1、服裝壓力舒適性的研究綜述與剖析摘要將服裝壓力舒適性的研究發(fā)展劃分為3個階段:早期研究(20世紀5070年代)、中期研究(20世紀8090年代)和近期研究(21世紀至今)。就每個階段的研究熱點分別進行綜述,并分析各個階段服裝壓力舒適性研究存在的問題與可能的對策。最后,從創(chuàng)新的角度,提出把服裝、人體皮膚及軟組織的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能相結(jié)合;在考慮人的生理與心理因素的基礎(chǔ)上, 把三維人體模型與有限元仿真分析相結(jié)合,建立人體和服裝之間動態(tài)力學(xué)接觸舒適性的預(yù)測系統(tǒng),最終提出構(gòu)建綜合感覺舒適性預(yù)測體系等構(gòu)想及其發(fā)展方向。關(guān)鍵詞服裝壓力;壓力舒適性;三維人體模型;有限元仿真分析;動態(tài)力學(xué)接觸Review an

2、d analysis of pressure comfort of garmentAbstractThe progress of study on pressure comfort of garment is divided into three chronological phases, which respectively are early study(from 1950s to 1970s),medium-term study(from 1980s to 1990s)and current study(from 2000s to now).The paper reviewed hot

3、studies of each phase and analyzed existing defects and advised possible solutions. In conclusion, the paper suggested several ideas and new trends, one was to associate the microstructure of fabric, human skin and soft tissue with their macro-performance, and another was to establish a system which

4、 can forecast pressure comfort of garment based on dynamic mechanical interactions between human body and garment and associate the 3d model of the human body and finite element simulation analysis while considering the humans physiological and psychological factors, and the final was to build an in

5、tegrated system which can forecast the humans whole sensation comfort.Key wordsgarment pressure; pressure comfort; 3d model of the human body; finite element simulation analysis; dynamic mechanical contact服裝壓力舒適性是服裝和人體皮膚間相互作用而產(chǎn)生的皮膚壓力感覺的舒適范圍,包括服裝的尺寸合體性與運動的自由度等力學(xué)角度的舒適性,反映的是一個綜合復(fù)雜的生理反應(yīng),主要與皮膚內(nèi)的壓力感受有關(guān),并且

6、可能聯(lián)系痛感和觸覺1。本文通過對服裝壓力舒適性的3個階段進行分析及綜述,提出今后服裝壓力舒適性的幾個發(fā)展方向。近年來,日趨完善化的發(fā)展更進一步注重著裝后人的身心健康、舒適、安全以及效能等功用,舒適性研究也已由原來單一的生理舒適研究,變?yōu)槲锢怼⑸怼⑿睦硎孢m的綜合研究,著裝時服裝與人體之間動態(tài)力學(xué)交互作用引起的著裝壓力感覺舒適性,成為舒適性研究中相對新的領(lǐng)域2。1 服裝壓力研究進展有關(guān)人體著裝的壓力分布的研究至今仍未形成一套較為成熟的理論體系。但是,服裝壓力的相關(guān)研究很早就有學(xué)者著手,至今已經(jīng)有不少的研究成果。下面以表1為綱,就已有的研究成果作具體的概述與剖析。表1 服裝壓力舒適性的3個研究進展

7、研究階段年代劃分研究熱點早期研究20世紀50-70年代1.服裝壓定義2.皮膚壓產(chǎn)生機制3.皮膚感知生理學(xué)中期研究20世紀80-90年代1.客觀壓力測量2.主觀壓迫感測量3.影響因素分析近期研究21世紀-至今1.綜合舒適感研究2.動態(tài)力學(xué)舒適性預(yù)測3.生物力學(xué)模型建立4.動態(tài)接觸虛擬5.有限元仿真分析1.1 服裝壓力舒適性的早期研究服裝壓力舒適性的早期研究主要停留在服裝壓力的定義及其產(chǎn)生壓力的生理機制的基礎(chǔ)研究上。1966年Kirk Wm等人提出了一種測量人體皮膚在運動時延伸率的方法,這種方法后來被用做計算壓力與皮膚延伸關(guān)系的重要參考3。Ibrahim Salim M在1968年探討了具有雙向拉

8、伸性能的織物制成的保型性服裝的力學(xué)性能,并給出了服裝壓、服裝穿著在人體上的外型輪廓、人體在行走時的震顫情況的測試方法4。1972年Denton指出舒適服裝壓力的范圍為1.963.92 kPa,當服裝壓力超過此值時會令人感到不舒服,其程度因人和身體部位而異5。不舒適服裝壓力的臨界值介于5.889.81 kPa之間,與人體皮膚表面毛細血管的血壓平均值7.85 kPa接近,當服裝壓力超過此值時,血液流動非常困難,從而導(dǎo)致血液流動受阻或停止流動。最終血液被迫流向腿部較低部位,從而造成下肢腫脹6。1975年Verillo指出在理想狀態(tài)下,低于0.001 mm的位移就能有效引起壓力感覺產(chǎn)生7。早期的研究主

9、要還停留在服裝壓力的定義及產(chǎn)生壓力的生理機制的基礎(chǔ)研究上。1.2 服裝壓力舒適性的中期研究服裝壓力舒適性的中期研究(20世紀8090年代)主要集中在客觀穿著壓力測量和主觀壓迫感接受及二者間的關(guān)系上,多是對各功能產(chǎn)品具體舒適閾值和影響因素的分析。這一階段,國外尤其是日本的一些高校和研究機構(gòu)在該領(lǐng)域的研究成果比較突出。Denton,Harumi Morooka等人從人體自身的角度分析了影響服裝壓力大小的人體體型方面的因素,主要有:身體曲率、人體的彈性模量、軟組織結(jié)構(gòu)、脂肪含量、運動幅度等。Denton指出服裝壓隨身體曲率的增加而增大,女性身體兩側(cè)的曲率是腹部的3.5倍,所以腰部兩側(cè)受到的服裝壓力是

10、其腹部所受壓力的3.5倍。Harumi Morooka在提出胸衣的下胸圍壓力值與壓力舒適感之間的相關(guān)性時,測試并比較了靜態(tài)與常規(guī)動態(tài)狀態(tài)下穿著胸衣時的壓力值,發(fā)現(xiàn)服裝壓力受人體的運動幅度、姿勢以及呼吸等因素的影響,同時比較了同一個測試點的壓力值與不同受試人體的BMI之間的關(guān)系,說明壓力與人體脂肪含量有相關(guān)性8。Noriko Ito,Harumi Morooka,Ayako Inamura等人從面料性能的角度具體分析了影響服裝壓力舒適性的織物物理性能,主要有:面料摩擦因數(shù)、柔軟度、光滑度和接觸感、面料雙軸向拉伸、彈性模量、橫向拉伸性能、剪切性能和彎曲性能等9-11。由芳、張欣從服裝結(jié)構(gòu)的角度進行

11、了緊身服的寬裕量、彈性模量與服裝壓感關(guān)系的相關(guān)研究,以服裝的寬裕量作為服裝合體程度的指標,以服裝面料彈性模量作為彈性性能的指標,二者可以較好地預(yù)測服裝的穿著壓感12。不同種類的服裝對壓力舒適閾值的需求各有差異。服裝壓力舒適性中期研究的一個熱點就是確定具體服裝產(chǎn)品種類的舒適閾值,為服裝生產(chǎn)商提供必要的技術(shù)參數(shù)。Makabe通過對塑褲壓力的研究,得出塑褲舒適壓力閾值為4.005.33 kPa13;通過對女性胸罩的研究得出肩帶的舒適閾值為3.2 kPa,胸下圍和側(cè)部的舒適閾值為1.472.13 kPa14;還對女性調(diào)整型腹帶的壓力舒適性進行了研究,得出腹帶的舒適閾值為2.46kPa15。對于服裝壓力

12、舒適性的影響因素,相關(guān)文獻主要是從人體體型,服裝面料的物理、力學(xué)性能以及服裝款式3個方面進行了研究。存在的問題總結(jié)如下:1) 物理影響因素研究較多,但基本都停留在定性的宏觀研究基礎(chǔ)上,沒有將每種影響因素具體影響程度的大小定量化。2) 文獻多是從一兩個因素著手研究服裝壓,將服裝壓、服裝的款式結(jié)構(gòu)、織物的物理性能以及人體體型4個方面結(jié)合起來整合研究的文獻很少。3)針對生理、神經(jīng)生理與舒適心理的影響因素的研究文獻較少。4)時間、運動以及洗滌對服裝壓力舒適性的影響還沒有全面評價,對這方面的研究將有助于進一步提高醫(yī)用壓力服、塑身內(nèi)衣等功能服裝的功效性,指導(dǎo)消費者更科學(xué)地穿用此類功能服裝,更好地發(fā)揮其效能

13、。1.3服裝壓力舒適性的近期研究2000年至今,一些學(xué)者圍繞人體和服裝之間的動態(tài)接觸力學(xué)機制對服裝壓力舒適性進行了一些探索和研究,運用彈性力學(xué)、有限元等方法,建立了相應(yīng)的預(yù)測模型或三維壓力模型。2002年,張欣等人基于分析人體和服裝間的接觸特性,在動態(tài)接觸力學(xué)的理論基礎(chǔ)上建立了幾何非線性的數(shù)學(xué)模型,模擬三維女體在穿著緊身服裝過程中的動態(tài)服裝壓力分布,數(shù)字模擬結(jié)果表明該模型能夠比較準確地預(yù)測服裝穿著過程中的動態(tài)力學(xué)行為16。但是該模型假定人體為剛體,將服裝看作是具有幾何非線性且薄的彈性殼體,人體和服裝間的接觸被視為動態(tài)的不斷滑移的界面,要求在運動時人體始終與上衣肩部的最高點和短褲的腰部保持接觸,

14、且人體和服裝間的摩擦不計,因此,該模型不能真實模擬人體和服裝之間的動態(tài)接觸力學(xué)行為,尤其是人體的變形、皮膚和軟組織的應(yīng)力分布。2003年,李毅等人進一步建立了女體的三維生物力學(xué)模型以研究女性胸部與胸罩之間的動態(tài)力學(xué)接觸,該模型包括彈性胸部和剛性軀體,胸罩被認為是材料線性和幾何非線性,人體和胸罩之間的接觸被認為是動態(tài)滑移界面,采用有限元分析法獲得了動態(tài)接觸的模擬結(jié)果,并通過實例實現(xiàn)了該模型的模擬效果。該模擬結(jié)果與同類文獻報道所測的服裝壓力值相比,具有很好的預(yù)測性17。這一模型與先前的模型相比,突破了剛性人體的局限,人體模型的胸部是彈性體,其他軀體部位限于剛性體,由此可以預(yù)測胸部的應(yīng)力及胸部變形對

15、胸罩的影響,但是僅限于人體特定部位的模擬。為了克服上述局限性,2004年,Yeung K W等人在三維人體幾何模型的基礎(chǔ)上,以彈性力學(xué)的薄膜大變形理論,建立了三維力學(xué)模型來描述人體及服裝的動態(tài)平衡。在模型中,人體視為3層,較為硬性的骨骼、較為軟性的彈性軟組織和皮膚。通過定義三維人體和服裝的數(shù)字結(jié)構(gòu)、材料力學(xué)屬性、接觸力學(xué)模型、邊界條件,提出一種幾何非線性的數(shù)學(xué)模型來模擬穿著過程中的動態(tài)壓力分布。通過該模型模擬緊身褲穿著從腳到腰的過程,結(jié)果表明這個模型比較全面地描述了服裝變形、服裝壓力、人體變形和由于皮膚變形導(dǎo)致皮膚內(nèi)部壓力等動態(tài)接觸面的力學(xué)接觸18。由于與實際穿著過程的模擬仍存在一定差距,且計

16、算復(fù)雜,需借助功能強大的計算機來完成,所以該模型的實際應(yīng)用仍然存在困難。2004年香港理工大學(xué)的Fan等人研制了可以用于任何環(huán)境和條件下服裝壓力舒適性評價的假人。通過在假人身上進行壓力測試，可以得出較為真實可靠的數(shù)據(jù)，目前，該假人主要用于測試女性內(nèi)衣的壓力舒適度，而對于其他部位的壓力測量還缺乏精確度。2005年Fan等運用標準的假人模特代替真人穿著腹帶的方法預(yù)測了腹帶穿著后的壓力分布。該模型具有較好的預(yù)測性，現(xiàn)在，這個模型已廣泛應(yīng)用于模擬緊身衣的服裝壓力分布測試。2005年，王建民等采用新的幾何插值體積細分方法研究了彈性體的變形以及服裝壓力分布。該模型運用六面體網(wǎng)格模擬著裝后的人體變形，然后通

17、過迭代法整合為反映服裝和人體之間迭代關(guān)系的拉氏函數(shù)動態(tài)方程，最后通過人體的變形特征來計算壓力分布19，該方法能夠準確地預(yù)測緊身衣的壓力分布情況，為內(nèi)衣結(jié)構(gòu)以及款式設(shè)計提供有益的參考。2008年,Mirjalili等20提出了運用有限元方法來預(yù)測彈性服裝和人體接觸時的壓力分布。他采用Ansys9.0軟件對彈性服裝和人體接觸部位進行分析和建模，再用壓力測試儀器分別對各點進行測試發(fā)現(xiàn)，有限元分析得到的壓力分布數(shù)值與儀器測試數(shù)值的最大誤差為7%。由此可見，運用有限元對服裝壓力的試驗?zāi)Ｐ瓦M行建模和模擬相應(yīng)部位的受力情況是十分有效的。2011年，覃蕊等21運用有限元方法來模擬男短襪襪口對小腿部施壓后壓力與

18、位移的關(guān)系。在研究中，人體被視為彈性體，腿部和襪口之間的接觸被視為彈性接觸。2012年，張薇薇22等運用有限元分析軟件對人體小腿部進行壓力測試研究，測試結(jié)果證明該方法在壓力研究中具有可行性。綜上,近期對服裝壓力舒適性的研究在虛擬模型建立和綜合預(yù)測分析上有優(yōu)勢,但是主要還集中于三維動態(tài)服裝壓力的分布模擬上,并且是在諸多邊界條件限制的前提下,仿真性離實際應(yīng)用還有一段距離,其系統(tǒng)的物理模型與預(yù)測模型還有待深入研究。進行有限元分析的目的是利用分析結(jié)果來驗證、修改和指導(dǎo)設(shè)計,但如果誤差太大，分析也就失去價值甚至產(chǎn)生不良后果，所以保證精度是有限元建模過程中的首要原則，未來的有限元運算模型應(yīng)當盡量控制模型規(guī)

19、模以保證計算精度，方能進一步減小誤差。2服裝壓力舒適性研究的發(fā)展動向2.1從微觀的角度研究服裝壓力舒適性目前的研究主要針對服裝穿著于人體上,由于人體外形輪廓及運動使得服裝對人體產(chǎn)生束縛力,由此形成皮膚深層的壓迫感,使穿著者感受到服裝壓力,這屬于宏觀研究。宏觀研究易于從主客觀試驗表象分析中找出服裝壓力與舒適性之間大致的相關(guān)關(guān)系,但難于挖掘其本質(zhì)的機制,要研究開發(fā)出具有特殊功效,具備優(yōu)良舒適性的服裝產(chǎn)品,還需結(jié)合服裝材料、人體皮膚及軟組織的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的關(guān)系,從分子和納米微觀結(jié)構(gòu)進行研究、設(shè)計與改進,在纖維、紗線和織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計和生產(chǎn)工藝過程,服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料的選擇和搭配到生產(chǎn)制造工藝過程

20、中,進行服裝壓力舒適性的工程設(shè)計與創(chuàng)新。2.2生理與心理學(xué)測量有機結(jié)合服裝壓力舒適性由人的生理、心理因素共同決定,其評價在一定程度上與被測人體的主觀感受有著密切聯(lián)系,但是,主觀感覺評價還停留在根據(jù)個人的心理感覺對穿著服裝的壓力舒適感覺(如緊、松等)進行評分,這種方法由于個體的差異,難以保證主觀試驗者本身的可信性和實現(xiàn)試驗的可重復(fù)性,所以,主觀評價一方面要加強著裝試驗的生理機制研究,比較著裝前后人體的各項相關(guān)生理指標(如心電圖、血壓、皮膚溫度、心率、皮膚血流量等)的差異,深入到對具體指標影響程度的定量分析以及這些影響與人體身心健康及主觀舒適性的相關(guān)分析。另一方面,結(jié)合心理、物理學(xué)研究機制,測量并

21、比較著裝前后人體的各項相關(guān)心理指標(如腦電波、事發(fā)相關(guān)電位、體感誘發(fā)電位以及肌電圖等),將引起服裝壓力的物理因素與人的生理、心理物理指標綜合在一起,對服裝壓力舒適的感覺效果做出表達,由此獲得人們對服裝壓力刺激形成的感覺效果的描述,這種描述是服裝壓力刺激引起的生理和心理的綜合反映。通過對評價要素的控制,可以在一定程度上排除由人的差異所產(chǎn)生的人為差異,使評價結(jié)果能夠表達大部分人群的感覺效果。2.3人體和服裝動態(tài)接觸舒適性預(yù)測系統(tǒng)如前所述,目前針對靜態(tài)服裝壓研究居多,對動態(tài)壓力舒適性的研究文獻比較少。要進一步提高服裝的舒適性與功能性,滿足其力學(xué)舒適性的需求,首先必須對服裝的載體人體進行深入的研究。具

22、體的人體因素包括人體形態(tài)特征、人體運動生物力學(xué)特征、人體生理和神經(jīng)生理特征、心理因素;其次需要從分析人體的生物力學(xué)特點入手,研究人體和服裝之間的動態(tài)接觸力學(xué)機制,包括服裝變形與人體變形幅度的關(guān)系,服裝與人體之間作用力的大小及分布等;然后在二者基礎(chǔ)上建立服裝和人體間的彈性接觸力學(xué)模型,研究服裝和人體相互接觸受壓后所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變分布規(guī)律,最終將人的生理和心理因素納入服裝的力學(xué)工程設(shè)計中,建立基于人體和服裝之間的動態(tài)接觸力學(xué)機制的服裝力學(xué)舒適性能的預(yù)測系統(tǒng)。2.4建立綜合感覺舒適性預(yù)測體系歷年來的研究發(fā)現(xiàn),服裝的舒適性取決于3個主要的感觀因素:熱濕舒適、觸覺舒適和壓力舒適,這3個因素決定了人們對

23、舒適感覺評判的90%23。建立服裝的綜合感覺舒適性預(yù)測評價體系,需要在數(shù)字可視人的基礎(chǔ)上,分別建立數(shù)字人體熱生理模型與數(shù)字人體生物力學(xué)模型,通過計算機圖像技術(shù)、熱濕舒適性設(shè)計及力學(xué)功能性設(shè)計技術(shù)的集成,在服裝縫合前就能對服裝的舒適性及功能性進行全面的預(yù)測。完成這一綜合性的工程設(shè)計,還需要進一步加強生理、心理方面的舒適性研究。人體生理方面,在人體生理特性中需要研究篩選出最能顯示舒適性的特性值,并開發(fā)更為簡易的測定方法。心理因素領(lǐng)域,感覺、知覺的定量化研究將成為熱點。將服裝所具有的物理特性與舒適的知覺之間用數(shù)量關(guān)系表達,從而發(fā)展成為綜合舒適性評價系統(tǒng)。2.5 測試系統(tǒng)的升級提高測試系統(tǒng)的測量精度，

24、將動態(tài)壓力測量和壓力分布作為研究的重點，使測量數(shù)據(jù)更加接近人體真實運動狀態(tài)下的實際值，且隨著微型計算機、微傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，服裝壓力測試系統(tǒng)將不斷完善，進而向智能化服裝方向發(fā)展，在服裝科技的發(fā)展中有重要的意義。3結(jié)束語服裝壓力舒適性是目前服裝工程學(xué)研究的熱點,但現(xiàn)有的研究還停留在對壓力舒適性的定性研究上,計算機三維壓力模型的建立也是基于諸多約束條件下的簡單模擬,離實際應(yīng)用還有一段距離。本文通過綜述前人的研究,對服裝壓力舒適性的研究提出了自己的構(gòu)想,今后將在服裝壓力舒適性的定量研究及預(yù)測準確度上做進一步的探討。參考文獻1 王晉子.青年女性內(nèi)衣壓力舒適性小樣本研究D.北京:北京服裝學(xué)院,2005

25、.2李毅.服裝舒適性與產(chǎn)品開發(fā)M.北京:中國紡織出版社,2002:2.3 Kirk Wm, Ibrahim S M. Fundamental relationship of extensibility to anthropometric requirements and garment performance J.Textile Research Journal, 1966, 57:37-47.4Ibrahim Salem M. Mechanics of form-persuasive garments based on spandex fibers J.Textile Research Jo

26、urnal, 1968, 38:950-963.5Denton M J.Fit,stretch and comfortJ.Textiles,1972(3):12-17.6占輝,徐軍.服裝壓力舒適性研究及應(yīng)用J.北京紡織,2004,25(5):58-60.7Verillo R T. Cutaneous sensationsC / B Scharf (Ed).Experimental Sensory Psychology. Glenview: Scott Foresman, 1975:1-10.8Morooka Harumi, Fukuda Reiko, Nakahashi Miyuki, et

27、al. Clothing pressure and wear feeling at under-bust part on a push-up type brassiere J. Seni Gakkaishi,2005,61(2):53-58.9Ito Noriko, Inoue Mari, Nakanishi Masae, et al. The relation among the biaxial extension properties of girdle cloths and wearing comfort and clothing pressure of girdles J. Jpn R

28、es Assn Text End Uses, 1995, 36: 102-108.10 Morooka Harumi, Nakahashi Miyuki, Morooka Hideo. Compressive property of legs and clothing pressure of pantyhose from the view point of difference in age J. Jpn Res Assn Text End Uses,1997, 38:44-52.11Ayako Inamura,Masae Nakanishi,Masako Niwa. Relationship

29、 between wearing comfort and physical properties of girdles J.Jpn ResAssn Text End Uses,1995,36:109-118.12由芳,張欣.緊身服的寬裕量及彈性模量與服裝壓感的關(guān)系J.西安工程科技學(xué)院學(xué)報,2000,14(2):133-137.13Makabe H.A study of clothing pressure developed by the girdleJ.Jpn Res Assn Tex End Uses,1991,32(9):424-438.14Makabe H,Momota H,Mitsuno T,et al.A study of apparel pressure developed by the brassiereJ.Jpn Res Assn Text End Uses,1991,32(9):416-423.15Makabe H,Momota H,Mitsuno T,et al.Effect of covered area at the waist on clothing pressureJ.Seni Gakkaishi,1993,49:513-521.16Zhang X,Yeung K W,Li Y.Numer