服装压力舒适性研究现状及发展趋势

张同会, 冀艳波

(西安工程大学，陕西 西安 710048)

服装压力舒适性研究现状及发展趋势

张同会, 冀艳波

(西安工程大学，陕西 西安 710048)

文章从影响服装压力舒适性的因素入手，总结了目前服装压力舒适性的主要研究方法及研究成果，针对目前存在的问题，提出动态压力测试装置的开发、服装性能与人体机能的有机结合以及服装压力分布预测和可视化是服装压力舒适性研究的发展趋势。

服装； 压力舒适性； 有限元； 预测

1 引言

随着人们生活水平的提高，人们对服装舒适性的要求也越来越高。服装舒适性日益成为现代消费者主要需求之一[1]。服装舒适性是指着装者通过感觉对所穿着服装的综合体验，包含三个潜在的独立感觉因子：热湿舒适因子、触觉舒适因子、压力舒适因子[2-3]。随着Lacra及塑身内衣等弹性织物的广泛应用，服装压力舒适性已成为服装专家学者的研究热点之一[4-11]。服装压力舒适性是人体皮肤和服装之间相互作用而产生的皮肤压力感觉的舒适范围，包括尺寸合体性和运动自由度等力学角度的舒适性[12]。有研究表明紧身运动服装压力对处于运动状态的人体具有积极的作用，比如减少血乳酸集聚或加快血乳酸排出，缓解肌肉酸痛或加快运动后恢复[13]。但服装压力不是越大越好，不合适的压力会对运动机能有消极影响。当施加在人体上的服装压力值超过一定界限，皮肤会产生压迫感，对穿着者的运动产生阻碍，使人体感觉不舒适。因此，对于整个服装穿着舒适性研究来说，服装的压力舒适性研究是一个重要的方面，本文全面归纳分析了服装压力舒适性的研究现状及发展趋势。

2 影响服装压力的因素

影响服装压力的因素主要有人体、服装以及环境三个方面。

2.1 人体因素

人体是一个复杂的系统。人体穿着服装时，影响人体表面压力的因素包括人体不同部位的构造、人体脂肪含量、人体呼吸、姿势以及运动幅度等。

人体不同部位的构造不同，其中胸腰部及臀部是研究压力舒适性的主要部位。人体表面曲率大小及皮肤弹性模量对服装压力有很大影响。例如人体凸点受力面积小，所以服装压力大，反之，则压力小。

当人体运动姿势或运动幅度发生改变时，皮肤会产生不同程度的变形和位移，从而导致服装压力的变化。Harumi[14]通过比较动静状态下胸衣的服装压力值，发现服装压力的大小跟人体的呼吸、姿势以及运动幅度都存在相关性。

2.2 服装因素

服装对压力的影响因素主要包括服装面料的原材料、面料的组织结构、织物的拉伸率、服装款式以及宽松量等方面。

李显波等[15]研究发现氨纶弹性针织物所造成的服装压力与织物的组织结构、氨纶送丝量及织物的拉伸率都有关系。在服装结构及尺寸相同的情况下，越容易拉伸，弹性较好的面料对人体产生的压力也就越小。

相同面料，相同款式的服装，宽松量越大对人体产生的压力也就越小。陈东生等[16]分析了紧身裤压力和服装宽松量之间的关系，即当服装的放松量由小到大变化时，紧身裤的压力值会出现越来越小的趋势。

2.3 环境因素

环境对压力的影响主要指的是运动路况。人体在上坡、平地、下坡三种不同路况下，长度方向(前身长、后背长、下肢长)和围度方向(胸围、腰围、臀围、大腿围等)皮肤的变化率各不相同[17]，这些也会对局部压力大小产生一定的影响。

3 研究方法

3.1 压力仪器直接测量法

直接测试法是采用服装压力测试仪器直接对局部服装压力进行测量，因操作简便而被广泛应用。到目前为止，已经出现了多种压力测试装置，其中主要有流体压力法和传感器法。流体压力法就是通过读取液面高度差来获得压力值，根据U型管内液体的不同，分为水压力测试法和水银压力测试法。传感器测试法主要是基于不同传感器进行测试的，直接把传感器的感压元件置于服装与人体间，并通过相应的元件显示压力数值，压力传感器测试系统的工作原理如图1所示。目前压力传感器类型主要有应变片式、气压式压力传感器、弹力光纤传感器以及压敏半导体薄膜传感器。其中德国生产的Novel压力测试系统广泛应用于测试服装动态压力分布，该仪器最大的特点是可以通过蓝牙功能传输测量数据，曲畅[18]在研究女士连体泳衣的压力舒适性时使用该仪器测试女士蛙泳运动时着装的压力值。

图1 传感器压力测试系统工作原理

随着互联网技术以及传感器技术的发展，目前已出现智能化虚拟仪器，将传统测量仪器传感器结合现代计算机软件，利用软件产生信号来实现压力的测试功能，进而实现对服装压力测试过程的控制和数据处理，图2显示了其数据采集系统工作流程。其中软件是整个虚拟测试装置的关键，软件分别由虚拟仪器软件开发工具、I/O接口仪器驱动程序及应用程序等3个部分构成。其中软件开发工具可以使用图形化的编程语言，包括LabVIEW、LabWindows/CVI、HP-VEE等。这种将测试技术、通信技术与计算机技术融于一体的模块化仪器能够比较准确的测试出人体在运动状态下的服装压力变化。直接测试法因测试方法简单是目前广泛采用的测试方法，但它只能测试某一点的压力值，不能测试某一接触面的压力值，且压力点的选取具有一定的要求。而动态压力的测量和压力分布作为当今的研究趋势，因此直接测试法有一定局限性。

图2 虚拟仪器的数据采集系统

3.2 软体假人在服装压力研究中的应用

针对上述压力测试方法的局限性，国际上已经开始使用软体假人代替真人进行压力测试，不仅避免了对人身造成的伤害及生理负担，而且也方便重复进行实验。Yu等[19]开发了全球首个软体假人，用于女性内衣舒适性的测试，但对于其他部位压力舒适性的测量仍不够精确。Fan等[20]以标准的软体假人模特为试验对象，测量穿着腹带时的压力分布规律，具有较好的预测性。为了使软体假人满足动态压力测试的要求，东华大学在2008年研制出能够模拟女性站立、弯腰，下蹲等姿势的可动式假人。用软体假人代替真人进行压力测试是目前研究压力的新思路，虽然目前已经有了一定的研究成果，但仍处于起步阶段。对假人皮肤材料的研发以及假人的运动状态研究等都是进一步需要解决的问题。

3.3 理论研究方法

理论研究法是以三维人体模型的建立为基础，然后再运用数学建模的方法进行压力分布预测。

3.3.1 早期阶段

将人体视为刚性体，是理论研究的早期阶段。这一时期所研究的接触体局限于刚性体和局部弹性体，并且人们只考虑接触产生的摩擦力以及引起服装变形的力。1998年，Zhang等[21]在已经建立的三维人体几何模型的基础上，通过建立一系列的三维力学模型来描述人体及服装的动量平衡，构建方程及接触力学模型。该模型将人体视为刚性体，将服装视为弹性薄膜，并将人体形态和服装结构通过三维方式表示出来，通过定义服装材料的力学属性以及服装与人体接触时的力学模型、边界条件和初始条件，计算出服装与人体相互作用时产生的应力与应变关系。2002年，Zhang X等[22]通过分析人体和服装间的接触行为，在动态接触力学的理论基础上建立了几何非线性的数学模型来模拟三维女体在穿着紧身服装时的服装动态压力分布情况，模拟结果表明该模型能够较准确地预测服装穿着过程中的动态力学行为。但由于人体是一个具有弹性模量和密度的弹性体，该模型将人体视为刚性体，不能真实地反映出人体实际的生理特征，因此具有很大的局限性。

李毅等[23]建立了女体三维生物力学模型以研究女性胸部与胸罩之间的动态力学接触。该模型将人体胸部视为弹性体，躯体视为刚性体，使用有限元的方法研究了运动过程中人体和胸罩之间的动态接触，获得了动态接触模拟结果，具有很好的预测性。其不足之处在于该模型仅仅是对人体特定部位的模拟，还有待于进一步发展。

3.3.2 现阶段

随着计算机技术及相关学科的发展，现行的有限元软件不仅可以和所有的三维软件进行转换，而且在模型建立的参数选择上更加接近实体，例如皮肤、软组织以及骨骼弹性模量的设置，极大增加了模型的真实性。根据Hendriks[24]和Lizee[25]等人的研究，皮肤、软组织以及骨骼的弹性模量依次是0.15 MPa、0.06 MPa、7300 MPa。

目前，将人体视为弹性体来计算压力分布的方法有迭代法和有限元法。有限元法是用结构力学方法求解弹性力学问题，实质是将复杂的连续体划分为多个简单的有限单元体，单元体之间仅仅通过节点相连，当压力作用于这些单元体上时，通过节点位移的变化，将复杂的压力问题转化为简单的位移变化问题，通过力的平衡条件建立一套线性方程组，通过求解便可得到每一个单位节点的位移和应力。基于此可以进行压力分布预测的研究，并指导紧身服装的设计。

2014年，鞠帆等[26]通过有限元方法进行三维实体建模，在此基础上进行塑身裤的压力预测，并指导塑身裤的设计。同时，也将三维实体模型预测值和实际测试值进行了对比，结果表明预测值和实际值误差在可接受范围内，证实了有限元在压力研究中的可行性。2016年，Yu等[27]将手部视为弹性体，运用有限元方法模拟研究医疗手套的压力分布特点。其特别之处在于不仅仅运用有限元方法模拟手部压力分布及大小，同时将手部的几何形状以及手套和人体组织的性能也纳入数值应力分析。

4 服装压力研究存在的问题及发展趋势

4.1 存在的问题

综上，目前国内对服装压力舒适性的研究成果较多，从最初的单因子分析逐渐到目前的多因子分析；在研究方法方面突破了将人体视为刚性体的局限，采用有限元方法建立三维实体模型，这些方法都推动了服装压力舒适性的研究，但仍有很大发展空间。

4.1.1 关于静态压力的研究已经取得了一定的成果，但目前关于动态压力的研究还存在很多问题，一方面是动态压力测试仪器落后，另一方面是动态压力分布预测的精确性有待提高。

4.1.2 目前在服装压力舒适性的研究上，已经开始从织物的力学性能、人和织物动态接触过程中的力学分布等方面预测服装压力，但未将人的生理、神经生理和舒适心理纳入研究中。

4.1.3 虽然近期在虚拟模拟建立上取得了一定的发展，但是大多数还是集中在三维虚拟模型的构建，需从两个方面改进。一方面，目前大多数研究者采用三维人体扫描仪获取三维人体尺寸，由于受测试人数的限制，现有的模型很难真实准确地表示出普遍的人体特征，模型精确度很难保证。另一方面，在有限元分析过程中，并未将人体的几何形状以及服装和人体相互接触产生的应力纳入分析中，并且前提有很多假设，例如，人体的各个部分和服装的材料受力大小和变形的关系是线性相关，始终遵循胡克定律。

4.1.4 关于服装压力影响因素研究中，并未出现关于空间(时间及环境)、洗涤等其他外界因素对服装压力舒适性影响的研究，对这方面的研究有助于提高医用压力服、塑身衣等功能服装的功效性，更好地指导消费者更科学地使用此类服装。

4.2 发展趋势

4.2.1 动态压力测试装置的开发

发展动态压力测量装置，提高测量精确度，使测量数据更加接近实际运动状态时的压力值，且随着传感器、计算机以及生物力学的发展，开发出可存储人体心率数据的压力传感器。

4.2.2 服用性能与人体机能的结合

服装压力舒适性是由服装和人体因素共同作用的结果。从服装角度考虑，现有的研究大多只是考虑织物的纱线构成以及织物的弹性等，很少结合服装在运动过程中的变形及与人体间的摩擦。从人体机能角度考虑，现有的对服装压力舒适性的评价还仅仅依据个人心理(如紧、不紧)进行评价，这种方法具有主观性，难以保证实验数据的可信度，所以在主观评价过程中，有必要实时监测实验者的生理指标(心率、皮肤血流量等)，并进一步探讨各个指标对压感舒适性的影响程度以及这些因素与主观评价的相关性。通过这种方法在一定程度上可以排除由于个人差异性引起的试验误差，使评价结果更具有代表性。

4.2.3 服装压力分布预测及可视化

随着国内“工业4.0”和“互联网+”的提出，服装作为传统行业的一个分支，其竞争愈演愈烈，若能将传统服装业和现代信息技术相结合，以三维实体模拟的方式将服装各部位的压力大小和变化趋势进行三维可视化展示，会极大地提高服装行业的竞争力。同时在服装制造过程中，通过对面料的选择以及服装的宽裕量调节，就能直观显示服装在人体不同部位的压力分布情况，由此根据压力分布规律为紧身服装制作商提供合理化的设计指导。

5 结语

服装压力舒适性是现阶段的研究热点之一，但目前的研究大多还停留在单因素研究上，三维实体模拟也有诸多需要改进的部分，距离真实模拟还有一定的距离。本文通过总结前人研究方法和思路，系统分析了服装压力舒适性的研究现状。提出建立合理精确的服装压力预测模型，并将理论联系实际生产，优化现有的压力紧身类服装是今后服装压力的研究方向。

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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

张同会(1991—)，女，河南新乡人，硕士研究生。

TS941.17

A

1009-3028(2017)02-0037-05