基于运动力学的登山服优化设计研究

吴丽华，董永鑫

（1.河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054035；2.江西服装学院，江西 南昌 3302013、3.河北省服装个性化定制技术创新中心，河北 邢台 054035）

在“健康中国2030 规划纲要”的全民运动时代浪潮中，登山运动越发受到关注。随着登山运动的发展，人们对登山服的选择更加注重性能的舒适，对实用效能的要求越来越高。但与国外品牌相比，国内登山服还有很大的优化提升空间。登山时人的运动幅度很大，登山衣的合体性和减少运动阻力是登山服设计的重点之一,尤其是衣身、袖子及裤片的结构设计。登山服的运动舒适性设计需要研究在登山活动时的肢体行为,获得变化参数，根据参数调整设计服装各部分的结构造型和放松量。本文在研究登山运动力学的基础上进行登山服的优化设计实验，并归纳出一些实用的设计思路，探索其优化设计方案，提炼设计原理，旨在为从业人员提供理论借鉴。

一、传统登山服结构现状分析

传统登山服与夹克、冲锋衣制版图相似度达90%，最大的区别更多是因为环境、运动特性等因素下，制作材料不同。登山是在极端条件下进行的户外运动，由于此项运动的特殊环境以及运动的需要，登山服的材料必须满足防风、透气的要求。它的主要设计特点如下：

（1）肩部、肘部和袖口添加了超厚面料，以增强其耐磨性。

（2）弹性内袋足以存放一公升的水瓶，拉链设计可妥善存放重要物品。

（3）由三到八块布料制成手袖，用来满足手臂的弯曲活动等，使其移动更舒适。

（4）为了在登山运动中的特殊环境下保持人体本身的体温，下摆通常装设有防风裙可以有效地防止寒风从登山服的底部进入。

（5）防水设计能迅速排水。胸前的拉链用布料覆盖，以防止渗水。

（6）位于前拉链外的内置拉链袋，这样打开口袋时，不需要拉开前拉链，非常适合放置一些经常使用的物品。

（7）防水腋下拉链提供更好的透气性。

（8）调节用尼龙搭扣。

二、登山运动力学研究实验及分析

1.实验一

用一块石膏或者一种可以贴在男性后背上的薄膜，将他的身体固定在一个模型上并进行测量，然后用衣服的力学原理，让他做三个爬山的标准动作，之后用同样的方法，把他的皮肤拉伸的模型拿出来，测量他的身体和模型。应用统计学软件对上述数据进行分析，得到了皮肤静态长度、动态皮肤拉伸围度和长度方向的特征值[1]。试验的基本情况如表1 所示。

2.实验二

在人体各个部位的活动中，上肢和脊柱的机械要求更为复杂。上肢运动包括肩关节和肩胛骨的关节活动。首先，上肢以肩关节为中心（肩部和肩胛骨之间）旋转，此时肩关节不移动；然后肩胛骨和锁骨以胸骨为中心旋转，肩关节向上移动[2]。这些运动部件的特性是登山服结构设计的基础。

为使登山服的衣袖结构更加科学、合理，本文对登山服在攀岩过程中上、下肢的皮肤开展量、人体力学轴系变化进行了部分分析。之后选择了非常具有代表性的6 种体位姿势，以体表绘制方法对测试者上、下肢的皮肤开展量、人体力学轴系变化进行测量，并对其变化进行统计。结果表明，在腋下附近，肩膀和胳膊上的皮肤发生了明显的拉伸变形。对整个人体运动时关节力学线的最大伸长率进行了分析，得出在腋后点附近的背宽线变化率为42%，在腋后附近的身片纵线变化率在25%以上，在臂根下的袖笼横线变化率在30%以上，在肘部的横线和纵线变化率在20%以上。对各断面的断面变化速率进行了分析，随着距离腋下较近，节段的变化也较大。在结构设计时，应充分考虑到前、后腋点的横向、纵向延伸和腋下底部的纵向延伸。

三、基于登山运动力学的登山服优化设计研究

1.确认研究对象

通过对登运动核心年龄组的人体测量，取得了北方地域部分25-35 岁和35-45 岁成年男性的24 个躯干部位的体型数据。使用统计分析软件对这24 个躯干部位的体型数据进行分析，获得成年男性的综合体型数据。采用单变量回归、二元线性回归等方法，建立了人体各个部分的回归方程。人体长度、周长方向、躯干各部分的体形变化规律在各个层次上进行了反映。最终，北方地域部分25-45 岁人群的体型数据，以达到中等体型(175-96-b)为研究对象。

2.统计汇总人体尺寸

本研究以上述中间环节为例，利用人体的动静试验，得到了人体24 个部位的大小和变化。运用统计分析、因子分析等方法对人体大小进行统计分析，获取静态人体数据的最大值、最小值、均值、标准差等信息，通过对人体关键尺度的测定，探讨了人体各个重要运动参数对人体重要尺度的影响，为科学、合理地进行试样结构设计提供了客观依据。

（1）制版与样衣开发

通过对登山服基本样式的确定，对其主要结构的可变参数进行了深入的研究和探讨，并通过对试验样衣的观测试验，得到了最大可能的参数取值区间。在此基础上进行了正式的实验，以寻求在静态美感与动态舒适度两个方面的最佳结合。通过三种结构参数的结合，为服装的静态和动态评价试验打下基础。

（2）对实验样品服装进行主客观评价

主观评估以客观的评估系统为依据。对试验样品进行了分析。采用小波分析与图像处理相结合的方法，对图像进行客观评估，得出了小波标准偏差等客观评估结果。服装结果样本通过Friedman 和Kendall的W.R 型聚类法对样品服装的评估数据keyi 进行了验证，最后得出9 项动态评估指标和5 项静态评估指标[3]。通过模糊综合评判和偏相关分析，将模糊综合评判与样品的结构参数进行了对比。将实验结果引入到登山服装的结构设计中，根据各种服装材料的性能，通过COL3D 虚拟软件采用人体模型虚拟试穿，对所得的登山服进行了模拟仿真，以获得更为合理的登山服。

3.基于运动力学的登山服优化设计结论

（1）登山服保温性能优化设计

增加羽绒服的多层立体充绒结构。内里在普通登山服结构基础上升级，由原来的3 层结构改为5 层结构，多加入了一层纵向充绒结构，通过此结构使填充的羽绒均匀分布在整件衣服各个合适部位中，绒量增加50%的同时，有效锁定充绒在关键部位。这种多层次立体充绒结构，可全面地达到动态+静止的保温效果。如图1 所示。

图1 多层充绒结构示意图

（2）登山服体温调节功能优化设计

将航空技术材料运用于运动力学基础上的登山服设计。在下摆内里、袖里、防风裙、贴袋等四个部位,添加航空用智能调温材料PCM。PCM 在航空航天和高核心领域中得到广泛应用，也是Mars 探测祝融的一种类似的温度调节材料，每平方米布有100 万多个自动调节温度的储能单元，每台单元的精度小于3 微米，在高温下进行双向温度调节、吸热和储能。即使在-35℃的极端环境中，高温和低温放热和加热也能保持31℃-33℃的体温。

（3）登山服结构优化设计

在反复研究登山动作的前提下，同时结合三维虚拟仿真技术多次测试，并由专业登山样衣测试后,发现袖插角180°最符合登山动作需求,因此运动力学基础上的智能化登山服在设计中将袖插角从170°调整为180°，以增加手臂活动量，如图2 所示。

图2 袖插角调整示意图

（4）登山服细节优化设计

在细节设计上也考虑得更加周全。防风裙前中留孔从开口17 cm 调整为7 cm，减小了下摆围度,降低下摆透风风险，减少温度流失；使用FITGO-TECH 调节系统，方便登山者佩戴手套时可以做到单手调节帽围；采用肩部防滑带的设计增强肩部与背带的摩擦力，避免攀登过程中注意力分散，降低安全风险等。

（5）登山服轻量化优化设计

服装轻重在户外极端恶劣环境中至关重要，运动力学基础上的智能化登山服经过多次模拟测试后得出最佳服装长度，将运动力学基础上的智能化登山服的衣长从90 cm 调为76 cm，同时增加下摆暗抽绳阻隔寒气，在不降低保暖性能的基础上，将产品重量降低。根据市场反馈登山服部分装饰复杂无用、克重过高等问题做了适度的减法。简化复杂的分割设计和非必要的功能性辅料装饰；根据国家登山队队员提出的“只需要防小雨”的建议，取消了全压胶工艺，改为局部压胶以减轻衣服的重量。

（6）登山服安全保护性能优化设计

采用superflex 柔软机械系统来保障户外运动人员的安全。在衣服背部及下肢裤片植入superflex 柔软机械系统，superflex 柔软机械系统与智能手机相连,可以事先设定关联人，轻拍植入部位，即可唤醒superflex 柔软机械系统，达到自我使用与联系外界双重效果，定位精度能达到5 米。由于依托的是手机信号基站，布局范围广，不受搜救设备的限制，大大提高了户外活动的安全性能。

在登山服的研制过程中，如何合理地设计出适合于登山的舒适结构，最大可能减少运动阻力，是目前影响登山服开发的一个重要因素。本文在登山运动力学研究基础上研究登山服结构优化，提出相应的改进方案，旨在为从业人员提供生产借鉴。