服裝壓力舒適性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張同會, 冀艷波

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

服裝壓力舒適性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張同會, 冀艷波

(西安工程大學，陜西 西安 710048)

文章從影響服裝壓力舒適性的因素入手，總結了目前服裝壓力舒適性的主要研究方法及研究成果，針對目前存在的問題，提出動態(tài)壓力測試裝置的開發(fā)、服裝性能與人體機能的有機結合以及服裝壓力分布預測和可視化是服裝壓力舒適性研究的發(fā)展趨勢。

服裝； 壓力舒適性； 有限元； 預測

1 引言

隨著人們生活水平的提高，人們對服裝舒適性的要求也越來越高。服裝舒適性日益成為現(xiàn)代消費者主要需求之一[1]。服裝舒適性是指著裝者通過感覺對所穿著服裝的綜合體驗，包含三個潛在的獨立感覺因子：熱濕舒適因子、觸覺舒適因子、壓力舒適因子[2-3]。隨著Lacra及塑身內(nèi)衣等彈性織物的廣泛應用，服裝壓力舒適性已成為服裝專家學者的研究熱點之一[4-11]。服裝壓力舒適性是人體皮膚和服裝之間相互作用而產(chǎn)生的皮膚壓力感覺的舒適范圍，包括尺寸合體性和運動自由度等力學角度的舒適性[12]。有研究表明緊身運動服裝壓力對處于運動狀態(tài)的人體具有積極的作用，比如減少血乳酸集聚或加快血乳酸排出，緩解肌肉酸痛或加快運動后恢復[13]。但服裝壓力不是越大越好，不合適的壓力會對運動機能有消極影響。當施加在人體上的服裝壓力值超過一定界限，皮膚會產(chǎn)生壓迫感，對穿著者的運動產(chǎn)生阻礙，使人體感覺不舒適。因此，對于整個服裝穿著舒適性研究來說，服裝的壓力舒適性研究是一個重要的方面，本文全面歸納分析了服裝壓力舒適性的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

2 影響服裝壓力的因素

影響服裝壓力的因素主要有人體、服裝以及環(huán)境三個方面。

2.1 人體因素

人體是一個復雜的系統(tǒng)。人體穿著服裝時，影響人體表面壓力的因素包括人體不同部位的構造、人體脂肪含量、人體呼吸、姿勢以及運動幅度等。

人體不同部位的構造不同，其中胸腰部及臀部是研究壓力舒適性的主要部位。人體表面曲率大小及皮膚彈性模量對服裝壓力有很大影響。例如人體凸點受力面積小，所以服裝壓力大，反之，則壓力小。

當人體運動姿勢或運動幅度發(fā)生改變時，皮膚會產(chǎn)生不同程度的變形和位移，從而導致服裝壓力的變化。Harumi[14]通過比較動靜狀態(tài)下胸衣的服裝壓力值，發(fā)現(xiàn)服裝壓力的大小跟人體的呼吸、姿勢以及運動幅度都存在相關性。

2.2 服裝因素

服裝對壓力的影響因素主要包括服裝面料的原材料、面料的組織結構、織物的拉伸率、服裝款式以及寬松量等方面。

李顯波等[15]研究發(fā)現(xiàn)氨綸彈性針織物所造成的服裝壓力與織物的組織結構、氨綸送絲量及織物的拉伸率都有關系。在服裝結構及尺寸相同的情況下，越容易拉伸，彈性較好的面料對人體產(chǎn)生的壓力也就越小。

相同面料，相同款式的服裝，寬松量越大對人體產(chǎn)生的壓力也就越小。陳東生等[16]分析了緊身褲壓力和服裝寬松量之間的關系，即當服裝的放松量由小到大變化時，緊身褲的壓力值會出現(xiàn)越來越小的趨勢。

2.3 環(huán)境因素

環(huán)境對壓力的影響主要指的是運動路況。人體在上坡、平地、下坡三種不同路況下，長度方向(前身長、后背長、下肢長)和圍度方向(胸圍、腰圍、臀圍、大腿圍等)皮膚的變化率各不相同[17]，這些也會對局部壓力大小產(chǎn)生一定的影響。

3 研究方法

3.1 壓力儀器直接測量法

直接測試法是采用服裝壓力測試儀器直接對局部服裝壓力進行測量，因操作簡便而被廣泛應用。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種壓力測試裝置，其中主要有流體壓力法和傳感器法。流體壓力法就是通過讀取液面高度差來獲得壓力值，根據(jù)U型管內(nèi)液體的不同，分為水壓力測試法和水銀壓力測試法。傳感器測試法主要是基于不同傳感器進行測試的，直接把傳感器的感壓元件置于服裝與人體間，并通過相應的元件顯示壓力數(shù)值，壓力傳感器測試系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。目前壓力傳感器類型主要有應變片式、氣壓式壓力傳感器、彈力光纖傳感器以及壓敏半導體薄膜傳感器。其中德國生產(chǎn)的Novel壓力測試系統(tǒng)廣泛應用于測試服裝動態(tài)壓力分布，該儀器最大的特點是可以通過藍牙功能傳輸測量數(shù)據(jù)，曲暢[18]在研究女士連體泳衣的壓力舒適性時使用該儀器測試女士蛙泳運動時著裝的壓力值。

圖1 傳感器壓力測試系統(tǒng)工作原理

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術以及傳感器技術的發(fā)展，目前已出現(xiàn)智能化虛擬儀器，將傳統(tǒng)測量儀器傳感器結合現(xiàn)代計算機軟件，利用軟件產(chǎn)生信號來實現(xiàn)壓力的測試功能，進而實現(xiàn)對服裝壓力測試過程的控制和數(shù)據(jù)處理，圖2顯示了其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作流程。其中軟件是整個虛擬測試裝置的關鍵，軟件分別由虛擬儀器軟件開發(fā)工具、I/O接口儀器驅動程序及應用程序等3個部分構成。其中軟件開發(fā)工具可以使用圖形化的編程語言，包括LabVIEW、LabWindows/CVI、HP-VEE等。這種將測試技術、通信技術與計算機技術融于一體的模塊化儀器能夠比較準確的測試出人體在運動狀態(tài)下的服裝壓力變化。直接測試法因測試方法簡單是目前廣泛采用的測試方法，但它只能測試某一點的壓力值，不能測試某一接觸面的壓力值，且壓力點的選取具有一定的要求。而動態(tài)壓力的測量和壓力分布作為當今的研究趨勢，因此直接測試法有一定局限性。

圖2 虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.2 軟體假人在服裝壓力研究中的應用

針對上述壓力測試方法的局限性，國際上已經(jīng)開始使用軟體假人代替真人進行壓力測試，不僅避免了對人身造成的傷害及生理負擔，而且也方便重復進行實驗。Yu等[19]開發(fā)了全球首個軟體假人，用于女性內(nèi)衣舒適性的測試，但對于其他部位壓力舒適性的測量仍不夠精確。Fan等[20]以標準的軟體假人模特為試驗對象，測量穿著腹帶時的壓力分布規(guī)律，具有較好的預測性。為了使軟體假人滿足動態(tài)壓力測試的要求，東華大學在2008年研制出能夠模擬女性站立、彎腰，下蹲等姿勢的可動式假人。用軟體假人代替真人進行壓力測試是目前研究壓力的新思路，雖然目前已經(jīng)有了一定的研究成果，但仍處于起步階段。對假人皮膚材料的研發(fā)以及假人的運動狀態(tài)研究等都是進一步需要解決的問題。

3.3 理論研究方法

理論研究法是以三維人體模型的建立為基礎，然后再運用數(shù)學建模的方法進行壓力分布預測。

3.3.1 早期階段

將人體視為剛性體，是理論研究的早期階段。這一時期所研究的接觸體局限于剛性體和局部彈性體，并且人們只考慮接觸產(chǎn)生的摩擦力以及引起服裝變形的力。1998年，Zhang等[21]在已經(jīng)建立的三維人體幾何模型的基礎上，通過建立一系列的三維力學模型來描述人體及服裝的動量平衡，構建方程及接觸力學模型。該模型將人體視為剛性體，將服裝視為彈性薄膜，并將人體形態(tài)和服裝結構通過三維方式表示出來，通過定義服裝材料的力學屬性以及服裝與人體接觸時的力學模型、邊界條件和初始條件，計算出服裝與人體相互作用時產(chǎn)生的應力與應變關系。2002年，Zhang X等[22]通過分析人體和服裝間的接觸行為，在動態(tài)接觸力學的理論基礎上建立了幾何非線性的數(shù)學模型來模擬三維女體在穿著緊身服裝時的服裝動態(tài)壓力分布情況，模擬結果表明該模型能夠較準確地預測服裝穿著過程中的動態(tài)力學行為。但由于人體是一個具有彈性模量和密度的彈性體，該模型將人體視為剛性體，不能真實地反映出人體實際的生理特征，因此具有很大的局限性。

李毅等[23]建立了女體三維生物力學模型以研究女性胸部與胸罩之間的動態(tài)力學接觸。該模型將人體胸部視為彈性體，軀體視為剛性體，使用有限元的方法研究了運動過程中人體和胸罩之間的動態(tài)接觸，獲得了動態(tài)接觸模擬結果，具有很好的預測性。其不足之處在于該模型僅僅是對人體特定部位的模擬，還有待于進一步發(fā)展。

3.3.2 現(xiàn)階段

隨著計算機技術及相關學科的發(fā)展，現(xiàn)行的有限元軟件不僅可以和所有的三維軟件進行轉換，而且在模型建立的參數(shù)選擇上更加接近實體，例如皮膚、軟組織以及骨骼彈性模量的設置，極大增加了模型的真實性。根據(jù)Hendriks[24]和Lizee[25]等人的研究，皮膚、軟組織以及骨骼的彈性模量依次是0.15 MPa、0.06 MPa、7300 MPa。

目前，將人體視為彈性體來計算壓力分布的方法有迭代法和有限元法。有限元法是用結構力學方法求解彈性力學問題，實質是將復雜的連續(xù)體劃分為多個簡單的有限單元體，單元體之間僅僅通過節(jié)點相連，當壓力作用于這些單元體上時，通過節(jié)點位移的變化，將復雜的壓力問題轉化為簡單的位移變化問題，通過力的平衡條件建立一套線性方程組，通過求解便可得到每一個單位節(jié)點的位移和應力。基于此可以進行壓力分布預測的研究，并指導緊身服裝的設計。

2014年，鞠帆等[26]通過有限元方法進行三維實體建模，在此基礎上進行塑身褲的壓力預測，并指導塑身褲的設計。同時，也將三維實體模型預測值和實際測試值進行了對比，結果表明預測值和實際值誤差在可接受范圍內(nèi)，證實了有限元在壓力研究中的可行性。2016年，Yu等[27]將手部視為彈性體，運用有限元方法模擬研究醫(yī)療手套的壓力分布特點。其特別之處在于不僅僅運用有限元方法模擬手部壓力分布及大小，同時將手部的幾何形狀以及手套和人體組織的性能也納入數(shù)值應力分析。

4 服裝壓力研究存在的問題及發(fā)展趨勢

4.1 存在的問題

綜上，目前國內(nèi)對服裝壓力舒適性的研究成果較多，從最初的單因子分析逐漸到目前的多因子分析；在研究方法方面突破了將人體視為剛性體的局限，采用有限元方法建立三維實體模型，這些方法都推動了服裝壓力舒適性的研究，但仍有很大發(fā)展空間。

4.1.1 關于靜態(tài)壓力的研究已經(jīng)取得了一定的成果，但目前關于動態(tài)壓力的研究還存在很多問題，一方面是動態(tài)壓力測試儀器落后，另一方面是動態(tài)壓力分布預測的精確性有待提高。

4.1.2 目前在服裝壓力舒適性的研究上，已經(jīng)開始從織物的力學性能、人和織物動態(tài)接觸過程中的力學分布等方面預測服裝壓力，但未將人的生理、神經(jīng)生理和舒適心理納入研究中。

4.1.3 雖然近期在虛擬模擬建立上取得了一定的發(fā)展，但是大多數(shù)還是集中在三維虛擬模型的構建，需從兩個方面改進。一方面，目前大多數(shù)研究者采用三維人體掃描儀獲取三維人體尺寸，由于受測試人數(shù)的限制，現(xiàn)有的模型很難真實準確地表示出普遍的人體特征，模型精確度很難保證。另一方面，在有限元分析過程中，并未將人體的幾何形狀以及服裝和人體相互接觸產(chǎn)生的應力納入分析中，并且前提有很多假設，例如，人體的各個部分和服裝的材料受力大小和變形的關系是線性相關，始終遵循胡克定律。

4.1.4 關于服裝壓力影響因素研究中，并未出現(xiàn)關于空間(時間及環(huán)境)、洗滌等其他外界因素對服裝壓力舒適性影響的研究，對這方面的研究有助于提高醫(yī)用壓力服、塑身衣等功能服裝的功效性，更好地指導消費者更科學地使用此類服裝。

4.2 發(fā)展趨勢

4.2.1 動態(tài)壓力測試裝置的開發(fā)

發(fā)展動態(tài)壓力測量裝置，提高測量精確度，使測量數(shù)據(jù)更加接近實際運動狀態(tài)時的壓力值，且隨著傳感器、計算機以及生物力學的發(fā)展，開發(fā)出可存儲人體心率數(shù)據(jù)的壓力傳感器。

4.2.2 服用性能與人體機能的結合

服裝壓力舒適性是由服裝和人體因素共同作用的結果。從服裝角度考慮，現(xiàn)有的研究大多只是考慮織物的紗線構成以及織物的彈性等，很少結合服裝在運動過程中的變形及與人體間的摩擦。從人體機能角度考慮，現(xiàn)有的對服裝壓力舒適性的評價還僅僅依據(jù)個人心理(如緊、不緊)進行評價，這種方法具有主觀性，難以保證實驗數(shù)據(jù)的可信度，所以在主觀評價過程中，有必要實時監(jiān)測實驗者的生理指標(心率、皮膚血流量等)，并進一步探討各個指標對壓感舒適性的影響程度以及這些因素與主觀評價的相關性。通過這種方法在一定程度上可以排除由于個人差異性引起的試驗誤差，使評價結果更具有代表性。

4.2.3 服裝壓力分布預測及可視化

隨著國內(nèi)“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出，服裝作為傳統(tǒng)行業(yè)的一個分支，其競爭愈演愈烈，若能將傳統(tǒng)服裝業(yè)和現(xiàn)代信息技術相結合，以三維實體模擬的方式將服裝各部位的壓力大小和變化趨勢進行三維可視化展示，會極大地提高服裝行業(yè)的競爭力。同時在服裝制造過程中，通過對面料的選擇以及服裝的寬裕量調節(jié)，就能直觀顯示服裝在人體不同部位的壓力分布情況，由此根據(jù)壓力分布規(guī)律為緊身服裝制作商提供合理化的設計指導。

5 結語

服裝壓力舒適性是現(xiàn)階段的研究熱點之一，但目前的研究大多還停留在單因素研究上，三維實體模擬也有諸多需要改進的部分，距離真實模擬還有一定的距離。本文通過總結前人研究方法和思路，系統(tǒng)分析了服裝壓力舒適性的研究現(xiàn)狀。提出建立合理精確的服裝壓力預測模型，并將理論聯(lián)系實際生產(chǎn)，優(yōu)化現(xiàn)有的壓力緊身類服裝是今后服裝壓力的研究方向。

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Abstract: This paper starting from the factors influencing clothing pressure comfort, and summarized the primary research methods and results regarding clothing pressure comfort at present. Aiming at the existing problems, pointed out that the development of dynamic pressure testing device, combination of clothing performance and human body, prediction of clothing pressure distribution and visualization is the developing trend in clothing pressure comfort study.

Key words: clothing; pressure comfort; finite element; prediction

Research Status and Progress of Clothing Pressure Comfort

ZhangTonghui,JiYanbo

(Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

2017-03-06

張同會(1991—)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生。

TS941.17

A

1009-3028(2017)02-0037-05