面料拉伸性能與運(yùn)動文胸防震功能的定量關(guān)系

盛欣洋, 陳曉娜, 盧婭婭, 李艷梅, 孫光武

(上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院, 上海 201620)

對于有運(yùn)動需求的女性,隨著運(yùn)動強(qiáng)度的增加,乳房晃動的劇烈程度,即乳房位移也會不斷上升[1]。據(jù)Scurr等[2]研究,D罩杯實(shí)驗(yàn)對象在不穿文胸狀態(tài)下,從跑步機(jī)步行加速至快跑(5 ～15 km/h)過程中,左右乳房位移分別從(4.3±1.0)cm和(4.0±1.0)cm上升到(14.7±4.4)cm和(15.8±4.0)cm。運(yùn)動過程中的乳房晃動,不僅會使人尷尬,更會帶來乳房疼痛、松弛下垂等一系列不良后果[3-5]。運(yùn)動文胸可以有效減少運(yùn)動過程中的乳房位移[6-8]。根據(jù)White等[9]研究,D罩杯實(shí)驗(yàn)對象在穿運(yùn)動文胸跑步時,乳房位移相比不穿文胸減少了58.8%～61.2%((5.04±1.8) cm)。

運(yùn)動文胸對乳房位移的減少作用,被稱為防震功能[10-11]。運(yùn)動文胸的防震功能同時受結(jié)構(gòu)、面料及工藝等多因素的影響[12],但目前該領(lǐng)域的研究多集中于對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素的探索,缺少對面料及工藝因素的探索。在運(yùn)動過程中,運(yùn)動文胸面料通過拉伸變形產(chǎn)生應(yīng)力,使乳房受到支撐和壓迫[8],將乳房的動能轉(zhuǎn)化為面料和襯墊的拉伸能,以及襯墊的壓縮能[8]。乳房動能降低,位移減小,從而起到提高運(yùn)動文胸防震功能的作用。由此可知,運(yùn)動文胸的防震功能與其面料的拉伸彈性息息相關(guān),然而現(xiàn)有文獻(xiàn)中卻鮮有關(guān)于二者間定性、定量關(guān)系的研究。在文胸的不同部件結(jié)構(gòu)中,罩杯直接作用于女性乳房,其它部位對于乳房的影響都要通過罩杯來傳遞[10]。因此,本文運(yùn)用控制變量的方法,創(chuàng)造性地只改變罩杯部位的面料,研究面料拉伸彈性與運(yùn)動文胸防震功能之間的定量關(guān)系,為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動文胸的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 面料選取

當(dāng)服裝面料拉伸30%左右時,面料在人體表面所產(chǎn)生的壓強(qiáng)處在人體承受壓力的舒適范圍內(nèi)(以 30 cm周長圓周的半徑作為人體皮膚表面曲率半徑)[13]。利用YG026 D型多功能電子織物強(qiáng)力機(jī)測量并計(jì)算伸長率分別為20%、30%和40%時不同面料的彈性模量。實(shí)驗(yàn)過程中,共選取5款不同面料進(jìn)行拉伸彈性實(shí)驗(yàn),所選面料基本參數(shù)見表1。比較發(fā)現(xiàn),伸長率從20%增加至40%時彈性模量數(shù)值趨勢變化一致,最終以伸長率為30%時的彈性模量作為依據(jù)選取后續(xù)實(shí)驗(yàn)面料[14]。

表1 實(shí)驗(yàn)面料彈性模量測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of modulus of elasticity of test fabrics

1.2 樣衣制作

為消除文胸底圍及后拉片等其他部位的影響,只研究罩杯部位面料性能對文胸防震功能的影響,只改變罩杯部分所用面料(見圖1),文胸樣衣號型設(shè)置為75C,樣衣、結(jié)構(gòu)圖、紙樣圖見圖1。6件樣衣后拉片與底圍部分面料統(tǒng)一采用彈性、透氣性較好的面料1,而罩杯部分所使用面料及沿箭頭方向的彈性模量見表2。為使罩杯貼合人體曲線的同時能保持罩杯部分面料線圈方向完全一致,采用左右兩片分割設(shè)計(jì)。底圍部分內(nèi)置40 mm寬松緊帶。肩帶統(tǒng)一采用2.5 cm寬,長度可調(diào)節(jié)的防滑彈力肩帶。

圖1 實(shí)驗(yàn)文胸Fig.1 Experimental bra. (a) Style; (b) Cup pattern

表2 樣衣罩杯部分豎直方向彈性模量Tab.2 Elastic modulus in grain line direction of sample bra cup

樣衣使用一臺縫紉機(jī)(真善美DC6030,日本)縫制而成,參數(shù)設(shè)置為:01號直線線跡,最大線跡寬度為3.5 mm,最大線跡長度為2.4 mm。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 動作捕捉系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用由 4 個攝像頭組成的三維人體運(yùn)動捕捉系統(tǒng)(MC1300,青瞳,中國)采集位置傳感器(邊長3 mm,發(fā)光點(diǎn)直徑0.4 mm,外圈封裝直徑10 mm)的三維坐標(biāo)。采樣頻率設(shè)置為210 Hz。

1.3.2 運(yùn)動假人

使用可以模擬人體運(yùn)動的假人設(shè)備代替真人進(jìn)行動作捕捉實(shí)驗(yàn),可以避免真人實(shí)驗(yàn)中由實(shí)驗(yàn)對象自身主、客觀因素(如運(yùn)動疲勞等)引起的實(shí)驗(yàn)誤差。同時,該設(shè)備獲取數(shù)據(jù)方便快捷,并可進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

運(yùn)動假人由動力系統(tǒng)和仿真模型2個部分組成(如圖2所示)。下半部分為可以模擬不同運(yùn)動強(qiáng)度下軀干豎直方向運(yùn)動軌跡的動力系統(tǒng),使用伺服電動機(jī)加減速作為動力機(jī)構(gòu)帶動凸輪做圓周運(yùn)動,最終可達(dá)到頻率為1/0.35 Hz,振幅為±45.68 mm的豎直正弦震動,從而模擬人體在進(jìn)行10 km/h跑步狀態(tài)下的軀干運(yùn)動。上半部分為模擬乳房位移的仿真模型,利用3D打印技術(shù)倒模制成軀干和乳房的軟體模型,其中仿真乳房部分原材料為硅膠。乳房模型尺寸符合女性75C號型標(biāo)準(zhǔn),其中胸圍90 cm,下胸圍75 cm,胸圍差為15 cm,以達(dá)到在外部運(yùn)動結(jié)構(gòu)作用下模擬真人乳房運(yùn)動的效果。經(jīng)測量,運(yùn)動假人在無文胸狀態(tài)下的乳房豎直位移為21.84 mm。

圖2 運(yùn)動假人的動力系統(tǒng)和模擬模型Fig.2 Power system (a) and simulation model (b) of dynamic mannequin

1.4 標(biāo)記點(diǎn)的選取

在仿真模型上及文胸表面粘貼 5個位置傳感器,依次為:胸骨角上切跡(M1)、兩側(cè)乳頭點(diǎn)(M2、M3)以及胸骨上切跡沿人體表面向下4 cm后再水平向左、右各1 cm(M4、M5),如圖3所示。其中,M1、M4和M5為軀干運(yùn)動表征點(diǎn),M2和M3為乳房位移表征點(diǎn)。

圖3 標(biāo)記點(diǎn)示意圖Fig.3 Positions of marked points

為探究實(shí)際運(yùn)動過程中面料拉伸情況,在穿著文胸后左乳點(diǎn)正上方30 mm處(M6)及50 mm處(M7)粘貼2個傳感器,則M3與M7間的距離即為面料靜態(tài)拉伸長度d(d=50 mm)。

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

1)實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系建立。首先,對三維動作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,設(shè)置實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系,平行于鏡頭平面水平向右為+x軸,垂直于鏡頭平面豎直向上為+z軸,根據(jù)右手法則確定水平向前為+y方向。隨后進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn),確定三維動作捕捉有效位置范圍。

2)標(biāo)記點(diǎn)粘貼。將樣衣穿到運(yùn)動假人仿真模型上,通過調(diào)節(jié)肩帶、背扣等部件調(diào)整各部位的合體性,并拍照記錄。使用油性膠帶(博冠,中國)將位置傳感器貼在標(biāo)記點(diǎn)上(見圖4)。

圖4 運(yùn)動文胸實(shí)物圖Fig.4 Sports bra

3)軀干坐標(biāo)系建立。以標(biāo)記點(diǎn)M1、M4、M5為參考點(diǎn)建立軀干坐標(biāo)系。M4與M5連線中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O,OM4方向?yàn)?x′, 豎直向上為+z′,按照右手法垂直于z′Ox′平面水平向前為+y′。

4)數(shù)據(jù)采集。啟動動力系統(tǒng),10 s后開始采集標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),持續(xù)10 s后結(jié)束采集,停止動力系統(tǒng)。每件樣衣重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次,取3次測試數(shù)據(jù)處理結(jié)果的平均值作為該件樣衣在運(yùn)動狀態(tài)下的乳房豎直位移。為研究實(shí)驗(yàn)過程中的面料拉伸情況,在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,在M6、M7和M3處用記號筆做上標(biāo)記,脫下樣衣,并用軟尺測量面料無拉伸狀態(tài)下的原長l0。同時,通過坐標(biāo)計(jì)算運(yùn)動過程中M6與M7、M3與M6間的動態(tài)拉伸d1、d2。

1.6 數(shù)據(jù)分析

1.6.1 乳房豎直位移計(jì)算

相同運(yùn)動條件下,無文胸狀態(tài)時的乳房豎直位移保持一致;而穿著文胸狀態(tài)下,乳房豎直位移越小,代表文胸防震功能越好,因此本文實(shí)驗(yàn)使用乳房豎直位移表征文胸防震功能。

根據(jù)標(biāo)記M1、M4和M5的在坐標(biāo)系的三維絕對坐標(biāo)和在軀干坐標(biāo)系中的三維相對坐標(biāo),建立從實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系到軀干坐標(biāo)系的三維轉(zhuǎn)換矩陣。通過三維轉(zhuǎn)換矩陣將乳房三維絕對坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對坐標(biāo),并計(jì)算每個運(yùn)動周期內(nèi)的豎直相對坐標(biāo)極值差從而得到豎直相對位移。將左、右乳房的平均豎直相對位移記為運(yùn)動假人的乳房豎直位移[15]。

1.6.2 不同面料在運(yùn)動狀態(tài)下的最大拉伸

乳房接近曲面,為更加準(zhǔn)確地探究運(yùn)動過程中的運(yùn)動文胸面料在罩杯部位豎直方向的拉伸情況,選取包含BP點(diǎn)在內(nèi)的3個標(biāo)記點(diǎn)(M3,M6和M7),將相鄰2個點(diǎn)間的距離之和近似為M3與M7之間的弧長距離,即面料被拉伸后的長度。

利用實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系下M3、M6及M7的三維絕對坐標(biāo),計(jì)算得到3點(diǎn)中相鄰2個點(diǎn)間距離之和的最大值,該值與面料在未拉伸狀態(tài)下的原長之差值,即為面料在實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的最大拉伸。

具體計(jì)算方法如下:

dmax=(d1+d2)max

式中:x6、y6、z6,x7、y7、z7,x3,y3、z3分別為標(biāo)記點(diǎn)M6、M7和M3在實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)軸下的三維坐標(biāo);d1為標(biāo)記點(diǎn)M6到M7之間的距離,mm;d2為標(biāo)記點(diǎn)M6到M3之間的距離,mm;面料動態(tài)最大拉伸距離dmax為兩段距離之和d1+d2的最大值,mm;l0為無拉伸狀態(tài)下的面料原長,mm;S則為面料伸長率。

1.6.3 彈性模量與豎直位移的相關(guān)性分析

應(yīng)用SPSS軟件,利用Pearson相關(guān)分析的方法對面料彈性模量與乳房豎直位移間的相關(guān)性進(jìn)行分析,顯著性水平為0.05。使用相關(guān)系數(shù)r判斷相關(guān)性強(qiáng)弱,0.8

1.6.4 彈性模量與豎直位移的回歸分析

應(yīng)用SPSS軟件,以面料彈性模量為自變量E,乳房豎直位移為因變量B,利用曲線估算的方法,對二者之間的定量關(guān)系進(jìn)行回歸分析,顯著性水平為0.05。使用判定系數(shù)R2判斷回歸方程擬合效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同面料在運(yùn)動狀態(tài)下的最大拉伸

實(shí)驗(yàn)過程中,穿著不同樣衣時,面料最大拉伸的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 穿著不同樣衣時標(biāo)記點(diǎn)M3與M7間最大拉伸均值Tab.3 Average maximum stretch between marked points M3 and M7 when wearing different bras

由表3可知,6件樣衣面料最大拉伸范圍在50.63～58.55 mm之間,均值為(53.44 ± 2.76)mm,最大伸長率的范圍在19.52%～42.80%之間,平均最大伸長率為30.02%?？梢缘贸?以伸長率為30%時的彈性模量作為面料拉伸彈性指標(biāo),與實(shí)際運(yùn)動過程中的面料拉伸率較為匹配,是合理的選擇。

2.2 乳房豎直位移

測試結(jié)果顯示,運(yùn)動假人在分別穿著6件樣衣運(yùn)動時的乳房豎直位移范圍在9.69～19.76 mm之間(見表4)。

表4 穿著不同樣衣時乳房豎直位移均值Tab.4 Mean breast vertical displacement when wearing different bras

2.3 彈性模量與豎直位移的相關(guān)性

面料彈性模量持續(xù)增大時,乳房豎直位移基本呈減小趨勢,但變化趨勢非線性,下降趨勢越來越緩慢(見圖5)。Shapiro-Wilk正態(tài)性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示6組乳房豎直位移值服從正態(tài)分布(W=0.978,P=0.941>0.05)。Pearson相關(guān)分析結(jié)果表明面料彈性模量與乳房豎直位移之間顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=-0.877,P=0.022 <0.05)。該結(jié)果說明,面料彈性模量越大,運(yùn)動過程中乳房豎直位移越小,代表由該面料制作的運(yùn)動文胸防震功能越好。這主要是因?yàn)?當(dāng)面料彈性模量大時,相同曲率半徑下,在面料與人體的接觸面上產(chǎn)生的壓力也越大,使得乳房-罩杯整體的剛度變大,因此在豎直方向產(chǎn)生的位移變小。

圖5 面料彈性模量與乳房豎直位移散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of fabric elasticity modulus and vertical breast displacement

2.4 彈性模量與豎直位移間的定量關(guān)系

以面料彈性模量為自變量E,乳房豎直位移為因變量B,使用10種曲線估計(jì)回歸模型(線性Linear、對數(shù)曲線Logarithmic、逆函數(shù)Inverse、二次曲線Quadratic、三次曲線Cubic、復(fù)合曲線Compound、冪函數(shù)Power、S曲線、增長曲線Growth、指數(shù)曲線Exponential)對二者之間的定量關(guān)系進(jìn)行回歸分析。通過方差分析和回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn),篩選得出8種顯著性p值小于0.05的回歸模型。8種回歸模型的擬合曲線圖見圖6,擬合結(jié)果見表5。其中,冪函數(shù)模型的擬合優(yōu)度最高,調(diào)整后R2為0.891,估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.082,擬合方程為lnB=-0.248lnE+ln64.289,可作為以面料彈性模量預(yù)測乳房豎直位移的首選模型。

圖6 8種模型擬合曲線圖Fig.6 Eight model fitting curves

表5 乳房豎直位移與面料彈性模量回歸分析結(jié)果Tab.5 Regression analysis of breast vertical displacement and fabric elastic modulus

3 結(jié) 論

測量了運(yùn)動假人分別穿著6款運(yùn)動文胸模擬跑步運(yùn)動(10 km/h)時的乳房豎直位移,并使用曲線回歸模型研究了罩杯面料彈性模量與乳房豎直位移之間的定量關(guān)系,得到如下結(jié)論。

1)罩杯面料彈性模量與乳房豎直位移間顯著負(fù)相關(guān),即面料彈性模量越大,乳房豎直位移越小,表明運(yùn)動文胸防震功能越好。

2)冪函數(shù)模型可作為以罩杯面料彈性模量預(yù)測75C實(shí)驗(yàn)對象10 km/h跑步運(yùn)動時乳房豎直位移的首選模型,擬合方程為lnB=-0.248lnE+ln64.289。

3)10 km/h跑步運(yùn)動狀態(tài)下,在乳點(diǎn)上方5 cm范圍內(nèi),罩杯面料最大拉伸率在19.52% ～ 42.80%之間,平均值為30.02%。以30%伸長率時的面料彈性模量為代表分析面料參數(shù)與運(yùn)動文胸防震功能的相關(guān)關(guān)系較為合理。

4)以中間體運(yùn)動假人為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行數(shù)次實(shí)驗(yàn),得出系列結(jié)論,今后研究可通過真人實(shí)驗(yàn)對結(jié)論加以驗(yàn)證。

由于材料的力學(xué)性能不同,運(yùn)動假人仿真模型與真人乳房在運(yùn)動時存在一定差異,這種差異并不會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢產(chǎn)生重大影響,但有可能影響得出的定量關(guān)系的細(xì)節(jié)參數(shù)。今后研究可以通過真人實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證由運(yùn)動假人得出的定量關(guān)系。