(shí)間是6 mm網(wǎng)格的三倍,但乳房動(dòng)態(tài)位移結(jié)果差異僅為0.26%。

2.4 文胸和胸部的接觸定義

2.4.1 接觸類(lèi)型

于沒(méi)有細(xì)分文胸和胸部結(jié)構(gòu)的有限元模型而言,接觸體為文胸和人體,接觸類(lèi)型為面與面接觸,邱江元[9]在A(yíng)baqus中將文胸下扒、肩帶與人體的接觸定義為綁定約束,文胸與人體接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦(摩擦系數(shù)0.2)。馬亮等[37]將文胸和人體之間的接觸關(guān)系定義為法向接觸,并假設(shè)法向過(guò)盈配合參數(shù)為15%,使人體在23 s內(nèi)膨脹10%。文胸和胸部結(jié)構(gòu)越細(xì)致接觸體越多,接觸關(guān)系也越復(fù)雜。Sun等[17]的研究中,接觸體包括乳房、軀干、罩杯和底帶,Marc軟件中的接觸關(guān)系分為黏結(jié)和接觸兩種,其將乳房-軀干的接觸定義為黏結(jié),乳房-罩杯、罩杯-軀干、肩帶-軀干、底帶-軀干的接觸關(guān)系均為接觸。

2.4.2 文胸佩戴過(guò)程

人體站立時(shí)乳房形狀受到重力的影響,文胸造型在穿著前后存在差異,由三維掃描數(shù)據(jù)重建的人體與文胸模型均是變形后的形狀,獲取無(wú)重力乳房和無(wú)應(yīng)力文胸是探討二者接觸作用機(jī)制的前提。

無(wú)重力作用的乳房通過(guò)對(duì)乳房施加與乳房重力相反的力獲取。結(jié)構(gòu)不同的文胸消除應(yīng)力的方法也不同,邱江元[9]基于面料拉伸實(shí)驗(yàn),為運(yùn)動(dòng)文胸賦予了初始橫向與縱向預(yù)張力;而Liang等[28]直接將運(yùn)動(dòng)文胸模型每個(gè)方向(x、y、z方向)收縮為原來(lái)的97%。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的文胸消除應(yīng)力時(shí)須考慮不同部件穿著前后的形狀變化,如圖5(a)[17]所示,鋼圈上端向內(nèi)推進(jìn)2 cm以獲取初始形狀,無(wú)鋼圈文胸則不需要此步驟。

在無(wú)重力乳房和無(wú)應(yīng)力文胸基礎(chǔ)上,明確文胸的佩戴過(guò)程能確定二者接觸過(guò)程中的載荷及邊界條件設(shè)置。普通文胸的穿戴過(guò)程模擬如圖5(b)[17]所示,佩戴文胸時(shí)將軀干固定,因老年女性乳房存在下垂現(xiàn)象,對(duì)施加重力后的乳房采取托起措施以防止出現(xiàn)穿透行為;圖5(c)[28]為模擬運(yùn)動(dòng)文胸的佩戴過(guò)程。

圖5 文胸-胸部接觸模型Fig.5 Brassiere-breast contact models

3 文胸-胸部有限元模型的驗(yàn)證與應(yīng)用

3.1 模型驗(yàn)證

文胸-胸部有限元模型仿真結(jié)果通過(guò)與真人試穿實(shí)驗(yàn)(客觀(guān)壓力測(cè)試、塑形效果測(cè)試和位移測(cè)試等)對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證,以?xún)煞N結(jié)果的絕對(duì)差值或相對(duì)差值表征模型可靠性,如表2所示。

表2 模型驗(yàn)證Tab.2 Model validation

壓力測(cè)試部位集中在肩部、乳房和底帶。如圖6(a)所示,Sun等[17]因?qū)④|干設(shè)定為剛體,所得的肩部的模擬值與測(cè)量值差異較大;其后續(xù)研究沿用該模型[18],頸部模擬結(jié)果仍是遠(yuǎn)高于測(cè)量值(圖6(b))。肩部真實(shí)結(jié)構(gòu)還包含皮膚和皮下組織等,在穿著文胸時(shí)能吸收部分壓力,故將之視為剛體會(huì)影響模型的準(zhǔn)確度。Liang等[40]將運(yùn)動(dòng)文胸的三層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單層,故杯底的模擬值略低于測(cè)量值(圖6(c))。此外,鋼圈、腋下和背部的壓力也對(duì)文胸的穿著舒適性影響較大,但現(xiàn)有研究缺乏對(duì)這些部位壓力的驗(yàn)證。

圖6 模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results

有限元模型建立的每個(gè)步驟中都會(huì)或多或少產(chǎn)生誤差。人體結(jié)構(gòu)、文胸結(jié)構(gòu)和材料屬性的簡(jiǎn)化會(huì)對(duì)仿真結(jié)果造成影響,即在物理模型建立中引入了理想化誤差,通過(guò)細(xì)化人體和文胸結(jié)構(gòu)可降低模型誤差。此外,網(wǎng)格劃分、接觸定義、載荷和邊界條件設(shè)置會(huì)在數(shù)學(xué)模型建立過(guò)程中引入離散化誤差,除有限元技術(shù)本身誤差外,可通過(guò)采用規(guī)則化單元、提高單元精度和增加網(wǎng)格密度等減小計(jì)算誤差。

3.2 模型應(yīng)用

基于有限元的文胸-胸部接觸力學(xué)模型可用于預(yù)測(cè)文胸部件材料特性和款式結(jié)構(gòu)的壓力分布、塑形效果和乳房位移,探討部件材料特性、結(jié)構(gòu)款式與穿著效果之間的關(guān)系,在文胸設(shè)計(jì)之期指導(dǎo)選擇合適的文胸面料和結(jié)構(gòu)款式。

Liu等[21]基于胸圍截面有限元模型,建立了服裝壓力與緊身服裝胸圍拉伸率和織物彈性模量間的數(shù)學(xué)模型,可避免服裝面料厚度造成的圍度測(cè)量誤差,為壓感舒適緊身服裝的尺寸設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。Zhang等[6]基于剛?cè)狁詈系募鐜?身體有限元模型,評(píng)估了肩帶設(shè)計(jì)因素對(duì)肩帶位移與接觸壓力的影響,結(jié)果顯示肩帶的寬度、長(zhǎng)度、伸長(zhǎng)率和摩擦系數(shù)對(duì)防止肩帶滑移起到重要作用;對(duì)肩帶頂部接觸壓力影響最大的是楊氏模量,最不顯著的是摩擦系數(shù)。

Sun等[18]探討了文胸罩杯楊氏模量(0.5～6 MPa,間隔0.5 MPa,共12組)的最佳設(shè)定,結(jié)果顯示:隨罩杯楊氏模量的增大,塑形指標(biāo)變化率均增加且文胸胸部狀態(tài)也更加圓潤(rùn)飽滿(mǎn),塑形效果更好,但1.5 MPa后增量不再顯著;乳底接觸壓力也隨罩杯楊氏模量增加而變大,6 MPa的平均接觸壓力約為0.5 MPa的三倍。綜合考慮塑形效果與壓力舒適性,該研究中罩杯材料的楊氏模量最佳選擇為1.5 MPa。該研究對(duì)不同材料的文胸罩杯與乳房之間的復(fù)雜交互作用進(jìn)行了定量描述,便于在設(shè)計(jì)之初選擇合適的罩杯材料。

運(yùn)動(dòng)文胸的動(dòng)態(tài)接觸壓力和乳房動(dòng)態(tài)位移對(duì)運(yùn)動(dòng)舒適性有很大的影響,但動(dòng)態(tài)壓力難以通過(guò)有線(xiàn)壓力傳感器獲取。Liang等[28]預(yù)測(cè)了配速5 km/h、10 km/h跑步時(shí)乳房的動(dòng)態(tài)接觸壓力,結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)時(shí)肩帶和底帶產(chǎn)生的接觸壓力有所增加,杯底部的接觸壓力略有降低,因跑步時(shí)乳房主要由肩帶和底帶支撐。將仿真數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以預(yù)測(cè)文胸的接觸壓力,結(jié)果顯示肩帶和罩杯的楊氏模量對(duì)接觸壓力的影響最大,后比和底帶的楊氏模量對(duì)接觸壓力影響較小。聯(lián)合使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法不僅能提高預(yù)測(cè)效率,且更易于研究每個(gè)文胸部件對(duì)接觸壓力的影響,從而為運(yùn)動(dòng)文胸的設(shè)計(jì)提供考慮因素。

4 結(jié)論與展望

從有限元模型構(gòu)建過(guò)程出發(fā),本文介紹了文胸-胸部有限元模型構(gòu)建中的幾何模型構(gòu)建、材料屬性、網(wǎng)格劃分及接觸關(guān)系的研究進(jìn)展,并介紹了該模型目前的主要應(yīng)用。雖然有限元方法在文胸-胸部力學(xué)建模中的應(yīng)用取得了一定的進(jìn)展,但目前的研究中仍存在不足:

1) 胸部模型組織構(gòu)成及材料屬性設(shè)置不夠完善。目前的研究中通常僅將乳房作為彈性體,將軀體視為剛體,所得的結(jié)果在乳房處的壓力分布結(jié)果與真實(shí)穿著結(jié)果近似,但乳房之外的接觸部位模擬結(jié)果與真實(shí)穿著狀態(tài)下的壓力分布存在差異。文胸穿著情況調(diào)研相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)肩帶、罩杯、底圍和鋼圈都是女性穿著時(shí)出現(xiàn)壓力不適的重點(diǎn)部位,因此在建模時(shí)應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化胸部結(jié)構(gòu)。

2) 建模中文胸類(lèi)別較為單一。當(dāng)前文胸有限元模型的構(gòu)建仍處于探索階段,但已逐漸從針對(duì)文胸的某一部件進(jìn)行建模轉(zhuǎn)變成對(duì)構(gòu)造簡(jiǎn)單的整件文胸模型的構(gòu)建,未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步豐富其他款式結(jié)構(gòu)和面料特性的文胸模型。

3) 壓力分布的探討多集中于乳房區(qū)域。目前研究集中在文胸與乳房的接觸作用,穿著實(shí)驗(yàn)的壓力點(diǎn)設(shè)置在乳房和肩部,對(duì)于與文胸接觸的其他區(qū)域如胸下圍、腋下和背部的壓力分布探討較少。

另外,基于個(gè)體三維掃描數(shù)據(jù)的文胸-胸部有限元接觸力學(xué)模型,有利于文胸個(gè)體定制化服務(wù)的發(fā)展。未來(lái)可以參考生物力學(xué)領(lǐng)域的統(tǒng)計(jì)建模方式,統(tǒng)計(jì)特定人群的胸部特征用于特定人群的人體胸部建模,并實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定人群設(shè)計(jì)的文胸產(chǎn)品。

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