面料拉伸性能与运动文胸防震功能的定量关系

盛欣洋, 陈晓娜, 卢娅娅, 李艳梅, 孙光武

(上海工程技术大学 纺织服装学院, 上海 201620)

对于有运动需求的女性,随着运动强度的增加,乳房晃动的剧烈程度,即乳房位移也会不断上升[1]。据Scurr等[2]研究,D罩杯实验对象在不穿文胸状态下,从跑步机步行加速至快跑(5 ～15 km/h)过程中,左右乳房位移分别从(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。运动过程中的乳房晃动,不仅会使人尴尬,更会带来乳房疼痛、松弛下垂等一系列不良后果[3-5]。运动文胸可以有效减少运动过程中的乳房位移[6-8]。根据White等[9]研究,D罩杯实验对象在穿运动文胸跑步时,乳房位移相比不穿文胸减少了58.8%～61.2%((5.04±1.8) cm)。

运动文胸对乳房位移的减少作用,被称为防震功能[10-11]。运动文胸的防震功能同时受结构、面料及工艺等多因素的影响[12],但目前该领域的研究多集中于对结构设计要素的探索,缺少对面料及工艺因素的探索。在运动过程中,运动文胸面料通过拉伸变形产生应力,使乳房受到支撑和压迫[8],将乳房的动能转化为面料和衬垫的拉伸能,以及衬垫的压缩能[8]。乳房动能降低,位移减小,从而起到提高运动文胸防震功能的作用。由此可知,运动文胸的防震功能与其面料的拉伸弹性息息相关,然而现有文献中却鲜有关于二者间定性、定量关系的研究。在文胸的不同部件结构中,罩杯直接作用于女性乳房,其它部位对于乳房的影响都要通过罩杯来传递[10]。因此,本文运用控制变量的方法,创造性地只改变罩杯部位的面料,研究面料拉伸弹性与运动文胸防震功能之间的定量关系,为实现运动文胸的优化设计提供数据依据。

1 实验方法

1.1 面料选取

当服装面料拉伸30%左右时,面料在人体表面所产生的压强处在人体承受压力的舒适范围内(以 30 cm周长圆周的半径作为人体皮肤表面曲率半径)[13]。利用YG026 D型多功能电子织物强力机测量并计算伸长率分别为20%、30%和40%时不同面料的弹性模量。实验过程中,共选取5款不同面料进行拉伸弹性实验,所选面料基本参数见表1。比较发现,伸长率从20%增加至40%时弹性模量数值趋势变化一致,最终以伸长率为30%时的弹性模量作为依据选取后续实验面料[14]。

表1 实验面料弹性模量测量结果Tab.1 Measurement results of modulus of elasticity of test fabrics

1.2 样衣制作

为消除文胸底围及后拉片等其他部位的影响,只研究罩杯部位面料性能对文胸防震功能的影响,只改变罩杯部分所用面料(见图1),文胸样衣号型设置为75C,样衣、结构图、纸样图见图1。6件样衣后拉片与底围部分面料统一采用弹性、透气性较好的面料1,而罩杯部分所使用面料及沿箭头方向的弹性模量见表2。为使罩杯贴合人体曲线的同时能保持罩杯部分面料线圈方向完全一致,采用左右两片分割设计。底围部分内置40 mm宽松紧带。肩带统一采用2.5 cm宽,长度可调节的防滑弹力肩带。

图1 实验文胸Fig.1 Experimental bra. (a) Style; (b) Cup pattern

表2 样衣罩杯部分竖直方向弹性模量Tab.2 Elastic modulus in grain line direction of sample bra cup

样衣使用一台缝纫机(真善美DC6030,日本)缝制而成,参数设置为:01号直线线迹,最大线迹宽度为3.5 mm,最大线迹长度为2.4 mm。

1.3 实验设备

1.3.1 动作捕捉系统

实验使用由 4 个摄像头组成的三维人体运动捕捉系统(MC1300,青瞳,中国)采集位置传感器(边长3 mm,发光点直径0.4 mm,外圈封装直径10 mm)的三维坐标。采样频率设置为210 Hz。

1.3.2 运动假人

使用可以模拟人体运动的假人设备代替真人进行动作捕捉实验,可以避免真人实验中由实验对象自身主、客观因素(如运动疲劳等)引起的实验误差。同时,该设备获取数据方便快捷,并可进行多次重复实验。

运动假人由动力系统和仿真模型2个部分组成(如图2所示)。下半部分为可以模拟不同运动强度下躯干竖直方向运动轨迹的动力系统,使用伺服电动机加减速作为动力机构带动凸轮做圆周运动,最终可达到频率为1/0.35 Hz,振幅为±45.68 mm的竖直正弦震动,从而模拟人体在进行10 km/h跑步状态下的躯干运动。上半部分为模拟乳房位移的仿真模型,利用3D打印技术倒模制成躯干和乳房的软体模型,其中仿真乳房部分原材料为硅胶。乳房模型尺寸符合女性75C号型标准,其中胸围90 cm,下胸围75 cm,胸围差为15 cm,以达到在外部运动结构作用下模拟真人乳房运动的效果。经测量,运动假人在无文胸状态下的乳房竖直位移为21.84 mm。

图2 运动假人的动力系统和模拟模型Fig.2 Power system (a) and simulation model (b) of dynamic mannequin

1.4 标记点的选取

在仿真模型上及文胸表面粘贴 5个位置传感器,依次为:胸骨角上切迹(M1)、两侧乳头点(M2、M3)以及胸骨上切迹沿人体表面向下4 cm后再水平向左、右各1 cm(M4、M5),如图3所示。其中,M1、M4和M5为躯干运动表征点,M2和M3为乳房位移表征点。

图3 标记点示意图Fig.3 Positions of marked points

为探究实际运动过程中面料拉伸情况,在穿着文胸后左乳点正上方30 mm处(M6)及50 mm处(M7)粘贴2个传感器,则M3与M7间的距离即为面料静态拉伸长度d(d=50 mm)。

1.5 实验步骤

1)实验室坐标系建立。首先,对三维动作捕捉系统进行标定,设置实验室坐标系,平行于镜头平面水平向右为+x轴,垂直于镜头平面竖直向上为+z轴,根据右手法则确定水平向前为+y方向。随后进行设备校准,确定三维动作捕捉有效位置范围。

2)标记点粘贴。将样衣穿到运动假人仿真模型上,通过调节肩带、背扣等部件调整各部位的合体性,并拍照记录。使用油性胶带(博冠,中国)将位置传感器贴在标记点上(见图4)。

图4 运动文胸实物图Fig.4 Sports bra

3)躯干坐标系建立。以标记点M1、M4、M5为参考点建立躯干坐标系。M4与M5连线中点为坐标原点O,OM4方向为+x′, 竖直向上为+z′,按照右手法垂直于z′Ox′平面水平向前为+y′。

4)数据采集。启动动力系统,10 s后开始采集标记点坐标数据,持续10 s后结束采集,停止动力系统。每件样衣重复实验3次,取3次测试数据处理结果的平均值作为该件样衣在运动状态下的乳房竖直位移。为研究实验过程中的面料拉伸情况,在实验结束后,在M6、M7和M3处用记号笔做上标记,脱下样衣,并用软尺测量面料无拉伸状态下的原长l0。同时,通过坐标计算运动过程中M6与M7、M3与M6间的动态拉伸d1、d2。

1.6 数据分析

1.6.1 乳房竖直位移计算

相同运动条件下,无文胸状态时的乳房竖直位移保持一致;而穿着文胸状态下,乳房竖直位移越小,代表文胸防震功能越好,因此本文实验使用乳房竖直位移表征文胸防震功能。

根据标记M1、M4和M5的在坐标系的三维绝对坐标和在躯干坐标系中的三维相对坐标,建立从实验室坐标系到躯干坐标系的三维转换矩阵。通过三维转换矩阵将乳房三维绝对坐标转换为相对坐标,并计算每个运动周期内的竖直相对坐标极值差从而得到竖直相对位移。将左、右乳房的平均竖直相对位移记为运动假人的乳房竖直位移[15]。

1.6.2 不同面料在运动状态下的最大拉伸

乳房接近曲面,为更加准确地探究运动过程中的运动文胸面料在罩杯部位竖直方向的拉伸情况,选取包含BP点在内的3个标记点(M3,M6和M7),将相邻2个点间的距离之和近似为M3与M7之间的弧长距离,即面料被拉伸后的长度。

利用实验室坐标系下M3、M6及M7的三维绝对坐标,计算得到3点中相邻2个点间距离之和的最大值,该值与面料在未拉伸状态下的原长之差值,即为面料在实验中发生的最大拉伸。

具体计算方法如下:

dmax=(d1+d2)max

式中:x6、y6、z6,x7、y7、z7,x3,y3、z3分别为标记点M6、M7和M3在实验室坐标轴下的三维坐标;d1为标记点M6到M7之间的距离,mm;d2为标记点M6到M3之间的距离,mm;面料动态最大拉伸距离dmax为两段距离之和d1+d2的最大值,mm;l0为无拉伸状态下的面料原长,mm;S则为面料伸长率。

1.6.3 弹性模量与竖直位移的相关性分析

应用SPSS软件,利用Pearson相关分析的方法对面料弹性模量与乳房竖直位移间的相关性进行分析,显著性水平为0.05。使用相关系数r判断相关性强弱,0.8

1.6.4 弹性模量与竖直位移的回归分析

应用SPSS软件,以面料弹性模量为自变量E,乳房竖直位移为因变量B,利用曲线估算的方法,对二者之间的定量关系进行回归分析,显著性水平为0.05。使用判定系数R2判断回归方程拟合效果。

2 结果与讨论

2.1 不同面料在运动状态下的最大拉伸

实验过程中,穿着不同样衣时,面料最大拉伸的计算结果见表3。

表3 穿着不同样衣时标记点M3与M7间最大拉伸均值Tab.3 Average maximum stretch between marked points M3 and M7 when wearing different bras

由表3可知,6件样衣面料最大拉伸范围在50.63～58.55 mm之间,均值为(53.44 ± 2.76)mm,最大伸长率的范围在19.52%～42.80%之间,平均最大伸长率为30.02%。可以得出,以伸长率为30%时的弹性模量作为面料拉伸弹性指标,与实际运动过程中的面料拉伸率较为匹配,是合理的选择。

2.2 乳房竖直位移

测试结果显示,运动假人在分别穿着6件样衣运动时的乳房竖直位移范围在9.69～19.76 mm之间(见表4)。

表4 穿着不同样衣时乳房竖直位移均值Tab.4 Mean breast vertical displacement when wearing different bras

2.3 弹性模量与竖直位移的相关性

面料弹性模量持续增大时,乳房竖直位移基本呈减小趋势,但变化趋势非线性,下降趋势越来越缓慢(见图5)。Shapiro-Wilk正态性检验统计结果显示6组乳房竖直位移值服从正态分布(W=0.978,P=0.941>0.05)。Pearson相关分析结果表明面料弹性模量与乳房竖直位移之间显著负相关(相关系数r=-0.877,P=0.022 <0.05)。该结果说明,面料弹性模量越大,运动过程中乳房竖直位移越小,代表由该面料制作的运动文胸防震功能越好。这主要是因为,当面料弹性模量大时,相同曲率半径下,在面料与人体的接触面上产生的压力也越大,使得乳房-罩杯整体的刚度变大,因此在竖直方向产生的位移变小。

图5 面料弹性模量与乳房竖直位移散点图Fig.5 Scatter plot of fabric elasticity modulus and vertical breast displacement

2.4 弹性模量与竖直位移间的定量关系

以面料弹性模量为自变量E,乳房竖直位移为因变量B,使用10种曲线估计回归模型(线性Linear、对数曲线Logarithmic、逆函数Inverse、二次曲线Quadratic、三次曲线Cubic、复合曲线Compound、幂函数Power、S曲线、增长曲线Growth、指数曲线Exponential)对二者之间的定量关系进行回归分析。通过方差分析和回归系数的显著性检验,筛选得出8种显著性p值小于0.05的回归模型。8种回归模型的拟合曲线图见图6,拟合结果见表5。其中,幂函数模型的拟合优度最高,调整后R2为0.891,估计值的标准误差为0.082,拟合方程为lnB=-0.248lnE+ln64.289,可作为以面料弹性模量预测乳房竖直位移的首选模型。

图6 8种模型拟合曲线图Fig.6 Eight model fitting curves

表5 乳房竖直位移与面料弹性模量回归分析结果Tab.5 Regression analysis of breast vertical displacement and fabric elastic modulus

3 结 论

测量了运动假人分别穿着6款运动文胸模拟跑步运动(10 km/h)时的乳房竖直位移,并使用曲线回归模型研究了罩杯面料弹性模量与乳房竖直位移之间的定量关系,得到如下结论。

1)罩杯面料弹性模量与乳房竖直位移间显著负相关,即面料弹性模量越大,乳房竖直位移越小,表明运动文胸防震功能越好。

2)幂函数模型可作为以罩杯面料弹性模量预测75C实验对象10 km/h跑步运动时乳房竖直位移的首选模型,拟合方程为lnB=-0.248lnE+ln64.289。

3)10 km/h跑步运动状态下,在乳点上方5 cm范围内,罩杯面料最大拉伸率在19.52% ～ 42.80%之间,平均值为30.02%。以30%伸长率时的面料弹性模量为代表分析面料参数与运动文胸防震功能的相关关系较为合理。

4)以中间体运动假人为实验对象进行数次实验,得出系列结论,今后研究可通过真人实验对结论加以验证。

由于材料的力学性能不同,运动假人仿真模型与真人乳房在运动时存在一定差异,这种差异并不会对实验结果的趋势产生重大影响,但有可能影响得出的定量关系的细节参数。今后研究可以通过真人实验进一步验证由运动假人得出的定量关系。