压力测试用柔性腿模的结构仿真研究

王 康, 李艳梅, 王 蓉

(上海工程技术大学 服装学院,上海 201620)

摘要: 为满足服装压力测试的需要,并降低真人测试的实验成本,文章研制了一种柔性仿真腿模,该腿模仿照人体下肢的组织特征,其结构分为骨骼层、肌肉层和皮肤层,各层均由硬度、弹性性能与真人相似的等效材料代替。腿模尺寸参照中国成人人体尺寸标准,通过3D打印模具,并利用聚氨酯发泡和硅胶分层浇筑而成。利用压力传感器对压力袜进行压力测试,将腿模的压力仿真结果与腿部尺寸相近的真人测试结果对比分析,柔性腿模各测试部位的压力仿真效果接近真人,说明该腿模可代替真人进行服装压力性能测试。

关键词: 压力测试;人体仿真;3D打印;腿模;压力袜

服装压力是评估紧身类服装舒适性、功能性和安全性的最重要指标之一。不适当的加压会影响穿着者的机能、工作效率和健康。压力不足会限制效率,并可能降低服装的美学吸引力,而过大的压力会导致心肺功能降低,并可能对健康造成严重损害。为了使压力在紧身类服装中起到正面的效果,通过压力测量系统测试织物在变形状态下实际产生的压力值是必不可少的。现有研究在压力测试方面多在真人身上测试,但是在真人测试存在以下问题:其一,真人实验耗费人力物力;其二,即使使用同一测试者,如果在不同时间进行测量,人体状态、尺寸也会有不确定的变化,影响测试结果[1]。为了解决这些问题,Kirk等[2]提出利用拉普拉斯定律来预测膝关节支撑的压力,该法则涉及纺织品拉伸性能和人体曲率;Macintyre等[3]使用不同曲率圆柱体进行压力预测实验,发现拉普拉斯定律显著高估了在某些情况下实际施加的压力。Zhang等[4]通过有限元模型,建立人体下肢3D模型来预测压力袜的压力分布,但是有限元建模基于简化的几何模型,并不能真实地模拟人体下肢的复杂结构。

目前研究人员已经开发了各种类型的人体模型作为人体的替代品,特别是用于测量热量和水分传递性质的出汗暖体假人[5],然而用于测量服装压力的人体模型的研究有限。毕研旬[6]等通过聚氨酯海绵、硅橡胶等材料制作了女性上肢软体假人,可模仿人体不同姿势,但其关节仍处于裸露状态。Bolliger等[7]开发了第一台医用袜子测试仪(MST),MST由木腿、薄塑料管、小型空气泵和电压传感器组成,但在测试过程中仍存在许多问题:如腿模各部位除围度不同外,皆为圆筒状,并不能很好地模拟人腿真实形态,此外木腿模型为硬质材料,而人腿是柔性的,在压力测试过程中会产生很大差别。

针对以上问题,本文主要解决腿部形态仿真问题及柔性仿真问题。对人体下肢进行三维建模,构建高仿真腿部模型,并测试不同规格的聚氨酯发泡材料与硅胶材料,选取与真人腿部压力性能接近的材料组合用于柔性腿模的制作。

1 人体下肢的结构分析

人体下肢作为一个多层次鞘状局部主要可以分为两层,即浅层结构和深层结构。浅层结构主要包含皮肤和浅筋膜,其中浅筋膜的重要组成结构有浅静脉、淋巴管和皮神经等[8]。深层结构主要包含骨、肌肉、血管、神经和深筋膜。制作的压力测试用腿模重点在于模拟人体下肢的柔软性,不考虑人体下肢中的筋膜、血管及神经,将人体下肢简化为由四个部分组成,分别是骨、肌肉、皮下脂肪和皮肤,如图1所示[9]

图1 简化的人体下肢截面
Fig.1 Simplified section of human lower limbs

骨骼在人体中主要对肌肉和皮肤起支撑作用,由于人体皮肤肌肉各部位分布不均,骨骼的存在会影响不同部位的柔软性。因服装压力较小,不会对骨骼产生较大的冲击力,不需要考虑骨骼内部结构,因此选用几何稳定性较高的PVC材料的仿真骨骼进行模拟。本文直接购买的人体等比例骨骼模型,其尺寸与标准成年人下肢尺寸接近,股骨长44 cm,胫骨长35 cm。

肌肉在人体下肢中不仅起着维持人体直立姿势、负重和行走等至关重要的功能,其在下肢中所占的体积也是最大的,大腿及小腿处都有大量肌群。因肌肉组织属于内部结构,对其表面性质仿真要求不高,故采用弹性回复效果好且成本低的聚氨酯发泡材料进行模拟。不同部位的肌肉层厚度存在很大差异,各部位肌肉厚度在0.233~4.048 cm[10]

皮肤包括表皮、真皮及皮下组织三部分。其中表皮层和真皮层的厚度变化较小,为0.5~4 mm,而皮下组织由于不同性别、不同部位脂肪的堆积量不同,所以皮下脂肪层的厚度亦有不同,且变化程度较大。刘海晶[10]对成年女子身体各部位进行了不同组织厚度的测试,所测部位的脂肪厚度在0.244~2.366 cm。其中接近骨骼位置点的平均脂肪厚度较小,约为0.3cm;脂肪容易堆积的部位平均脂肪厚度较大,均值在2 cm左右。女性下肢脂肪蓄积的主要部位为大腿外侧、大腿内上部、大腿后侧、膝内侧及小腿后侧。因表皮厚度较小,制作工艺难度大,将皮肤与皮下脂肪组织统一定义为皮肤层,采用延展性好、表面性质与皮肤接近的硅橡胶材料进行模拟。

在腿模尺寸设计中以国标XYB-6女性吊架下半身人台尺码为主要依据,下半身人台尺码表中给出大腿围、小腿围、膝盖围等尺寸,而各部位长度并不明确,因此选择GB 10000—1988《中国成年人人体尺寸》作为补充参考。为使数据具有代表性,选择了18~25岁年龄段50百分位女性下肢测量数据中的大腿长、小腿长尺寸数据,具体尺寸如表1所示,测量部位如图2所示。

表1 仿真腿模各部位尺寸
Tab.1 The size of each part of the simulated leg mold

部位尺寸/cm大腿根围53.0膝盖围37.0小腿围34.0脚踝围20.5大腿长33.0小腿长35.0

图2 人体腿部测量部位
Fig.2 Leg measurement parts

选择与上述尺寸接近的青年女性腿部扫描图像为基础,使用Siemens NX 10.0软件进行人体腿部3D模型重建,保留腿部形态曲线,对关键部位进行尺寸缩放,使其符合表1中的尺寸要求,并在此基础上制作成型模具(图3),用于3D打印。

图3 用于成型下体假肢的模具三维模型
Fig.3 3D model of the mould used for lower body prosthesis

2 柔性材料制备与测试

2.1 材料准备

柔性腿模的肌肉层材料选择自结皮和高回弹两种聚氨酯发泡材料(表2)。自结皮发泡材料,由A(自结皮白料)、B(黑料)按照100︰43的比例配置,并通过搅拌使A、B料充分混合,静置1 min后发泡成型,体积膨胀3~4倍,弹性适中。高回弹制品,由A(高回弹白料)、B(黑料)按照100︰40的比例配置,通过搅拌充分混合A、B料,静置2 min即可成型,发泡倍率比自结皮产品发泡倍率高很多,为20倍,且弹性更大,更柔软。

表2 等效替代材料规格参数
Tab.2 Specification parameters of equivalent substitute material

材料自结皮A、B料配比硬度/HC拉伸断裂伸长率/%硅胶硅胶A1︰14.5325.35硅胶B1︰19.0296.76硅胶C1︰127.0267.30聚氨酯发泡高回弹发泡100︰402.081.38自结皮发泡100︰4315.050.59

用于模拟皮肤层的硅橡胶材料选取的是三种不同硬度的双组分加成型室温硫化硅橡胶,使用前为无色或皮肤色油状液体,硫化后即可成为柔软的弹性材料。该硅橡胶收缩率较低,交联过程中不放出低分子,故体积不变,收缩率小于0.1%,并且其流动性非常好,容易灌注,同时不受制品的厚度限制,可以深度固化。使用时将A剂(不含催化剂)、B剂(含催化剂)两组分按重量1︰1混合搅拌均匀,经真空脱泡后即可浇灌,室温25 ℃,2~3 h即可完全固化;加热60~120 ℃,可在数10 min内完全固化,在使用过程中要避免与含N、S、P、Sn等元素的化合物接触[11]

为了更好地反映整体的仿真效果,将硅橡胶与聚氨酯发泡组合叠放进行测试,测试前准备如表3所示试件,共6种组合。因大腿部位所占区域较大,故仿真材料测试方案将大腿区域作为主要对比部位,参照人体皮肤层、肌肉层平均厚度,将上层叠放2 cm厚硅橡胶作为皮肤层,下层叠放3 cm聚氨酯发泡作为肌肉层,并将试件制作成5 cm×5 cm方块用于测试[12]

表3 试件组合方案
Tab.3 Combination scheme of test pieces

试件上层上层厚度/cm下层下层厚度/cmS1硅胶A2.0高回弹发泡3.0S2硅胶A2.0自结皮发泡3.0S3硅胶B2.0高回弹发泡3.0S4硅胶B2.0自结皮发泡3.0S5硅胶C2.0高回弹发泡3.0S6硅胶C2.0自结皮发泡3.0

2.2 压缩回弹性测试

2.2.1 测试设备

自制一种由FlexiforceA201型压力传感器、LabVIEW压力测试系统及游标卡尺等组成的简易装置[13-14],用于评价材料的压缩回弹性能,如图4所示。

图4 压缩回弹测试装置
Fig.4 Compression rebound test device

2.2.2 测试方法

测试前对传感器进行校准,确保测试结果的精度[15]。首先将试件通过双面胶固定在两片方形玻璃片中间,然后将传感器置于游标卡尺的外测量爪并且经由双面胶固定。实验过程中,手动缓慢推移游标对试件进行压缩,每移动0.5 mm静止10 s记录压力值,直到压缩到设定的压缩量为止,设定最大压缩量为5 mm。重复测试5次,求平均值。

2.2.3 人体皮肤压缩回弹性测试

由于人体皮肤的压缩回弹性无法取样测试,因此设计另一套原理相同的测试装置进行人体皮肤压缩回弹性测试,装置中的游标卡尺可以上下移动,用于测试不同部位,同时可以前后移动用于读取位移量,如图5所示。测试过程中,实验者站在游标卡尺探头前方,保持静立,不可前后晃动,游标卡尺探头和人体测试部位之间放置压力传感器,用于测量不同压缩量的压力值。本次实验对象为5名身高155~165 cm,体重50 kg左右的青年女性。

图5 人体皮肤压缩回弹性测试装置
Fig.5 Compression rebound elastic test device of human skin

2.3 结果与分析

整理后的数据如表4所示。由于人体各部位肌肉和脂肪厚度分布不同,以及受骨骼的影响,各部位的压缩回弹性能差异较大,因此在与仿真材料进行对比分析时,将皮肤层、肌肉层组织厚度分布与试件相似的大腿部位作为主要评价依据,其他部位作为参考值,标示出压力范围,如图6阴影所示。

表4 人体各部位压缩回弹测试结果
Tab.4 Compression rebound test results of various parts of the human body

位移/mm压强/kPa大腿膝盖上围膝盖下围小腿脚踝12.04563.52311.54763.05686.122526.87857.22144.36206.320110.2352310.523412.25547.687410.248515.2114414.533516.522212.332015.214522.5352516.786218.856515.214518.256425.7895

图6 压缩回弹测试结果
Fig.6 Results of compression rebound test

对各组试件的测试结果统计取平均值,从图6所示压缩回弹性曲线可以看出,组合S1与组合S3的压力变化范围与人体相似度较高。但试样厚度固定,无法与腿部各部位匹配,选择与试样厚度相似的大腿部位作为主要参考值,因此在模型制备时,最终选择与大腿部位压缩过程压力变化曲线更接近的S1组合,即采用硅胶A模拟皮肤层组织,用高回弹发泡模拟肌肉层组织,使仿真效果最优化。

3 模型制作与仿真性能分析

3.1 模型制作

通过上述实验得到了高回弹发泡与硅胶A可以较好地模拟人体肌肉皮肤的弹性效果。在腿模制备过程中,由于人体下肢皮肤层厚度分布不均,模型制作工艺难度较大,本文根据人体下肢皮肤层厚度分布[8],结合人体下肢剖面图,在不同部位填充0.3~2 cm的油泥作为临时填充层(图7),使各部位厚度与人体皮肤层厚度相似。然后将仿真骨骼固定于相对位置上,将高回弹发泡A、B料混合均匀浇注其中,进行肌肉层制作,成型效果如图8所示。

图7 肌肉层的成型模具截面
Fig.7 Molding section of muscle layer

图8 肌肉层成型效果
Fig.8 Forming effect diagram of muscle layer

待肌肉层高回弹发泡冷却成型后取下油泥层,将硅胶A的A、B料充分混合,经过抽真空处理,去除气泡后,进行皮肤层浇筑,2~3 h后硫化成型,最终成型效果如图9所示。

图9 成型的腿模展示
Fig.9 Formed leg mold display

3.2 仿真性能分析

为验证仿真腿模的压力仿真效果,选取M号一级医用压力袜作为测试材料,分别在真人与腿模上进行测试。测试部位参照医疗行业标准YY/T 0853—2011《医用静脉曲张压缩袜》中压力分布测试位置(图10),本文选取F、E、C、B1、B五个测试点作为评价指标。

图10 压力袜压力测试部位示意
Fig.10 Pressure test parts of compression socks

实验对象选取5名身高155~165 cm的女大学生,各部位尺寸范围如表5所示,实验测试结果如图11所示。

表5 实验对象各部位尺寸
Tab.5 Size of each part of the experimental subject

部位下肢假体尺寸/cm真人下肢尺寸/cm大腿围42.040.5~45.0膝盖围36.532.0~36.0小腿围34.032.0~35.6脚踝围20.520.0~23.0腿长68.066.5~74.0

图11 压力仿真结果
Fig.11 Result of pressure simulation

从图11可以看出,F点到B点压力呈递增趋势,真人测试结果与腿模测试结果保持一致,符合压力袜压力分布规律。人体各测试部位与腿模测试部位的最大压力误差保持在0.6 kPa以内。由于个体差异,这是不可避免的,但并不影响压力袜压力分布的评价。

4 结 论

本文以中国成人人体尺寸标准及标准人台尺寸为依据,利用三维建模及3D打印技术,建立仿照人腿真实曲线结构的腿部模型,并对柔性仿真材料进行仿真性能测试。根据人体皮肤、肌肉分布,在不同部位浇注相应厚度的聚氨酯发泡作为肌肉填充、硅橡胶作为皮肤层填充。通过压力袜压力分布测试,验证了该柔性腿模的压力仿真效果,可以用于代替真人进行服装压力测试,具有一定的推广意义。

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Structural simulation of soft leg model for pressure test

WANG Kang, LI Yanmei, WANG Rong

(Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

Abstract: In order to meet the needs of garment pressure test and reduce the experiment cost of human body test, a soft simulated leg model was invented. The leg model imitates tissue features of human lower limbs, and the structure includes bone layer, muscle layer and skin layer, and each layer is replaced by the equivalent materials similar to a human being in hardness and elasticity. The size of leg model was made through a 3D printing mold, polyurethane foam and silicone layered by reference to the human body size standard of Chinese adults. The pressure test was conducted for the compression socks with the pressure sensor. The pressure simulation result of the leg model was compared with the test result of human body with similar leg size. The pressure simulation effect of the soft leg model was close to the human body, so it can be used to replace the human body for the garment pressure test.

Key words: pressure test; human body simulation; 3D printing; leg model; compression socks

中图分类号: TS941.56;TS955.8

文献标志码:A

文章编号:1001-7003(2019)04-0018-06

引用页码:041104

DOI: 10.3969/j.issn.1001-7003.2019.04.004

收稿日期: 2018-10-12;

修回日期:2019-03-12

基金项目: 教育部人文社科一般项目青年基金项目(17YJC760120);闽江学院现代服装技术协同创新中心开放基金项目(MJKFFZ201702)

作者简介: 王康(1992),男,硕士研究生,研究方向为服装舒适性与功能、数字化服装设计与制造。

通信作者:李艳梅,教授,lym0350@126.com。