保健護(hù)腰壓力舒適性研究

天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院， 天津 300387

在人的一生中，腰痛的發(fā)病率可高達(dá)75%[1]。老年人、長(zhǎng)期站立或久坐的工作人員、熱愛(ài)運(yùn)動(dòng)健身的人、長(zhǎng)期吹空調(diào)者，都會(huì)出現(xiàn)勞損腰疼的現(xiàn)象[2]。佩帶護(hù)腰能夠?qū)ρ科鸬揭欢ǖ闹伪Ｗo(hù)作用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于保健護(hù)腰的研究較少，對(duì)于彈性緊身服裝已有相關(guān)研究。

何曉升等[3]設(shè)計(jì)了一款新型的護(hù)腰帶，其可以準(zhǔn)確地固定在腰部和骶部，不易滑動(dòng)。李明菊等[4]、胡茗[5]根據(jù)中國(guó)女性體型特點(diǎn)，分別探索了緊身原型的設(shè)計(jì)規(guī)則。陶鈞[6]證明了制作緊身內(nèi)衣的面料需具有彈性大、結(jié)構(gòu)緊密、能承受較大拉力且不易變形的特點(diǎn)，為了達(dá)到更好的收腹效果，還需要固定魚(yú)骨等部件支撐胸衣，使其不易起皺。Ito等[7]、Inoue等[8]254-258、Inamura等[9]證明了服裝的壓力舒適性與面料的拉伸性能、剪切性能、柔軟度、光滑度和接觸感等高度相關(guān)。由芳等[10-11]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)測(cè)試面料的彈性模量和服裝的寬裕量，一定程度上能夠預(yù)測(cè)服裝的壓力舒適性。李杰等[12]、倪海燕等[13]發(fā)現(xiàn)，由不同針織面料制成的緊身服裝上各測(cè)量點(diǎn)的壓力分布規(guī)律相似，并且人體曲率大小不同是造成服裝壓力大小不同的主要因素。

Haruko等[14]、Makabe等[15]424-438，[16]513-521通過(guò)試驗(yàn)得到了各類服裝的壓力舒適閥值。元軼[17]、尹玲等[18]分別得出，影響束腰帶壓力的因素包括面料的力學(xué)性能、束腰帶的款式結(jié)構(gòu)及人體的受壓部位等。Kirk[19]、 Inoue等[8]258-260、Ibrahim[20]得到了織物拉伸力、服裝壓力和人體曲率之間的相互關(guān)系。Fan等[21]利用標(biāo)準(zhǔn)假人測(cè)量塑身衣壓力，并運(yùn)用數(shù)學(xué)多元回歸分析方法建立了著裝接觸壓力的預(yù)測(cè)模型。岳文俠[22]、潘科[23]、陳麗華等[24]發(fā)現(xiàn)了服裝壓力與一定伸長(zhǎng)率條件下的拉伸力呈一次回歸關(guān)系。

影響保健護(hù)腰功效及舒適性的最主要因素是壓力舒適性。一定程度的服裝壓力對(duì)人體有益，但服裝壓力太大會(huì)造成內(nèi)臟移動(dòng)、呼吸受限等，有害于人體健康[25]。本文在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，探索保健護(hù)腰的壓力舒適性與面料伸長(zhǎng)率及縮成率之間的回歸關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化處理，以期為今后保健護(hù)腰及緊身調(diào)整型服裝的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，更好地滿足消費(fèi)者對(duì)舒適性的要求。

1 試驗(yàn)部分

1.1 面料選取及測(cè)試

1.1.1 面料選取

保健護(hù)腰屬于緊身衣范疇，需采用高緊度彈性面料作為材料，其伸長(zhǎng)率要求達(dá)到50%以上[26]。錦綸手感柔軟，伸長(zhǎng)率大，斷裂強(qiáng)度高，耐摩擦性能好，是合成纖維中最適合與氨綸混合制作貼身面料的一種纖維。另外，經(jīng)編面料沒(méi)有緯編面料的卷曲及易脫散性，經(jīng)向硬挺度高，有利于保健護(hù)腰在穿著過(guò)程中的保形性。所以，本文選取氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為12%、16%、20%、30%的四種不同彈性的錦/氨混紡經(jīng)編面料(簡(jiǎn)稱“面料”)制作保健護(hù)腰，研究面料伸長(zhǎng)率和縮成率與保健護(hù)腰壓力之間的關(guān)系。

1.1.2 面料測(cè)試

面料的力學(xué)性能對(duì)保健護(hù)腰壓力舒適性的影響是綜合性的，面料的拉伸性能、壓縮性能、表面摩擦性能、硬挺度、折皺回復(fù)率等都有一定影響，所以本文選用Instron萬(wàn)能電子強(qiáng)力儀測(cè)試面料的拉伸性能，選用KES-FB織物風(fēng)格儀系統(tǒng)測(cè)試面料的壓縮性能和表面摩擦性能，選用Phabr Ometer 織物手感風(fēng)格評(píng)價(jià)系統(tǒng)測(cè)試面料的硬挺度、折皺回復(fù)率。四種面料的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 四種面料的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及物理力學(xué)性能

由表1可知，四種面料的硬挺度差異不大，其中氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的面料的硬挺度稍大，這是由其面密度和厚度較大所致的；氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的面料的折皺回復(fù)率較大，對(duì)比氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍低的面料，發(fā)現(xiàn)氨綸含量增加在一定程度上會(huì)提高面料的折皺回復(fù)率，但氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的面料沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榘本]含量越大，面料越緊密，線圈之間的摩擦力越大，這并不利于面料的折皺回復(fù)；面料的壓縮比功隨著氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而減小，壓縮比功代表面料的蓬松感，這說(shuō)明氨綸含量越大，面料的線圈之間結(jié)合越緊密，面料越不蓬松；面料緯向的表面粗糙度比經(jīng)向大，且表面粗糙度呈現(xiàn)出隨著氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加先增大、后減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)槊媪辖Y(jié)構(gòu)越緊密，其表面越平整。

已有學(xué)者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了彈性面料的伸長(zhǎng)率為100%～180%時(shí)，由其制作的服裝的壓力舒適性最佳[27]。本試驗(yàn)依據(jù)FZ/T 70006—2004《針織物拉伸彈性回復(fù)率試驗(yàn)方法》，利用Instron萬(wàn)能電子強(qiáng)力儀對(duì)面料緯向進(jìn)行定負(fù)荷彈性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 面料緯向彈性測(cè)試結(jié)果

由表2可知，四種面料緯向的伸長(zhǎng)率都在100.0%以上，彈性回復(fù)率都在90.0%以上，可以滿足保健護(hù)腰對(duì)面料彈性的要求，且可以保證保健護(hù)腰穿著過(guò)程中的保形性。

1.2 樣衣制作

本試驗(yàn)選用無(wú)彈性的純棉白坯布，采用立裁方法，得到基礎(chǔ)樣板；然后，采用四種縮成率(50%、 60%、 70%、 80%)對(duì)基礎(chǔ)樣板進(jìn)行縮放，各縮成率下分別采用四種面料制作保健護(hù)腰，共得到16件樣衣。為了減小試驗(yàn)誤差，本試驗(yàn)采用建智165/86A標(biāo)準(zhǔn)女體人臺(tái)。純棉白坯布的立裁過(guò)程及得到的基礎(chǔ)樣板分別如圖1、圖2所示。樣衣編號(hào)見(jiàn)表3。

圖1 純棉白坯布立裁過(guò)程

圖2 基礎(chǔ)樣板

氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%縮成率/%5060708012a1a2a3a416b1b2b3b420c1c2c3c430d1d2d3d4

注：a1代表氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%、縮成率為50%，其他依此類推

1.3 樣衣壓力測(cè)試

試驗(yàn)儀器選用美國(guó) Tekscan 公司的 Flexiforce 壓力傳感器及其測(cè)試系統(tǒng)，試驗(yàn)條件控制在溫度25 ℃、相對(duì)濕度65%。壓力測(cè)量點(diǎn)選取：胸下點(diǎn)(A)，前腰中點(diǎn)(B)，腹凸點(diǎn)(C)，腰中側(cè)點(diǎn)(D)，前公主線與腹圍線交點(diǎn)(E)，腰側(cè)點(diǎn)(F)，后腰中點(diǎn)(G)。測(cè)試前，對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)；測(cè)試中，待儀器上的數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后開(kāi)始記錄各測(cè)量點(diǎn)的壓力。

圖3是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出的16件樣衣及各測(cè)量點(diǎn)的壓力折線圖。從圖3(a)可以看出，同種面料、不同縮成率的樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力具有明顯的相關(guān)性，其壓力排序?yàn)?0%縮成率樣衣>60%縮成率樣衣>70%縮成率樣衣>80%縮成率樣衣。隨著縮成率的增大，各測(cè)量點(diǎn)的壓力差異越來(lái)越小，即縮成率越大，壓力作用越不明顯，整體壓力效果降低。對(duì)比a、b兩種面料的樣衣壓力變化情況，發(fā)現(xiàn)縮成率相同時(shí)面料a的樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力分別大于面料b的樣衣上相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的壓力，說(shuō)明氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，面料彈性提高，導(dǎo)致樣衣壓力下降；還可以看出，面料a的樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力隨縮成率變化的折線斜率比面料b的大，說(shuō)明氨綸質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，面料彈性越小，各測(cè)量點(diǎn)的壓力隨縮成率變化的速度越快。

根據(jù)圖3(b)，對(duì)同一件樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)縮成率為50%、60%、70%的樣衣上，腰側(cè)點(diǎn)(F)的壓力最大，其次為腹凸點(diǎn)(C)、前腰中點(diǎn)(B)、胸下點(diǎn)(A)、腰中側(cè)點(diǎn)(D)，壓力最小的是后腰中點(diǎn)(G)；縮成率為80%的樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力均較小，其中腹凸點(diǎn)(C)、前腰中點(diǎn)(B)的壓力較大，其次為胸下點(diǎn)(A)、腰側(cè)點(diǎn)(F)、腰中側(cè)點(diǎn)(D)，后腰中點(diǎn)(G)的壓力最小。由此可見(jiàn)，人體的腰側(cè)點(diǎn)與腹凸部位是穿戴保健護(hù)腰時(shí)受壓迫比較明顯的區(qū)域。人體腰部?jī)蓚?cè)和腹凸處的曲率均比較大，而曲率大的表面在外界壓力下易形成應(yīng)力集中，因此人穿戴保健護(hù)腰后，其身體表面曲率大的部位產(chǎn)生的壓力明顯大于曲率小的部位。所以設(shè)計(jì)保健護(hù)腰時(shí)，要適當(dāng)降低腰部?jī)蓚?cè)和腹凸處的壓力。

(a) 16件樣衣的壓力

(b) 各測(cè)量點(diǎn)的壓力

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，研究保健護(hù)腰壓力與面料伸長(zhǎng)率和樣板縮成率之間的關(guān)系；然后，采用MATLAB最優(yōu)化方法中的多目標(biāo)規(guī)劃方法，得到最優(yōu)化組合。

2.1 回歸分析

由測(cè)試結(jié)果知，縮成率為50%、 60%、 70%的樣衣上，腰側(cè)點(diǎn)的壓力最大；縮成率為80%的樣衣上腹凸點(diǎn)、前腰中點(diǎn)的壓力較大，且各測(cè)量點(diǎn)的壓力均不大，對(duì)腰部的支撐保護(hù)作用較弱。故本文選擇縮成率為50%、 60%、 70%的樣衣的腰側(cè)點(diǎn)的壓力，對(duì)保健護(hù)腰壓力與面料伸長(zhǎng)率和縮成率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 相關(guān)性分析結(jié)果

由表4可知，保健護(hù)腰壓力與面料伸長(zhǎng)率、縮成率之間的相關(guān)系數(shù)分別為-0.575、 -0.751，即保健護(hù)腰壓力與面料伸長(zhǎng)率和縮成率均存在相關(guān)性。對(duì)這三個(gè)變量進(jìn)行偏相關(guān)性分析，保健護(hù)腰壓力與面料伸長(zhǎng)率、縮成率之間的偏相關(guān)系數(shù)分別為-0.870、 -0.917，顯著性(雙側(cè))均為0.000，即面料伸長(zhǎng)率和縮成率與保健護(hù)腰壓力都有顯著的相關(guān)性。

對(duì)保健護(hù)腰壓力、面料伸長(zhǎng)率和縮成率進(jìn)行多元線性回歸分析，回歸方程方差分析結(jié)果見(jiàn)表5，回歸方程擬合結(jié)果見(jiàn)表6。表5中“Sig.”即顯著性符號(hào)為“0.000b”，表明回歸關(guān)系十分顯著。

表5 回歸方程方差分析結(jié)果

表6 回歸方程擬合結(jié)果

根據(jù)表6中給出的回歸模型的常量及縮成率和面料伸長(zhǎng)率的回歸系數(shù)，得到回歸方程：

保健護(hù)腰壓力=0.582-0.325×縮成率-0.253× 面料伸長(zhǎng)率

2.2 最優(yōu)化分析

將回歸方程代入MATLAB軟件，采用多目標(biāo)規(guī)劃方法進(jìn)行最優(yōu)化分析，設(shè)置：

y表示保健護(hù)腰壓力；

x(1)表示面料伸長(zhǎng)率；

x(2)表示樣板縮成率。

80%縮成率的樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)差異不明顯，所以保健護(hù)腰壓力目標(biāo)值以縮成率為50%、 60%、 70%的樣衣的腰側(cè)點(diǎn)壓力為參考。有研究得出調(diào)整型腹帶的壓力舒適閥值為2.46 kPa，針織圍腰的壓力舒適范圍為1.96～3.43 kPa[15]438，[16]521。為方便數(shù)據(jù)分析，根據(jù)傳感器受力面積換算出調(diào)整型腹帶的壓力舒適閥值為0.170 N，針織圍腰的壓力舒適范圍為0.139～0.243 N，本試驗(yàn)中樣衣的腰側(cè)點(diǎn)的最大壓力為0.190 N(圖3)，已經(jīng)達(dá)到腰部的壓力舒適閥值。保健護(hù)腰壓力越小，壓力舒適性越好，但保健護(hù)腰壓力過(guò)小則起不到支撐保護(hù)腰部的作用，故y的目標(biāo)值選取本試驗(yàn)中縮成率為50%、 60%、 70%的樣衣的腰側(cè)點(diǎn)壓力的最小值0.060 N。面料伸長(zhǎng)率越大，壓力舒適性越好，但面料伸長(zhǎng)率過(guò)大會(huì)影響保健護(hù)腰在腰部的固定效果，故x(1)的目標(biāo)值設(shè)為本試驗(yàn)中面料伸長(zhǎng)率的最大值122.20%。保健護(hù)腰屬于緊身內(nèi)衣范疇，其面料伸長(zhǎng)率要求達(dá)到50.00%以上，且縮成率在70%以上時(shí)樣衣壓力效果不明顯，所以設(shè)定：x(1)≥50%，x(2)≤70%，y≤0.19，即-0.253×x(1)-0.325×x(2)≤-0.392。初始值選為本試驗(yàn)中最小的面料伸長(zhǎng)率和最小的縮成率，即x0=(1.003 0， 0.500 0)。

編寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)：

functionf=gofun(x)；f(1)=0.582-0.253×x(1)-0.325×x(2)；f(2)=x(1)

然后，在命令窗口中調(diào)用優(yōu)化函數(shù)：

Goal=[0.06，1.22]；weight=abs(Goal)；x0=[0.5，0.5]；A=[-0.253， -0.325]；b=[0.392]；lb=[0.5，0]；ub=[1.222，0.7]；[X， fval，ATTAINFACTOR，EXITFLAG，OUTPUT，LAMBDA]=fgoalattain(@gofun，x0，Goal，weight，A，b，[]，[]，lb，ub)

運(yùn)算得到最優(yōu)化結(jié)果：

x(1)=1.173 1，x(2)=0.700 0，y=0.057 7

即面料伸長(zhǎng)率為117.31%，縮成率為70%時(shí)，保健護(hù)腰的防護(hù)效果及壓力舒適性達(dá)到最優(yōu)。

3 結(jié)論

(1) 同種面料、不同縮成率的樣衣，各測(cè)量點(diǎn)的壓力排序?yàn)?0%縮成率樣衣>60%縮成率樣衣>70%縮成率樣衣>80%縮成率樣衣?？s成率為80%的樣衣上各測(cè)量點(diǎn)的壓力都很小。同一件樣衣上不同測(cè)量點(diǎn)的壓力，縮成率為50%、60%、70%的樣衣上，腰側(cè)點(diǎn)的壓力最大，其次為腹凸點(diǎn)、前腰中點(diǎn)、胸下點(diǎn)、腰中測(cè)點(diǎn)，后腰中點(diǎn)的壓力最小；縮成率越小，各測(cè)量點(diǎn)的壓力變化越不明顯。

(2) 通過(guò)SPSS多元回歸分析，以壓力最大的腰側(cè)點(diǎn)為例，得出保健護(hù)腰壓力與面料伸長(zhǎng)率和縮成率的回歸方程：保健護(hù)腰壓力=0.582-0.325×縮成率-0.253×面料伸長(zhǎng)率。

(3) 將回歸方程代入MATLAB軟件，采用多目標(biāo)規(guī)劃方法，得出面料伸長(zhǎng)率為117.31%、縮成率為70%時(shí)，保健護(hù)腰的防護(hù)效果及舒適性達(dá)到最優(yōu)化。

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