基于三维数字化测量的文胸与人体胸部有限元接触力学模型研究

马 亮，张 欣，应柏安，吴 龙

（西安工程大学，陕西 西安710048）

随着生活水平的提高和健康着装观念的深入人心，人们对服装舒适性的要求也日益趋高。近年来，压力舒适性已逐渐成为除热湿舒适性和触觉舒适性外，衡量服装穿着舒适性的重要指标之一。

本文对数字化三维人体模型在穿着文胸服装后的压力分布进行仿真模拟，建立人体胸部有限元仿真模型、文胸有限元仿真模型。在研究过程当中，将人体视为弹性体，人体胸部和文胸的接触视为弹性接触，结合弹性模量、泊松比建立起文胸与人体胸部有限元接触力学模型［1］。

1 研究目的

影响文胸服装压力分布的因素主要为人体和服装两个方面。首先，不同人体胸部的形态、曲率、弹性模量都对文胸服装产生较大的影响。其次，文胸对压力的影响主要包括服装材料、款式结构及服装尺寸。服装的压力还会受到人体不同的运动状态等影响。人体穿着文胸服装，在压力作用下会产生形变。文胸的压力大小和分布主要与服装材料的劲度系数、服装尺寸、服装款式、人体的复杂结构以及人体各部位的弹性模量有关。

有限元法能够较为准确地描述弹性体的变形程度［2］。该方法实质是将复杂的连续体划分为有限多个简单的单元体，单元体之间仅通过结点相连，通过化整为零，再集零为整的手段对复杂问题进行分析。有限元法通常以位移为未知量，以最小位能原理为基础求解位移。通过建立待测部位的有限元模型，并赋予边界条件和载荷，再经后处理，可较好预测文胸的压力分布。

2 研究方法

2.1 模型建立

本文采用的人体胸部几何模型为数字化三维模型。文胸几何模型是在数字化人体模型的基础之上，对通过对胸部曲面进行拟合，完成文胸的曲面造型［3］。在几何模型的基础之上进一步建立人体和文胸的有限元模型［4］。对人体而言采用八节点六面体实体单元模拟，文胸采用四边形和三角形混合单元模拟，如图1所示。在进行仿真过程当中，由于文胸和人体胸部都为弹性体［5］，建立接触模型进行仿真较为复杂，所以在模型的建立上做了以下几点假设：人体介质均匀，这样保证了物体内应力、位移的连续性；设定所建立的模型为各向同性的，即物体的力学性质在物体的各个方向都是相同的，物体的弹性常数不随方向改变而变化。在文胸与人体的弹性接触过程中，人体的弹性部位宏观上都可以视为各向同性材料；文胸和服装接触过程中无初始应力。

图1 有限元模型

2.2 有限元分析过程

有限元的分析过程主要包括前处理、加载、后处理三个过程。首先要创建或读入几何模型，定义材料属性，单元划分。然后施加载荷并进行求解［4－6］。最后查看结果（也称“后处理”）。表1、表2是仿真过程中各项参数。对于边界条件的设定，保证了人体上下位置的不变以及模杯边界的稳定性，如图2所示。通过有限元分析方法对模杯试衣过程进行模拟，模拟仿真出该模杯穿着之后的压力分布效果。三维数字化人体与服装的接触问题是一种非线性行为，因此在建立接触力学模型时，将人体和服装均设置为可变形接触体，并将接触关系设置为变形体与变形体之间的接触，建立接触表确定二者之间的接触特征，本文选用法向接触的方式确定三维人体与服装间的接触，并假设接触法向过盈配合参数为15%，使人体随着时间推移在23s内膨胀10%，以测试服装与人体之间的压力。

表1 人体参数设置

表2 文胸参数设置

3 试验结论

通过有限元分析方法对人体穿着文胸后的压力分布进行了仿真。文胸和人体的接触力学模型是在大应变的仿真条件下，采用静态压力模拟的方法，对三维人体与文胸间的压力进行分析计算，模拟出文胸对人体胸部所施加的压力以及人体胸部对文胸所产生的压力。仿真结果从X、Y、Z三个方向给出压力分布情况。通过计算机仿真方法对文胸的压力舒适性进行仿真，可以更好地为文胸产品的设计给出指导意见，进而优化该类产品的结构设计，节省该类产品设计时间。图3为文胸模杯在X、Y、Z三个方向的压力分布云图，图示左侧颜色带为不同颜色所代表的压力值，最上方的压力值最大，往下依此减小。

图2 边界条件

为了更好地说明文胸在穿着过程中人体胸部的位移情况，在X、Y、Z三个方向各选取分析过程中三个相同的时间点，并做出人体胸部的位移变化，如图4所示，图示左侧颜色带为不同颜色所代表的位移值，最上方的位移值最大，往下依此减小。可以看出人体在穿着文胸过程中胸部有向上提升和向中心靠拢的趋势。

图3 文胸压力分布的仿真结果

图4 人胸部位移情况

4 结语

本文以三维数字化人体模型为基础，创建了模杯与人体的有限元接触模型。通过仿真结果可以看出模杯整体受压力情况明显，模杯与胸部的贴合性较好。通过有限元分析方法对模杯试衣过程进行模拟，根据模拟输出的结果对模杯的合体性进行评价，为文胸服装的适体性和压力舒适性提供了数字化评价方法。