Nghiên cứu xác định áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm

Việc nghiên cứu sản xuất quần áo có hiệu năng cao sử dụng trong môi trường đặc biệt được một số nhà khoa học nghiên cứu như quần áo có tính chống thấm, kháng khuẩn; quần áo sử dụng trong

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng đào tạo, Viện Dệt may Da giầy và Thời trang, các thầy cô và đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận án này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến hai Thầy hướng dẫn khoa học, PGS.TS Phan Thanh Thảo và PGS.TS Đinh Văn Hải đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Ban giám hiệu Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và hoàn thành luận án Xin cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo thuộc Khoa Công nghệ May & Thời trang, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp đã luôn động viên, khích lệ trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 7 năm 2019

Nguyễn Quốc Toản

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung trong luận án “Nghiên cứu xác định áp

lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm” là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả trong

luận án là trung thực và chưa từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày 12 tháng 7 năm 2019

Thay mặt tập thể hướng dẫn

PGS.TS Phan Thanh Thảo

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Quốc Toản

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA

Chương 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ……… 5

1.1 Phương pháp mô phỏng xác định áp lực quần áo lên cơ thể người……… 5

1.1.1 Khái quát chung về các phương pháp xác định áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người ………… ……….…… 5

1.1.2 Mô phỏng số áp lực của quần áo lên cơ thể người……….……… 5

1.2 Phương pháp và thiết bị đo áp lực quần áo mặc bó sát lên cơ thể người 21 1.2.1 Các phương pháp và thiết bị đo gián tiếp ……….….… 21

1.2.2 Các phương pháp và thiết bị đo trực tiếp……… 24

1.3 Phương pháp xác định áp lực tiện nghi và ứng dụng áp lực tiện nghi trong thiết kế quần áo mặc bó sát ……… 27

1.3.1 Tính tiện nghi của quần áo ……….… 27

1.3.2 Nguyên liệu và vải dệt kim sử dụng may quần áo mặc bó sát …….…… 28

1.3.3 Mối quan hệ giữa độ giãn đàn hồi của vải dệt kim đàn tính cao và áp lực của quần áo lên cơ thể người mặc ……… 31

1.3.4 Phương pháp đánh giá theo cảm nhận chủ quan của người mặc ……… 33

1.3.5 Phương pháp tính kích thước thiết kế quần áo bó sát theo giá trị áp lực và các đặc trưng tính chất vật liệu ……… 36

1.4 Kết luận chương 1……… 39

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.1 Đối tượng nghiên cứu ……… 41

2.1.1 Cơ thể người……… ……… 41

2.1.2 Vải dệt kim sử dụng may quần mặc bó sát ……… 41

2.1.3 Cảm biến đo áp lực của quần áo lên cơ thể người……… 41

2.2 Nội dung nghiên cứu ……….… 42 2.2.1 Mô phỏng số xác định áp lực của quần bó sát lên phần đùi cơ thể

người

42

2.2.2 Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể

2.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực và xác định áp lực tiện nghi của

quần bó sát lên cơ thể người.……….…… 42

2.3 Phương pháp nghiên cứu……… ……… 43

2.3.1 Phương pháp mô phỏng số áp lực của ống quần lên phần đùi cơ thể

2.3.2 Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể

người sử dụng cảm biến lực ……… 52 2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực và xác định áp lực tiện nghi của

quần mặc bó sát lên cơ thể người …….……….… 56

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ……… 64

3.1.1 Kết quả xây dựng mô hình 3D kết hợp mô phỏng bề mặt và cấu trúc

3.1.2 Kết quả xác định mô hình thuộc tính cơ học của vải ……… 70 3.1.3 Kết quả xây dựng mô hình mô phỏng số áp lực của quần mặc bó sát lên

3.1.4 Kết quả mô phỏng số áp lực lên phần đùi cơ thể ……… 74

3.2 Kết quả thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người 88 3.2.1 Kết quả thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo mặc bó sát lên cơ thể

người sử dụng cảm biến FlexiForce……… ……… …….… 88 3.2.2 Đánh giá kết quả đo của hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể

3.3 Kết quả thực nghiệm đo áp lực và áp lực tiện nghi của quần áo mặc bó

3.3.1 Thông số kích thước cơ thể đối tượng sử dụng trong nghiên cứu……… 93 3.3.2 Thông số kích thước quần gen sử dụng trong nghiên cứu……… 93 3.3.3 Kết quả xác định áp lực của quần áo lên cơ thể người mặc………….… 93 3.3.4 Kết quả xác định áp lực tiện nghi lên từng vùng cơ thể người mặc…… 96 3.3.5 Kết quả xác định khả năng định hình tạo dáng cơ thể của 5 mẫu ống

quần gen sử dụng trong nghiên cứu……… 97 3.3.6 Kết quả xây dựng công thức tính kích thước thiết kế quần áo mặc bó sát theo giá trị áp lực tiện nghi trên từng vùng cơ thể người mặc……… 98

3.4 Kết luận chương 3……….……… 100

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

a, b Hệ số giãn hồi quy

E: Mô đun đàn hồi

v: Tỉ số Poisson

k: Độ giãn tương đối

S: Chu vi vòng ống sau khi mặc

M: Chu vi ban đầu của ống vải

J: Số mẫu ống quần sử dụng trong nghiên cứu

Rs: Điện trở cảm biến

Rf: Điện trở phản hồi

Vin: Điện áp đầu vào

Vout: Điện áp đầu ra

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc trưng thông số của xương và mô mềm……….… 16

Bảng 1.2 Thông số đàn hồi hồi của da sử dụng máy đo đàn hồi……….… 16

Bảng 1.3 Hệ số ma sát của da tại 6 điểm giải phẫu ……….… 17

Bảng 1.4 Hệ số ma sát của da với 6 loại nguyên liệu dệt ……….…… 17

Bảng 1.5 Đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong mô hình tất nén ……… ……… ……… 17

Bảng 1.6 Đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong mô hình tất nén……… ……… 17

Bảng 1.7 Tính chất cơ học của hai mẫu vải dệt kim……… … 18

Bảng 1.8 Các loại sợi sử dụng làm tất chữa bệnh giãn tĩnh mạch………… … 29

Bảng 1.9 Thành phần nguyên liệu sử dụng may quần ……… …… 29

Bảng 1.10 Thành phần nguyên liệu các loại vải sử dụng may quần bó sát… … 30

Bảng 1.11 Các phương trình hồi quy và hệ số tương quan của các mẫu vải trong các nghiên cứu……… 32

Bảng 1.12 Các phương trình hồi quy và hệ số tương quan của các mẫu vải trong các nghiên cứu……… ….……… 32

Bảng 1.13 Chức năng tất nén sử dụng trong nghiên cứu 34

Bảng 1.14 Giá trị áp lực của quần áo bó sát mà người mặc vẫn cảm thấy thoải mái……….……… … 34

Bảng 1.15 Giá trị áp lực của quần áo bó sát mà người mặc vẫn cảm thấy thoải mái……… ….… 35

Bảng 1.16 Lượng dư cử động quần áo bó sát (trang phục nữ)……… ……… 36

Bảng 2.1 Các đặc trưng thông số học của cơ thể người 49

Bảng 2.2 Các thông số đặc trưng cảm biến ……… ……… 53

Bảng 2.3 Ký hiệu các vị trí đo 58

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật cơ bản của vải trong nghiên cứu……… 70

Bảng 3.2 Các đặc trưng cơ học của mẫu vải sử trong nghiên cứu……….… 71

Bảng 3.3 Kích thước ống quần theo độ giãn ngang từ 10 đến 50% của vải… … 72

Bảng 3.4 Giá trị áp lực trung bình của 72 điểm đo trên mặt cắt ngang của 7 vòng đùi……… 77

Bảng 3.5 Ứng suất tại 12 vị trí trên vòng ống 1,4 và 7……… 79

Bảng 3.6 Hệ số tương quan giữa áp lực và độ giãn ngang của vải tại 7 vị trí vòng đùi ……… 81

Bảng 3.7 So sánh chu vi vòng đùi đường mô phỏng và đường biến dạng sau khi

mặc 82

Bảng 3.8 Giá trị áp theo phương pháp mô phỏng và thực nghiệm 91

Bảng 3.9 Độ lệch chuẩn SD về chiều cao, cân nặng, vòng ngực, vòng mông và

chỉ số BMI của 30 đối tượng trong nghiên cứu 93

Bảng 3.10 Kích thước của 5 mẫu quần và độ giãn ngang sau khi mặc ở tư thế

đứng thẳng (tư thế P1 như trong hình 2.25) 93

Bảng 3.11 Áp lực trung bình và độ lệch chuẩn SD của 5 mẫu quần lên các phần

trên cơ thể người mặc trong 8 tư thế vận động cơ bản 94

Bảng 3.12 Phân vị và các giá trị áp lực tương ứng 97

Bảng 3.13 Khoảng giá trị áp lực tiện nghi lên các vòng cơ thể người mặc 97

Bảng 3.14 Áp lực trung bình và độ giảm kích thước các vòng trên cơ thể người

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống tiếp xúc giữa cơ thể người và quần áo 8

Hình 1.2 Mô hình đo áp lực trang phục……… ………… 11

Hình 1.3 Bản vẽ thiết kế mô hình phần đùi cơ thể người………… ………… … 12

Hình 1.4 Mô hình hóa 3D cơ thể người bằng các bản vá ……….… 12

Hình 1.5 Quá trình xây dựng bề mặt, làm mịn hóa bề mặt từ dữ liệu quét 3D cơ thể người 13

Hình 1.6 (a) hình ảnh chụp cộng hưởng từ MRI với 2mm/lớp cắt, (b) hình ảnh chụp mặt cắt xương và các lớp mô mềm, (c) mô phỏng cấu trúc xương và mô mềm……… 13

Hình 1.7 Mô hình 3D cẳng chân xây dựng từ ảnh chúp cắt lớp CT ……… … 14

Hình 1.8 Quá trình xây dựng hình trải từ 3D sang 2D 14

Hình 1.9 Mô phỏng quá trình mặc quần áo ……… 15

Hình 1.10 Cấu trúc mô hình 3D tất nén trong Abaqus (a) Kích thước mẫu; (b) Phân đoạn tất nén ……… ………….….… 15

Hình 1.11 Tính toán áp lực của quần áo bằng phần mềm ANSYS …… … …… 18

Hình 1.12 Tính toán áp lực của quần áo lên cơ thể người bằng phần mềm ABAQUS ……… ……….… ……… 19

Hình 1.13 Biểu đồ phân bố sức căng ……… …… …… …… 19

Hình 1.14 Biểu đồ phân bố áp lực ……… ……… … 19

Hình 1.15 Mô phỏng sự phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vùng mắt cá chân 20

Hình 1.16 Phân bố áp lực đo tại bốn mặt của khu vực mắt cá chân … ……… 20

Hình 1.17 Mô phỏng sự phân bổ áp lực trên mặt cắt ngang vùng bắp chân…… 20

Hình 1.18 Phân phối áp lực đo tại bốn mặt của mặt cắt ngang vùng bắp chân… 20 Hình 1.19 (a) Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng cổ chân, (b) Chuyển vị của 72 điểm trên mặt cắt ngang vòng cổ chân ……… ………….…… 21

Hình 1.20 Áp lực áo lên cơ thể người được thể hiện qua biểu đồ màu sắc… … 21

Hình 1.21 Áp lực lên bề mặt dưới sức căng T ……… 22

Hình 1.22 Mô hình áp lực lên hình trụ ……… 22

Hình 1.23 Mô hình tính toán tổng quát áp lực của quần áo lên cơ thể người 23 Hình 1.24 Băng vải và đo giá trị kéo giãn băng vải ……… …….… 25

Hình 1.25 Đo áp lực của tất chân lên cơ thể người ……… …… … 25

Hình 1.26 Mô hình thiết bị đo áp lực băng nén……… …… … 25

Hình 1.27 Hệ thống đo áp lực (Flexiforce system) của hãng Tekscan…… ….… 25

Hình 1.28 Thiết bị đo áp lực vải lên bề mặt sử dụng nguyên lý khí nén 26

Hình 1.29 Cấu trúc sợi lõi Elastis……… 28

Hình 1.30 Đặc điểm hình dáng mẫu quần chỉnh hình tạo dáng cơ thể………… 29

Hình 1.31 (a) vải dệt kim đan ngang, (b) vải dệt kim đan dọc……… … 30

Hình 1.32 Kiểu dệt cài sợi phụ ……….……… 31

Hình 1.33 Hình Elip có bán kính a = 20cm, b = 13cm ……… ……… 37

Hình 1.34 Bán kính cong e lip có giá trị trong khoảng (8,6 ÷ 30,7 cm)……….… 38

Hình 2.1 Ảnh chụp cấu trúc bề mặt của vải - (a) mặt phải, (b) mặt trái………… 41

Hình 2.2 Lưu đồ quá trình mô phỏng tính toán áp lực quần bó sát lên phần đùi cơ thể người……… …… 44

Hình 2.3 Dữ liệu quét 3D cơ thể người 45

Hình 2.4 Ảnh chụp cắt lớp CT 46

Hình 2.5 Sơ đồ khối quá trình tái tạo mô hình cấu trúc 3D cơ thể người 47

Hình 2.6 Lưu đồ quá trình xử lý mẫu quét 47 Hình 2.7 Sơ đồ khối quá trình xây dựng mô hình 3D kết hợp……… …… 48

Hình 2.8 Biểu đồ lực kéo - chuyển vị của các mẫu vải ……….…… 50

Hình 2.9 Cảm biến Flexiforce A201……… …… 52

Hình 2.10 Sơ đồ khối chức năng……… 53

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch đo……… 53

Hình 2.12 Lưu đồ thuật toán chương trình……… ………… 55

Hình 2.13 Đặc điểm hình dáng sản phẩm……… 57

Hình 2.14 Các tư thế vận động cơ bản……… 58

Hình 2.15 Xác định vị trí đo áp lực……… 58

Hình 2.16 Các bước thực hiện trong quá trình đo……… 59

Hình 2.17 Thang đánh giá áp lực chủ quan……… 60

Hình 3.1 Mặt phẳng chiếu trong không gian 3 chiều 64

Hình 3.2 Sắp xếp các lát cắt song song để tạo thành khối dữ liệu 65

Hình 3.3 Trích biên dạng và hiệu chỉnh đường đường cong biên dạng từ các nút điều khiển 65

Hình 3.4 Quá trình xây dựng lại bề mặt từ các đường viền 66

Hình 3.5 (a) mô hình lưới bề mặt;(b) mô hình cấu trúc xương đùi; (c) mô hình phần đùi cơ thể 66

Hình 3.6 Mô hình 3D chi dưới cơ thể nữ sinh được tái tạo từ dữ liệu quét 3D và phần mềm Rapid Form……… 67

Hình 3.7 Mô hình xương và chân……… 67

Hình 3.8 Điều chỉnh mô hình chi dưới về cùng tọa độ và góc nghiêng của xương 68 Hình 3.9 Kết quả ghép xương vào mô hình 3D xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người……… 68

Hình 3.10 Vị trí so sánh kích thước và biên dạng giữa hai mô hình 3D được tái tạo từ dữ liệu chụp cắt lớp và quét 3D của cùng một đối tượng……… 69

Hình 3.11 So sánh 3 mặt cắt ngang của hai mô hình 3D……… 69

Hình 3.12 Mô hình cấu trúc 3D cẳng chân xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT (a) Mô hình da, (b) mô mềm, (c) xương……… 71

Hình 3.13 Mô hình 3D ống quần sử dụng trong nghiên cứu……… … 72

Hình 3.14 Hình dạng mặt cắt ngang vòng đùi 1 73

Hình 3.15 Chia lưới mô hình 73

Hình 3.16 Điều kiện biên của xương và ống vải trong mô hình PTHH 74

Hình 3.17 Mô phỏng áp lực lên bề mặt đùi sau khi mặc ……… 75

Hình 3.18 Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng đùi 1 ……… 75

Hình 3.19 Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng đùi 4 ……… 76

Hình 3.20 Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng đùi 7……… 76

Hình 3.21 Mặt cắt ngang của 7 vòng đùi ……… 77

Hình 3.22 Phân bố áp lực theo chiều dọc đùi……… 78

Hình 3.23 Ứng suất sinh ra ttrên bề mặt ống vải trong quá trình mặc………… 79

Hình 3.24 Ứng suất tại 12 vị trí trên 3 vòng ống……… 80

Hình 3.25 Mối qua hệ giữa áp lực và độ giãn ngang của vải……… 81

Hình 3.26 Mối quan hệ giữa độ giãn ngang và độ giảm kích thước vòng đùi sau khi mặc……… 82

Hình 3.27 Biên dạng mặt cắt ngang vòng đùi……… 83

Hình 3.28 Chuyển vị theo hướng kính các điểm trên mặt cắt ngang vòng đùi với độ giãn ngang 30% 84

Hình 3.29 So sánh biên dạng mặt cắt ngang vòng đùi 1 giữa đường mô phỏng

và đường sau biến dạng 85

Hình 3.30 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi 1……….……… 85

Hình 3.31 Biểu đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi 1……… 86

Hình 3.32 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi 4……… 86

Hình 3.33 Biểu đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi 4……… 86

Hình 3.34 Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi 7……… 87

Hình 3.35 Biểu đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi 7……… 87

Hình 3.36 Thiết bị đo áp lực của trang phục lên cơ thể người sử dụng cảm biến Flexiforce……… 88

Hình 3.37 Giao diện phần mềm tính toán và hiển thị kết quả……… 89

Hình 3.38 Biểu đồ xác định sai số kết quả đo.……… 89

Hình 3.39 Độ trôi kết quả đo ở mức tải trọng (50, 100, 200, 300 và 400 g) trong khoảng thời gian 10 phút … ……… 90

Hình 3.40 Thiết lập bộ đồ gá đầu đo……… 90

Hình 3.41 Biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng và đo thực nghiệm 91

Hình 3.42 Biểu đồ so sánh kết quả đo bằng thực nghiệm và theo phương pháp tính toán ……… …… 92

Hình 3.43 Áp lực trung bình lớn nhất lên các phần khác nhau của cơ thể người mặc 94

Hình 3.44 Thống kê tần suất các mức cảm nhận chủ quan áp lực tại các vị trí trên cơ thể người mặc 95

Hình 3.45 Thống kê tần suất các mức cảm nhận chủ quan áp lực của 5 mẫu ống quần 95

Hình 3.46 Biểu đồ áp lực tiện nghi theo mức 1, 2 và 3 tại các vị trí trên cơ thể người mặc 96

Hình 3.47 Biểu đồ tương quan giữa độ giãn và áp lực của vải lên bề mặt cơ thể người tại vi trí vòng đùi 1 98

Hình 3.48 Biểu đồ tương quan giữa độ giãn và áp lực của vải lên bề mặt cơ thể người tại vi trí vòng đùi 4 98

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua ngành Dệt May đã và đang có những bước phát triển vượt xa khỏi những quan điểm sản xuất thông thường, những tiến bộ khoa học kỹ thuật, công nghệ mới được áp dụng rộng rãi trong sản xuất đã mang lại cho người tiêu dùng và xã hội nhiều sản phẩm tốt về chất lượng, đa dạng về chủng loại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng Việc nghiên cứu sản xuất quần áo có hiệu năng cao sử dụng trong môi trường đặc biệt được một số nhà khoa học nghiên cứu như quần áo có tính chống thấm, kháng khuẩn; quần áo sử dụng trong môi trường có nhiệt

độ cao… Bên cạnh đó chúng ta còn thiếu nhiều công trình nghiên cứu khoa học về sản phẩm may sử dụng trong lĩnh vực y tế, thể thao và chỉnh hình thẩm mỹ vv…

Do đặc điểm và yêu cầu sử dụng, các sản phẩm quần áo bó sát nếu mặc bó sát quá sẽ gây ra tác động không tốt cho sức khỏe, giảm khả năng vận động của người sử dụng, tuy nhiên mặc rộng quá sẽ làm mất đi tính thẩm mỹ, chức năng sử dụng, khả năng chỉnh hình thẩm mỹ hoặc khả năng tạo áp lực của sản phẩm quần áo trong một số lĩnh vực như y tế, thể thao, thẩm mỹ vv…

Áp lực của trang phục bó sát lên cơ thể người mặc là yếu tố rất quan trọng để đánh giá độ vừa vặn và tính tiện nghi của trang phục Do đó tác giả lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu xác định áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm” Mục đích nghiên cứu của luận án là xác định áp lực và áp lực tiện nghi của trang phục sát lên cơ thể người nhằm tạo tiền đề cho việc thiết kế kỹ thuật các sản phẩm may mặc thông dụng và chuyên dụng đảm bảo tính tiện nghi áp lực như các sản phẩm yêu cầu tạo áp lực lên cơ thể: quần áo nâng cao thành tích thi đấu của vận động viên, tăng khả năng hồi phục của người bệnh sau phẫu thuật, trang phục chỉnh hình thẩm mỹ, tất nén chống giãn tĩnh mạch v.v

Nghiên cứu này góp phần tạo ra một số loại hình sản phẩm khoa học và công nghệ mới có hàm lượng chất xám cao, tăng hiệu quả kinh tế và năng lực sản xuất hàng nội địa cho ngành công nghiệp Dệt May Việt Nam

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN

Trong quá trình mặc, quần áo luôn gây một áp lực lên cơ thể người Áp lực này

có thể có tác dụng chỉnh hình cơ thể, đem đến cảm giác thoải mái tiện nghi khi mặc, tăng cường khả năng vận động, phòng chống các bệnh giãn tĩnh mạch và hỗ trợ điều trị sau phẫu thuật nhưng ngược lại cũng có thể đem đến cảm giác khó chịu cho người mặc nếu giá trị áp lực vượt quá ngưỡng chịu đựng tối đa của con người Việc xác định

áp lực của trang phục, đặc biệt là trang phục bó sát lên từng vùng cơ thể, là cơ sở cho các nhà thiết kế lựa chọn nguyên liệu, kết cấu sản phẩm, tính toán kích thước các chi tiết phù hợp với mục đích sử dụng trang phục

Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp khác nhau để xác định áp lực của trang phục lên cơ thể người mặc trong quá trình sử dụng Trong đó phương pháp mô phỏng số áp lực và phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến lực được đề cập nghiên cứu với yêu cầu đặt ra cần mô phỏng hình dạng bề mặt và cấu trúc cơ thể người, mô

phỏng các đặc trưng cơ học của vải - đây là dạng bài toán mô phỏng dị hướng trực giao khá phức tạp nhưng các kết quả mô phỏng đạt được khá chính xác, đảm bảo độ tin cậy, khách quan và khoa học Với phương pháp đo trực tiếp, phần lớn các hệ thống thiết bị đều sử dụng cảm biến lực để đo áp lực của trang phục lên cơ thể người Các cảm biến lực được gắn trực tiếp vào giữa cơ thể người và trang phục hoặc giữa trang phục và bề mặt ma-nơ-canh Giá trị được hiển thị tại từng vị trí đo, từ đó ta có thể xây dựng được biểu đồ áp lực của trang phục lên từng vùng cơ thể người mặc…do vậy cả hai phương pháp là những vấn đề khoa học cần được nghiên cứu nhằm cung cấp cơ sở

dữ liệu quan trọng để thiết kế sản xuất các chủng loại trang phục thông dụng mặc bó sát cơ thể và đặc biệt là thiết kế sản xuất các trang phục chuyên dụng như trang phục chỉnh hình thẩm mỹ, thi đấu thể thao, tăng khả năng hồi phục của người bệnh sau phẫu thuật, tất y khoa phòng chống và điều trị bệnh giãn tĩnh mạch v.v

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Nghiên cứu xác định áp lực và áp lực tiện nghi của quần mặc bó sát lên cơ thể người bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm, ứng dụng tính toán kích thước thiết kế kỹ thuật sản phẩm quần bó sát đảm bảo tính tiện nghi áp lực

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

- Phần thân dưới cơ thể nữ thanh niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25 với các bộ phận đặc trưng bụng, mông, đùi

- Vải dệt kim sử dụng may quần gen định hình thẩm mỹ

- Hệ thống đo áp lực của trang phục lên cơ thể người sử dụng cảm biến áp lực được thiết kế với các tính năng cơ bản như sau: đầu đo sử dụng cảm biến lực FlexiForce của hãng Tekscan Hoa Kỳ có dải đo từ 0 đến 4,4 N; thiết bị kết nối với cổng USB máy tính qua bộ thu phát không dây Phần mềm cho phép hiển thị kết quả đo theo thời gian thực, sai số kết quả đo trong khoảng 10%

4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

- Mô phỏng số xác định áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người

- Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người sử dụng cảm biến lực

- Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực và xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát lên cơ thể người

- Ứng dụng kết quả mô phỏng số áp lực và kết quả thực nghiệm xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể để xây dựng công thức tính toán kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN

- Xác lập được cơ sở khoa học để tiếp tục hoàn thiện phương pháp mô phỏng số

và phương pháp thực nghiệm đo áp lực của trang phục bó sát lên cơ thể người

- Là cơ sở khoa học để nghiên cứu chế tạo thiết bị thương mại đo áp lực của trang phục bó sát lên cơ thể người ứng dụng trong tính toán thiết kế và sản xuất nhóm chủng loại trang phục này đảm bảo độ vừa vặn và tính tiện nghi trang phục, góp phần nâng cao giá trị sử dụng, hiệu quả kinh tế và năng lực sản xuất

sản phẩm may mặc đáp ứng như cầu ngày càng cao của người tiêu dung Việt Nam

- Là một đóng góp có giá trị trong việc phát triển, gia tăng tri thức khoa học trong lĩnh vực thiết kế trang phục ở Việt Nam

6 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN

- Đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết kế ngược để xây dựng mô hình cấu trúc 3D cơ thể người kết hợp từ dữ liệu chụp cắt lớp CT và mô hình bề mặt 3D

từ dữ liệu quét 3D Mô hình 3D kết hợp mô phỏng cấu trúc phần đùi cơ thể người được sử dụng làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho bài toán mô phỏng quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo trong quá trình mặc

- Đã nghiên cứu phương pháp mô phỏng số áp lực của quần gen định hình thẩm

mỹ lên phần đùi cơ thể đảm bảo độ chính xác, tin cậy, khoa học và khách quan

- Đã thiết lập hệ thống đo áp lực của trang phục lên cơ thể người sử dụng cảm biến lực có giá thành hợp lý, thuận tiện sử dụng, có sai số nằm trong phạm vi sai số cho phép về đo áp lực của trang phục lên cơ thể người

- Đã ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong phần mềm tính toán ABAQUS/Explicit mô phỏng xác định áp lực của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể người trong quá trình mặc

- Đã xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể người ứng dụng xây dựng công thức tính toán kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực cho đối tượng nữ thanh niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25

VII NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN

- Xây dựng được mô hình 3D kết hợp mô phỏng bề mặt và cấu trúc phần đùi cơ thể người gồm ba thành phần chính: da, xương và mô mềm trên cơ sở dữ liệu quét 3D cơ thể người và dữ liệu chụp cắt lớp CT phần thân dưới cơ thể

- Xây dựng thành công mô hình mô phỏng tính toán áp lực của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể người tạo tiền đề khoa học cho quá trình mô phỏng số quá trình mặc quần của con người là một quá trình tương tác cơ học động trong

đó hệ tiếp xúc bao gồm bốn thành phần (quần áo, da, mô mềm và xương) và bề mặt tiếp xúc gồm ba bề mặt (giữa quần áo với da, da với mô mềm và mô mềm với xương)

- Thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người sử dụng cảm biến lực là hệ thống đo trực tiếp áp lực của quần áo lên cơ thể người đầu tiên tại Việt Nam để phục vụ công tác thu thập dữ liệu thực nghiệm thiết kế kỹ thuật trong ngành May

- Ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong phần mềm tính toán ABAQUS/Explicit để tính toán mô phỏng áp lực, sự phân bố áp lực của quần bó sát lên phần đùi cơ thể người, xây dựng phương trình tương quan giữa áp lực của quần bó sát lên cơ thể người với độ giãn ngang của vải, xác định khả năng biến dạng kích thước của cơ thể khi mặc quần bó sát Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể là cơ sở khoa học xây dựng công thức tính toán kích thước

thiết kế quần bó sát có khả năng chỉnh hình cơ thể đảm bảo tính tiện nghi áp lực trang phục

VIII KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN

Luận án gồm 3 chương:

- Chương 1: Nghiên cứu tổng quan

- Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả nghiên cứu và bàn luận

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Phương pháp mô phỏng xác định áp lực quần áo lên cơ thể người

1.1.1 Khái quát chung về các phương pháp xác định áp lực của quần áo

bó sát lên cơ thể người

Để xác định áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người mặc, có thể sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp đo trực tiếp

- Phương pháp đo gián tiếp

- Phương pháp mô phỏng

Với phương pháp đo trực tiếp, phần nhiều các trang thiết bị sử dụng cảm biến

đo áp lực để đo áp lực của quần áo lên cơ thể (các phần tử cảm biến được chèn vào giữa cơ thể người và quần áo) [1] Kết quả đo được thể hiện trên màn hình máy tính Phương pháp này có ưu điểm cho kết quả chính xác và kết quả hiển thị trực tiếp trong khi đo, từ đó ta có thể lập biểu đồ phân bổ áp lực quần áo trên tất cả các vùng trên cơ thể Nhược điểm thiết bị phức tạp, giá thành cao, đòi hỏi phải có các cảm biến áp lực kích thước nhỏ gọn và độ nhạy cao

Phương pháp đo gián tiếp, sử dụng các dụng cụ thiết bị đo độ giãn của vải, lực kéo giãn và tính toán áp lực vải trên cơ sở công thức Laplace [2] Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, dễ sử dụng Nhược điểm chính là việc tính toán áp lực trên cơ sở công thức Laplace, mỗi loại trang thiết bị cần có công thức tính riêng và mất nhiều thời gian để xác định các thông số vật liệu, thông số mô hình tính toán

Phương pháp mô phỏng, hiện nay trên thế giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng máy tính trong mô phỏng áp lực của quần áo lên cơ thể người [3,4] Các nghiên cứu đánh giá áp lực quần áo như thế nào là phù hợp với cơ thể người, tức là ngưỡng chịu đựng tối đa cơ thể người khi mặc quần áo bó sát mà vẫn cảm thấy thoải mái Về cơ bản phương pháp này dựa trên mô phỏng vải, mô phỏng cơ thể người và mô phỏng sự tương tác cơ học giữa quần áo và cơ thể người mặc Kết quả áp lực quần áo lên cơ thể người được thể hiện bằng biểu đồ màu sắc khác nhau, cũng có thể lượng hóa được giá trị áp lực quần áo trên từng vùng cơ thể người mặc

1.1.2 Mô phỏng số áp lực của quần áo lên cơ thể người

1.1.2.1 Vai trò của việc mô phỏng số áp lực quần áo lên cơ thể người

Mô phỏng ngày càng phát triển rộng trên thế giới bởi nó có nhiều ưu điểm như: giúp tiết kiệm thời gian và kinh phí trong quá trình xác định áp lực quần áo lên cơ thể người Mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học như: toán, vật

lý, cơ khí, năng lượng nhiệt, tự động hóa, điều khiển, công nghệ thông tin… Đây là công cụ đa dạng, linh hoạt và đặc biệt hiệu quả trong thiết kế, chế tạo sản phẩm, nghiên cứu thử nghiệm, nghiên cứu hoạt động, tối ưu hóa mô hình…

Ứng dụng mô phỏng vào việc xác định áp lực quần áo lên cơ thể người có thể đem lại những lợi ích cụ thể như sau:

+ Dễ dàng thay đổi cấu trúc của mô hình, thông số mô hình, cho kết quả chính xác với sai số cho phép và thể hiện rõ được sự phân bố áp lực trên từng vùng cơ thể người mặc

+ Dựa trên các thông số đầu vào của bài toán mô phỏng như các đặc trưng cơ học của vải để dự báo tính chất vật liệu, tối ưu hóa quá trình thiết kế sản phẩm

+ Giảm yếu tố phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu, điều kiện cơ sở vật chất sử dụng trong nghiên cứu

+ Giúp chúng ta hiểu được quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo, các yếu tố ảnh hưởng đến áp lực quần áo lên cơ thể người

1.1.2.2 Lý thuyết chung về mô phỏng số

o Một số khái niệm

Khi nghiên cứu một đối tượng, có hai cách có thể được sử dụng là nghiên cứu trên đối tượng thực và nghiên cứu trên mô hình thay thế của nó [5] Các nghiên cứu trên đối tượng thực mang lại kết quả trung thực và khách quan Tuy nhiên, trong một

số trường hợp, khi nghiên cứu trên đối tượng thực đòi hỏi nhiều thời gian, chi phí, khó thực hiện hoặc không thực hiện được thì phương pháp tốt nhất và thuận tiện nhất là nghiên cứu trên mô hình của nó

Mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu đối tượng bằng cách thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình để nhằm thu nhận các thông tin về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm, tính toán trên mô hình [5]

Trước đây, để mô hình hóa đối tượng nghiên cứu ta thường sử dụng phương pháp giải tích Khi sử dụng phương pháp này, thường phải đưa ra nhiều giả thiết đơn giản hóa mô hình do đó các kết quả nghiên cứu tuy có tính rõ ràng, tổng quát nhưng chúng có độ chính xác không cao Ngày nay, bên cạnh phương pháp giải tích, phương pháp mô phỏng được phát triển và ứng dụng rộng rãi Đây là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải, máy tính là công cụ hữu hiệu để thực hiện việc mô phỏng đối tượng nghiên cứu [5] phương pháp mô phỏng cho phép đưa vào mô hình nhiều yếu tố gần sát với thực tế nên các kết quả thu được có độ chính xác cao Nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ máy tính, phương pháp mô phỏng đã được ứng dụng để nghiên cứu các đối tượng phức tạp như các hệ thống lớn, các hệ thống có các thông số biến thiên theo thời gian đem lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất…

Các mô hình nghiên cứu được xây dựng dựa trên phương pháp mô phỏng gọi là

mô hình mô phỏng Mô hình mô phỏng được xây dựng phải đảm bảo hai tính chất cơ bản là đồng nhất với đối tượng thực mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trước

và có khả năng sử dụng để nghiên cứu đối tượng Để nghiên cứu mô phỏng một đối

tượng, thông thường ta cần thực hiện các nội dung sau [5, 6]:

- Xác định mục tiêu mô phỏng và đối tượng mô phỏng

- Xây dựng hệ phương trình mô phỏng thể hiện các quá trình xảy ra bên trong đối ttượng

- Lựa chọn ngôn ngữ, công cụ, phần mềm để tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của mô hình mô phỏng

- Chạy mô phỏng, kiểm chứng mô hình mô phỏng từ đó hợp thức hóa mô hình

mô phỏng

- Xử lý kết quả mô phỏng để sử dụng

Mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong cả quá trình thiết kế, xây dựng và hoạt động của đối tượng cần nghiên cứu Ở giai đoạn thiết kế, mô phỏng giúp người thiết kế lựa chọn cấu trúc, các thông số của đối tượng nghiên cứu Ở giai đoạn chế tạo, mô phỏng giúp cho việc lựa chọn vật liệu và công nghệ chế tạo Ở giai đoạn vận hành, mô phỏng giúp cho người điều khiển tính toán, dự đoán các trạng thái của đối tượng và giải các bài toán điều khiển tối ưu Do đó, phương pháp nghiên cứu mô phỏng ngày càng được ứng dụng rộng rãi Khi tiến hành mô phỏng chúng ta phải xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính Mô hình mô phỏng là tập hợp các chương trình chạy trên máy tính gọi là phần mềm mô phỏng Khi mô phỏng một đối tượng đơn giản, những chương trình này có thể được viết bằng các ngôn ngữ lập trình thông dụng như

PASCAL, C++ hay VISUAL BASIC… Khi mô phỏng một đối tượng phức tạp, việc viết các chương trình mô phỏng như trên gặp rất nhiều khó khăn và mất thời gian Trong thực tế, người ta phát triển nhiều phần mềm mô phỏng chuyên dụng cho từng lĩnh vực khoa học Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng này thông thường bao gồm nhiều mô

- đun tính toán chuẩn, người sử dụng chỉ cần lựa chọn các mô - đun tính toán, nạp các thông số cần thiết, nối các mô - đun theo một logic định trước, tiến hành chạy mô phỏng và tính toán, xử lý các kết quả Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng ngày càng phát triển và được sử dụng phổ biến do nó có nhiều ưu điểm như: thời gian xây dựng mô hình mô phỏng ngắn; dễ dàng thay đổi cấu trúc và thông số của mô hình; dễ

gỡ rối, sửa chữa sai sót; các kết quả được xử lý tốt, thuận tiện cho việc sử dụng [5, 6]

o Ưu nhược điểm của phương pháp mô phỏng

Bên cạnh các ưu điểm được nói đến ở trên, phương pháp mô phỏng cũng có những nhược điểm như: đòi hỏi máy tính, phần mềm chuyên dụng, đòi hỏi cao về việc phân tích dữ liệu để xử lý kết quả mô phỏng Đặc biệt, phương pháp mô phỏng chỉ cho lời giải của từng bước tính, mỗi bước tính ứng với một điều kiện nhất định của mô hình, do vậy muốn có kết quả chính xác phải tăng số bước tính lên đủ lớn (theo lý

thuyết là vô cùng lớn)

Một trong những vấn đề khó khăn nhất mà mô phỏng phải đối mặt là xác định xem mô hình mô phỏng có phản ánh đúng bản chất của hệ thống thực không hay nói cách khác là kiểm chứng và hợp thức hóa mô hình mô phỏng [5, 6] Kiểm chứng là chứng minh kết quả mô phỏng phù hợp với nguồn dữ liệu khác đã được thừa nhận Hợp thức hóa là chứng minh mô hình mô phỏng đã xây dựng mô phỏng được bản chất các hiện tượng trong hệ thống thực giúp con người có hiểu biết sâu hơn về hiện tượng,

là cơ sở cho các nghiên cứu hệ thống Có nhiều phương pháp để kiểm chứng và hợp thức hóa mô hình nhưng phương pháp tốt nhất là đánh giá mức độ phù hợp giữa dữ liệu đầu ra của mô phỏng với dữ liệu đầu ra của hệ thống thực [6] Do đó thông thường một số kết quả thu được từ nghiên cứu mô phỏng sẽ được đánh giá bằng thực nghiệm

1.1.2.3 Mô hình mô phỏng xác định áp lực quần áo quần áo mặc bó sát lên cơ thể người

Nghiên cứu quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo [7, 8] tác giả và các cộng sự đã xây dựng mô hình mô phỏng áp lực quần áo mặc bó sát lên cơ thể người với các giả thiết trong nghiên cứu như sau:

- Mô hình cơ thể người bao gồm ba thành phần: xương, mô mềm và da Xương được coi là vật liệu tuyệt đối cứng và không chịu biến dạng trong quá trình mặc, da và

mô mềm được giả thiết là vật liệu đàn hồi

- Chuyển vị của da và mô mềm được giả thiết là đồng nhất tại bề mặt chung khi chịu tác dụng nén gây ra bởi quần áo và chuyển vị này không truyền tới phần xương

- Ứng xử cơ học của da và mô mềm được giả thiết là đàn hồi tuyến tính, dị hướng

- Quần áo được coi là lớp màng mỏng đàn hồi tuyến tính nhưng dị hướng, ứng suất theo chiều dày của vải được giả thiết là đồng đều

- Cơ thể người đứng yên trong suốt quá trình mặc, trong khi đó ống quần sẽ di chuyển dọc theo cơ thể từ chân lên tới phần thắt lưng, ma sát giữa cơ thể và vải được

bỏ qua

- Luôn tồn tại sự trượt tương đối giữa vải và da, quá trình này liên quan tới sự phân

bố ứng suất tổng trong các vùng tiếp xúc

 Phân tích quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo

Hình 1.1 minh họa hệ tiếp xúc giữa cơ thể người và quần áo trong hệ tọa độ

không gian x(x1, x2 và x3) Hệ tiếp xúc gồm bốn thành phần (quần áo, da, mô mềm và xương) và ba bề mặt tiếp xúc (giữa quần áo với da, da với mô mềm và mô mềm với

xương) Tại thời điểm ban đầu t = 0, quần áo bao phủ miền 01 và các thành phần của

cơ thể người bao gồm da, mô mềm và xương tương ứng chiếm các miền 02, 03 và

04

Hình 1.1 Hệ thống tiếp xúc giữa cơ thể người và quần áo [8]

Từ thời điểm t = 0, quần áo sẽ di chuyển từ chân tới thắt lưng cho vừa với cơ

thể, trong quá trình di chuyển quần áo sẽ chiếm miền mới là t1 và tiếp xúc với miền

Trong đó, tij X là các thành phần ứng suất Cauchy; tqgi X là thành phần thứ i

của véc-tơ lực khối tqg X của vật thể n;  là khối lượng riêng của vật thể n và được giả thiết là hằng số trong miền tn

; và ai  x là thành phần véc-tơ gia tốc thứ i của

X

o Điều kiện biên về chuyển vị

Ống quần được mặc vào cơ thể từ dưới lên trên với vận tốc không đổi V0 theo hướng x3:

o Điều kiện biên về lực

Trong suốt quá trình mặc, cơ thể người đứng yên Vì vậy, chuyển vị của xương bằng không theo phương x3.Các ràng buộc này đã gây ra một lực biên qb tác dụng lên

xương, được thể hiện theo phương trình sau:

tqb  tN trên đường ranh giới t 4

f

 (1.8) trong đó, N là vector pháp tuyến đơn vị của một điểm cố định trên đường biên Trọng lực tác dụng lên bốn thành phần (quần áo, da, mô và xương) được thể hiện như sau:

qn g ng trên miền tn , n = 1,2,3,4 (1.9)

với g là gia tốc trọng trường

o Điều kiện biên về tiếp xúc

Đối với bề mặt tiếp xúc không ma sát, lực tại các điểm tiếp xúcxn thể hiện bằng

q   q  trên đường ranh giới t  c n t n c1; n = 1,2,3 (1.10)

trong đó, tqc n1 là thành phần lực của lực tiếp xúc của tqn c theo phương pháp tuyến tại điểm tiếp xúc

Điều kiện tiếp xúc cơ học là một ràng buộc đối với lực tiếp xúc pháp tuyến t n1

 Giải bài toán bằng phương pháp số

Một phương pháp số dành cho hệ tiếp xúc giữa quần áo và cơ thể đã được trình bày bởi Zhang và các cộng sự năm 2003 [8] Thủ tục mô phỏng bao gồm thiết lập công thức tổng quát dựa trên nguyên lý công ảo, rời rạc hóa phần tử hữu hạn, tìm kiếm và đặt các ràng buộc tiếp xúc, và giải phương trình tổng quát Dựa trên các phương pháp

đã được phát triển trước đây, tác giả thay thế mô hình cơ thể người trước đây từ tuyệt đối cứng thành mô hình cơ - sinh học để mô phỏng quá trình tương tác cơ học động trong quá trình mặc quần áo

 Phần mềm sử dụng trong mô phỏng số

Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng được phát triển cho mô phỏng số như ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA, SAP2000…Một trong những phần mềm được ứng dụng nhiều ở Việt Nam hiện nay là ABAQUS

Phần mềm tính toán ABAQUS là một bộ phần mềm dùng để mô phỏng công trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó

từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp

ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất,

chuyển vị), vẫn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

1.1.2.4 Xây dựng mô hình 3D cơ thể người và quần áo

Có hai loại mô hình được sử dụng nhiều trong nghiên cứu tính toán áp lực quần

áo lên cơ thể người đó là mô hình vật lý tương tự và mô hình số Mô hình vật lý tương

tự được cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với đối tượng thực nhưng các quá trình xảy ra trong mô hình tương đương giống với quá trình xảy ra trong đối tượng thực; Mô hình số (mô hình mô phỏng) được xây dựng theo phương pháp số tức là bằng các chương trình chạy trên máy tính số Ngày nay nhờ có sự phát triển của kỹ thuật máy tính và kỹ thuật tin học, người ta đã xây dựng được các mô hình số mô phỏng quá trình hoạt động của đối tượng thực [8]

a Mô hình vật lý tương tự cơ thể người

Theo tài liệu [9] Dusan Fiala và các cộng sự chọn cơ thể người có kích thước trung bình, các thông số: cân nặng 73,5 kg; lượng mỡ 14%, diện tích da 1,86 m2 Cơ thể được chia thành 15 vùng có dạng hình cầu hoặc hình trụ Các bộ phận có dạng hình cầu: đầu; các bộ phận có dạng hình trụ: khuôn mặt, cổ, hai vai, ngực, bụng, hai cánh tay, hai bàn tay, hai chân, hai bàn chân Các phần trên cơ thể lại được chia thành nhiều lớp đồng tâm với các đặc điểm vật liệu khác nhau Hầu hết các bộ phận được chia

thành 3 lớp: lớp trên cùng là lớp da, lớp giữa là các mô và lớp dưới là hệ xương

Để mô hình hóa cơ thể cần định nghĩa nhiều loại vật liệu khác nhau như vật liệu

có các tính chất giống với não, phổi, xương, cơ, chất béo và da Trong nghiên cứu phần da được mô hình hóa gồm 2 lớp có tính chất hoàn toàn khác nhau: lớp da trong

và lớp da ngoài Lớp da trong dày 1mm, mô phỏng hệ thần kinh dưới da, lớp ngoài có cùng độ dày chứa các mạch máu, hệ mồ hôi [9]

Để xác định áp lực lên bề tạo ra bởi sức căng theo độ giãn ngang, nghiên cứu [10] sử dụng mô hình mô phỏng cơ thể người tại các khu có thiết diện ngang gần như hình trụ (eo, bụng, đùi, tay…) như trong hình 1.2 Lõi của mô hình sử dụng ống nhựa PVC (4) có chu vi 462 mm, chiều dài 350 mm mô phỏng khung xương, bên ngoài bọc lớp mút (3) có bề dày 5mm mô phỏng lớp mô mềm cơ thể Băng vải có chiều rộng 100

mm, có chu vi nhỏ hơn chu vi mô hình và được lồng vào mô hình Tùy theo chu vi của băng vải khi lồng vào mô hình sẽ bị kéo giãn ở các mức độ khác nhau, chúng sẽ nén lên bề mặt mô hình những áp lực khác nhau Áp lực này xác định được nhờ 4 cảm biến gắn ở 4 góc mô hình

Hình 1.2 Mô hình đo áp lực trang phục [10]

Tác giả và nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình thực nghiệm phần đùi cơ thể

Mô hình phần đùi được làm từ 2 lớp vật liệu: lớp bên trong bằng vật liệu cứng đại diện cho phần xương, lớp bên ngoài làm bằng vật liệu có tính đàn hồi cao và khả năng biến dạng tốt đại diện cho phần mô của cơ thể Lớp vật liệu bên ngoài có độ dày 30 mm như trong hình 1.3 Bán kính vòng đùi trên 91,1 mm, bán kính vòng đùi dưới 71,4 mm, chiều dài mô hình là 180 mm

Để mô hình hóa phần đùi đều cần có 3 lớp vật liệu: lớp xương làm bằng vật liệu cứng (trong các mô hình là kim loại), lớp mô làm bằng mút mềm hoặc cao su và lớp bọc ở bên ngoài làm bằng tấm nhựa tổng hợp để mô phỏng phần da người

Hình 1.3 Bản vẽ thiết kế mô hình phần đùi cơ thể người

b Mô hình mô phỏng cơ thể người

Thông thường, có hai loại mô hình cơ thể được sử dụng trong nhiều nghiên cứu thiết kế kỹ thuật y sinh [11] Đó là mô hình xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người, thường gọi là mô hình vỏ, mô tả cấu trúc bề mặt cơ thể con người; Mô hình thứ hai là

mô hình cấu trúc được xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT (mô hình đặc) chứa các thông tin về các lớp bên trong cơ thể như xương, gân và các lớp mô mềm

Xây dựng mô hình 3D cơ thể người dựa trên các điểm ảnh rời rạc thu được từ

hệ thống quét 3D cơ thể người Trong nghiên cứu [12] tác giả sử dụng các mặt cong

tham số B - Spline, sau đó chúng được ghép lại với nhau như hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình hóa 3D cơ thể người bằng các bản vá [12]

Theo tài liệu [13] tác giả đã sử dụng dữ liệu từ máy quét toàn thân 3D body scanner của hãng [TC]² sau đó ứng dụng phần mềm thiết kế ngược Rapidform để xây dựng lại mô hình mô phỏng hình dạng, cấu trúc kích thước cơ thể trẻ em trên địa bàn thành phố Hà Nội như trong hình 1.5 Mô hình xây dựng được sử dụng để chế tạo ma-nơ-canh thiết kế và làm mô hình thử sửa ảo, xác định mức độ vừa vặn quần áo, áp lực quần áo lên cơ thể người cho các phần mềm thiết kế 3D như Lectra 3D Fit, Optitex…

Hình 1.5 Quá trình xây dựng bề mặt, làm mịn hóa bề mặt từ dữ liệu

quét 3D cơ thể người [13]

Trong nghiên cứu [8] tác giả và các cộng sự đã xây dựng mô hình toán học mô

tả các cơ chế tiếp xúc giữa cơ thể người với quần áo, nghiên cứu này sử dụng canh ảo của phần mềm thương mại để mô phỏng tính toán áp lực lên bề mặt mô hình, ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề mặt cứng không biến dạng trong quá trình mặc, do vậy các tương tác cơ học giữa vải và các lớp mô mềm cấu trúc bên trong cơ thể không được tính đến

ma-nơ-Hình 1.6 (a) hình ảnh chụp cộng hưởng từ MRI với 2mm/lớp cắt, (b) hình ảnh chụp mặt cắt

xương và các lớp mô mềm, (c) mô phỏng cấu trúc xương và mô mềm, (d) Mô hình 3D cấu trúc

chân gồm 2 thành phần là xương và mô mềm[15]

Ứng dụng công nghệ chụp cắt lớp CT, các nghiên cứu [14,15] đã xây dựng mô hình cấu trúc cơ thể từ dữ liệu ảnh chụp Cấu trúc được chia làm hai phần chính là

Xương

Mô mềm

xương và mô mềm, để đơn giản hóa trong nghiên cứu thì các sụn khớp của xương được hợp nhất là một Các bề mặt ranh giới của thành phần xương và da đã được tái tạo thành mô hình khối cấu trúc cơ thể nhờ ứng dụng phần mềm SolidWorks như trong hình 1.6 Các mô hình khối sau đó được sử dụng làm dữ liệu phục vụ cho việc mô phỏng tính toán áp lực của tất nén y tế phân đoạn lên phần chân cơ thể người

Tác giả L Dubuis và các công sự [16] tiến hành nghiên cứu xác định áp lực của tất y tế lên thành tĩnh mạch vùng cổ chân Mô hình hình sử dụng trong nghiên cứu được xây dựng từ dữ liệu chụp cắt lớp CT bao gồm 3 thành phần chính là: lớp mô bề mặt chủ yếu là mỡ và da; lớp mô sâu chủ yếu là cơ, gân và mạch máu; xương chày và xương mác như trong hình 1.7

Hình 1.7 Mô hình 3D cẳng chân xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT [16]

c Mô hình 3D quần áo

Trong thiết kế quần áo ứng dụng mô phỏng 3D, công nghệ mô phỏng cho phép tạo ra lớp quần áo có các đặc tính cơ học như độ rủ, độ giãn, độ đàn hồi, tính chất bề mặt như loại vải thật Mô hình quần áo trong mô phỏng 3D được tạo ra từ chi tiết 2D ghép lại với nhau hoặc mẫu 3D có hình dạng giống như cơ thể xong kích thước có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo yêu cầu và mục đích sử dụng Mô hình quần áo 3D thường được tạo nên bởi các bề mặt toán học hay lưới đa giác bao gồm các đa giác phẳng, cách nhau bằng các cạnh, tự kết nối các đỉnh [17]

Hình 1.8 Quá xây dựng hình trải từ 3D sang 2D[17]

Tác giả Charlie C L Wang [12] đã sử dụng mô hình khung lưới bề mặt 3D cơ thể người để tạo mẫu thiết kế 3D cho các chủng loại trang phục khác nhau trên cơ sở

sử dụng các điểm đặc trưng, các đường đặc trưng và khung lưới bề mặt cơ thể Đồng thời

sử dụng công cụ tạo hình của phần mềm chuyên dụng để thiết kế trên mô hình khung lưới

Lớp mô sâu

Xương chày và xương mác

Lớp mô bề mặt

bề mặt cơ thể người để dựng các đường, các mảng miếng chi tiết tạo nên các chi tiết của mẫu thiết kế Tiến hành trải phẳng bề mặt mô hình 3D cơ thể người thành bản vẽ 2D Tác giả đã áp dụng thuật toán làm phẳng bề mặt dựa vào quá trình giải phóng năng lượng của hệ thống lò xo để thu được mẫu thiết kế 2D từ bề mặt lưới mô hình 3D như trong hình 1.8

Trong nghiên cứu [1] nhóm tác giả đã xây dựng mô hình tính toán áp lực quần

áo lên cơ thể người từ các mẫu quần áo 2D Các chi tiết 2D quần áo được tạo ra từ phần mềm CAD chuyên ngành sau đó được gán các đặc trưng tính chất cơ học như một loại vải thật như hình 1.9

Hình 1.9 Mô phỏng quá trình mặc quần áo [1]

Tác giả Rong Liu và các cộng sự [15] đã xây dựng mô hình 3D tất nén phân đoạn để mô phỏng áp lực của vải lên cơ thể, mô hình được chia làm bốn phần (phần đùi, gối, bắp và mắt cá chân như trong hình 1.10 Dựa trên chu vi các vòng chân, tính chất cơ học vật liệu và áp lực định trước cho từng phần để tính kích thước và chu vi từng phần tất nén

Hình 1.10 Cấu trúc mô hình 3D tất nén trong ABAQUS

(a) Kích thước mẫu; (b) Phân đoạn tất nén [15]

Tay áo Thân sau áo

Thân

trước

áo Tay áo

Đùi

Gối

Bắp chân

Cổ chân

1.1.3.5 Mô hình thuộc tính cơ thể người và quần áo

Mô hình cơ sinh học trong các nghiên cứu [11, 19, 20], xương được giả định không biến dạng trước những áp lực trang phục lên cơ thể người Vì vậy coi xương là vật liệu cứng tuyệt đối và không đàn hồi Các mô mềm xung quanh xương được cho là đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính Bảng 1.1 giới thiệu thông số về xương

và mô mềm được sử dụng trong các nghiên cứu

Bảng 1.1 Đặc trưng thông số của xương và mô mềm [11]

Nhóm nghiên cứu Bộ phận cơ thể Các thông số đo và giá trị đàn hồi của da Jacob and Patil

1999

Xương bàn chân - Mô đun Young's: E = 7300 MPa

- Tỉ số Poisson: 0,3

Mô mềm bàn chân

- Mô đun Young's: E = 1 MPa

- Tỉ số Poisson: 0,49 Rong liu Mô mềm đùi và

- Khối lượng riêng: W = 9,37 10-10 tấn/mm3

Theo tài liệu [11] nhóm tác giả đã nghiên cứu và đưa ra báo cáo về thuộc tính của da và mô mềm như trong bảng 1.2, 1.3 và 1.4

Bảng 1.2 Thông số đàn hồi hồi của da sử dụng máy đo đàn hồi[11]

Nhóm nghiên cứu Bộ phận cơ thể Các thông số đo và giá trị đàn hồi của da Jemec et al Bàn tay và

cánh tay

- Độ giãn nở: 1,76 mm (bàn tay); 2,22 mm (cánh tay)

- Độ đàn hồi: 58% (bàn tay), 68% (cánh tay)

- Hiện tượng trễ: 0,21 mm (bàn tay);0,20 mm (cánh tay)

Pedersen et al Cánh tay

(Người trẻ và già)

(Người trẻ và già)

- Độ cứng da cánh tay: 1,92 N/mm (người trẻ) 2,86 N/mm (người già)

- Độ cứng da đùi: 1,20 N/mm (người trẻ) 2,10 N/mm (người già)

Bảng 1.3 Hệ số ma sát của da tại 6 điểm giải phẫu[11]

Điểm giải

phẫu

Mu bàn tay

Lòng bàn tay

Mặt trước cánh tay

Mặt sau cánh tay

Mặt trước chân

Mặt sau chân

Hệ số

ma sát

0,47 ± 0,12

0,62 ± 0,22 0,46 ± 0,10

0,43 ± 0,10

0,40 ± 0,10

0,40 ± 0,09

Bảng 1.4 Hệ số ma sát của da với 5 loại nguyên liệu[11]

Nguyên

liệu

Al (aluminum)

Nylon Silicone Sock Pelite

Tác giả Rong Liu và nhóm nghiên cứu [15] ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm tính toán ABAQUS mô phỏng áp lực tất nén áp lực phân đoạn lên phần chân cơ thể với các đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong mô hình

tất nén [15]

Phân

khúc

Khối lượng riêng (W-tấn/mm3)

Mô đun Young's (E 1 - MPa)

Mô đun Young's (E 2 - MPa)

Tỉ số Poisson

(V)

Mô đun Đàn hồi trượt (G 12 - MPa)

Độ dày của vải (T – mm) Mắt cá

chân 1,3.10-10 0,2778 0,1968 0,2756 0,1741 1 Bắp chân 1,1.10-10 0,2138 0,1500 0,3261 0,1101 1 Đầu gối 0,96.10-10 0,1498 0,1031 0,3766 0,0461 1 Đùi 0,85.10-10 0,1474 0,0957 0,3766 0,0400 1 Tác giả Yinglei [20] cùng các cộng sự nghiên cứu sự phân bổ áp lực trên da của một tất nén áp lực phân đoạn bằng phương pháp mô phỏng số Các thông số mô hình vật liệu được sử dụng trong tính toán như bảng 1.6

Bảng 1.6 Đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong mô hình

Mô đun Young's (E 1 - MPa)

Mô đun Young's (E 2 - MPa)

Tỉ số Poisson

(V)

Mô đun Đàn hồi trượt (G 12 - MPa)

Độ dày của vải (T-mm) Mắt cá

chân 2,1.10

-10 0,237 0,157 0,218 0,100 0,75 Bắp chân 2,0.10-10 0,235 0,101 0,235 0,093 0,75

Tác giả Ming Zhang và các cộng sự [21] nghiên cứu sự phân bố áp lực tất chân với hai loại nguyên liệu là Nylon và Cotton Sử dụng mô hình hình học tất giống như

mô hình bề mặt bàn chân đã được mô hình hóa Các loại vải dệt kim có đặc tính cơ học khác nhau theo hướng canh sợi, vải sử dụng trong nghiên cứu được giả thiết dị hướng và đàn hồi tuyến tính Các thông số cơ bản cần thiết trong tính toán mô phỏng

áp lực được thể hiện trong bảng 1.7

Bảng 1.7 Tính chất cơ học của hai mẫu vải dệt kim[21]

Tất

chân

Mô đun Young's (E 1 - MPa)

Mô đun Young's (E 2 - MPa)

Tỉ số Poisson

(v)

Mô đun Đàn hồi trượt (G 12 - MPa)

Độ dày của vải (T – mm) Nylon 0,0446 0,061 0,195 0,02 0,5

Cotton 0,061 0,0728 0,155 0,028 0,85

1.1.3.6 Một số nghiên cứu về mô phỏng số áp lực quần áo lên cơ thể người

Trong nghiên cứu [22], tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm tính toán ABAQUS để mô phỏng áp lực của áo nịt ngực lên bề mặt cơ thể người mặc Nghiên cứu này sử dụng mô hình 3D cơ thể người được xây dựng từ dữ liệu quét toàn thân 3D và giả thiết toàn bộ các phần của cơ thể là loại vật liệu đồng nhất đàn hồi tuyến tính, kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính toán các tác động cơ học của quần áo lên cơ thể người Một nghiên cứu khác [8] tác giả và các công sự đã xây dựng mô hình toán học mô tả các cơ chế tiếp xúc giữa cơ thể người với quần áo, nghiên cứu này sử dụng ma-nơ-canh ảo của phần mềm thương mại để mô phỏng tính toán áp lực lên bề mặt mô hình, ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề mặt cứng không biến dạng trong quá trình mặc, do vậy các tương tác cơ học giữa vải

và các lớp mô mềm cấu trúc bên trong cơ thể không được tính đến

Theo tài liệu [3] các tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được

tích hợp trong phần mềm ANSYS để nghiên cứu áp lực của quần áo lên cơ thể người Với một số điều kiện giả thiết như: Vải là những tấm vật liệu đẳng hướng hoặc trực hướng, cơ thể người là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính Hai loại vải được mô phỏng thông qua các thông số như mô đun đàn hồi E (Young's modulus),

hệ số Poát xông v, khối lượng riêng tấn/mm3; tác giả đã xây dựng thành công mô hình

mô phỏng tính toán áp lực quần áo lên cơ thể với các độ giãn khác nhau như hình 1.11

Hình 1.11 Tính toán áp lực của quần áo bằng phần mềm ANSYS[3]

Hình 1.12 Tính toán áp lực của quần áo lên cơ thể người

Trong nghiên cứu [23] tác giả cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự phân bố áp lực trên da của một tất nén áp lực phân đoạn bằng phương pháp mô phỏng số Nghiên cứu đã xây dựng mô hình 3D cẳng chân cơ thể từ dữ liệu chụp cắt lớp CT gồm 2 thành phần chính là xương và mô mềm Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong phần mềm tính toán ABAQUS mô phỏng tính toán áp lực của tất nén phân đoạn lên phần cẳng chân cơ thể được minh họa trong hình 1.13 và hình 1.14 Dựa trên các đặc trưng thuộc tính cơ học của vải và cơ thể người, nghiên cứu đã thiết lập mô hình cho phép dự đoán và hiển thị sự phân bố áp lực trên da cho từng loại tất nén mà không cần mặc thực tế

Hình 1.13 Biểu đồ phân bố sức căng trên

Kết quả nghiên cứu trên hình 1.13 cho thấy sự phân bố sức căng của tất nén áp lực phân đoạn ở mỗi vị trí là khác nhau, khu vực cổ chân có áp lực lớn nhất Hình 1.14 cho thấy sự chênh lệch áp lực dọc chân mang tất nén áp lực phân đoạn, áp lực phân bố không đều trên các phần khác nhau của chân, áp lực lớn nhất tập trung ở khu vực mắt

cá chân và giảm đều đến vùng đầu gối Điều này rất phù hợp với yêu cầu đặt ra của tất nén áp lực và các kết quả công trình nghiên cứu trước đây

Hình 1.15 Mô phỏng sự phân bố áp lực

trên mặt cắt ngang vùng mắt cá chân [23]

Hình 1.16 Phân bố áp lực đo tại bốn mặt

của khu vực mắt cá chân [23]

Hình 1.17 Mô phỏng sự phân bổ áp lực

trên mặt cắt ngang vùng bắp chân [23]

Hình 1.18 Phân phối áp lực đo tại bốn mặt

của mặt cắt ngang vùng bắp chân [23]

Quan sát mặt cắt ngang tại khu vực mắt cá chân trong hình 1.15 cho ta thấy áp lực cao xảy ra ở những khu vực có bán kính nhỏ hơn, vị trí gần với xương như mắt cá chân trước và gân Achilles Phân bố này hoàn toàn đúng theo định luật Laplace Để kiểm chứng các kết quả trong mô phỏng, nhóm nghiên cứu tiến hành so sánh với giá trị áp lực đo bằng cảm biến Kết quả và sự phân bố áp lực ở chu vi mặt cắt ngang mắt

cá chân nằm trong phạm vi sai số cho phép Hình 1.16 và 1.18 kết quả mô phỏng và sự phân bổ áp lực đo trên mặt cắt ngang vùng bắp chân, chúng ta nhận thấy giá trị áp lực tại bốn hướng điển hình cũng thỏa mãn với yêu cầu đề ra

Trong nghiên cứu [24] Rui Dan và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp phần

tử hữu hạn để mô phỏng xác định áp lực của tất lên phần cổ chân cơ thể Mô hình sử dụng trong mô phỏng tính toán được xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người gồm 3 thành phần chính là da, xương và mô mềm Da và mô mềm được giả thiết là vật liệu đàn hồi tuyến tính, xương chày và xương mác giả thiết có dạng hình trụ Nghiên cứu

đã thử nghiệm trên 6 mẫu tất với kích thước khác nhau, kết quả đã xác định được sự phân bố áp lực, chuyển vị của 72 điểm trên mặt cắt ngang vòng cổ chân như trong hình

Mặt trước

Mặt trước Mặt trước

Mặt trước

Mặt ngoài

Mặt ngoài

Mặt trong

Mặt ngoài

Mặt ngoài

1.19 Ngoài ra, nghiên cứu còn xây dựng được mối quan hệ giữa áp lực và tính chất vật liệu phần trên cùng của tất với các thông số như mô đun đàn hồi, hệ số Poát xông (Poisson), độ giãn đàn hồi, chiều rộng trên cùng của tất

Hình 1.19 (a) Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng cổ chân, (b) Chuyển vị của 72 điểm

trên mặt cắt ngang vòng cổ chân [24]

Phần mềm chuyên ngành trong thiết kế sản phẩm may như V-sticher, Opitex, Lectra 3D Fit [25, 26] giúp ta nhanh chóng mô phỏng quần áo trên mô hình ma-nơ-canh ảo theo thông số kích thước cơ thể người mẫu thật Phần mềm cho phép nhập các thuộc tính cơ học của vải, mô phỏng áp lực trên từng vùng cơ thể như trong hình 1.20 kết quả ch thấy phương pháp này chỉ mang tính chất dự báo và cho biết sự phân bố áp lực tại các các vị trí trên cơ thể người mặc, không lượng tính được giá trị áp lực thực tại các điểm

Hình 1.20 Áp lực áo lên cơ thể người được thể hiện qua biểu đồ màu sắc [26]

1.2 Phương pháp và thiết bị đo áp lực của quần áo mặc bó sát lên

cơ thể người

1.2.1 Các phương pháp và thiết bị đo gián tiếp

Các phương pháp đo áp lực gián tiếp thường không hiển thị trực tiếp áp lực trang phục lên bề mặt mà giá trị áp lực có thể được tính toán từ các kết quả đo Theo tiêu chuẩn XP EVN 12719 [2], đo lực xuất hiện của tất theo chiều ngang khi kéo giãn đồng thời theo cả hai hướng ngang và dọc theo độ giãn cho trước Sử dụng công thức Laplace để chuyển lực đo được sang áp lực của tất lên cơ thể người mặc

Hình 1.21 Áp lực lên bề mặt dưới sức căng T [2]

Giá trị ép nén (áp lực) được tính theo công thức Laplace như sau:

Trong đó: P áp lực của vải lên bề mặt mô hình (đơn vi tính hPa)

T lực kéo giãn của vải (đơn vi tính cN)

r bán kính mô hình (đơn vi tính cm)

Trong nghiên cứu [27] tác giả và các cộng sự đã sử dụng định luật Laplace để tính toán áp lực quần áo lên cơ thể người Việc tính toán áp lực quần áo lên cơ thể người dựa trên một số điều kiện giả định như: Áp lực lên cơ thể tuân theo định luật Laplace; Lực do vải tác dụng lên mô hình là đồng đều trên toàn chu vi; Giá trị các thông số của vải như quan hệ giữa lực và độ giãn sau các chu kỳ lơi được biết trước; Bán kính cong tại các vị trí khác nhau trên cơ thể người đã được biết trước Theo định luật Laplace, áp lực P phụ thuộc vào lực tiếp tuyến F và được xác định theo công thức sau:

Với công thức (1.13) áp lực của vải lên mô hình khối trụ hoàn toàn có thể tính được Việc tính toán áp lực bằng lý thuyết nhằm so sánh với phép đo áp lực bằng thực

(1.12)

P = T/r

nghiệm và đưa ra phương án thiết kế sản phẩm đạt được áp lực mong muốn Tuy vậy phương pháp tính toán bằng lý thuyết vẫn còn nhiều hạn chế, cần nhiều điều kiện giả thiết phi thực tế để tính toán, chỉ áp dụng được cho một số trường hợp nhất định

Tác giả Seyed Abbas và các cộng sự trong nghiên cứu [3] đã xây dựng công thức tính toán áp lực trên mô hình khối tròn xoay như trong hình 1.23

Hình 1.23 Mô hình tính toán tổng quát áp lực của quần áo lên cơ thể người[3]

Xét trường hợp tổng quát, cơ thể người là một khối tròn xoay được tạo bởi phương pháp xoay một đường cong 2D quanh 1 trục Phủ ra ngoài cơ thể một lớp quần

áo bó sát có độ dày là t, khi đó vị trí mỗi điểm trên lớp quần áo sẽ được xác định bởi các thông số: ϕ, θ, r0 như trong hình 1.23

Trong đó: ϕ là góc tạo bởi bán kính cong tại mỗi điểm trên lớp quần áo và trục tung; θ là góc xác định vị trí mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang; r0 bán kính cong của mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang

Xét diện tích nhỏ ABCD trên lớp quần áo được tạo bởi hai mặt cắt đi qua trục xoay và hai mặt cắt theo phương ngang Khi lớp quần áo tác động một áp lực p vào phía trong cơ thể, theo định luật 3 Newton, sẽ có một phản áp lực tác động ngược trở lại lớp quần áo Phản áp lực này sẽ sinh ra ứng suất σθ, σϕ theo phương tiếp tuyến với đường cong kinh tuyến và đường cong vĩ tuyến

áp lực theo phương dọc; r2 là bán kính tại vị trí tính áp lực theo phương ngang

Khi cơ thể người có dạng khối trụ và dạng khối nón cụt ta có công thức tính:

Trong nghiên cứu khác tác giả Thomas, S., Fram, P [28], áp lực của băng vải lên bề mặt mô hình hình trụ được xác định bằng cách đo lực theo chu vi vùng cho trước cần thiết để kéo giãn mẫu tất tương ứng với cỡ thiết kế như trong hình 1.24

Hình 1.24 Băng vải và đo giá trị kéo giãn băng vải[28]

Theo định luật Laplace, áp lực băng vải tỷ lệ thuận với sức căng của nó, và tỷ lệ nghịch với bán kính cong của bề mặt được ép nén

P = F×n×4620

G×S (1.17)

Trong đó: P là áp lực, đơn vị mmHg ; F sức căng, đơn vị Kgf; G chu vi, đơn vị

cm; n là số lớp vải; S chiều rộng băng vải (thông thường khi nghiên cứu, sử dụng băng vải có chiều rộng 10 cm)

Nhận xét : Trên cơ sở công thức Laplace và việc sử dụng các dụng cụ thiết bị

đo độ giãn vải, lực kéo giãn, các thông số kích thước mô hình giả định hoặc mô hình tái tạo cơ thể người ta dễ dàng tính toán áp lực lên từng vùng cơ thể Nhược điểm chính của phương pháp là độ sai số của kết quả tính trong một số trường hợp như sự thay đổi bán kính cong mô hình do tác động áp lực lên bề mặt, các phần cơ thể không hoàn toàn có cấu trúc đặc trưng như hình trụ hoặc nón cụt, sức căng hay lực kéo giãn trên mặt không đồng đều do ma sát giữa bề mặt vải và da cơ thể

1.2.2 Các phương pháp và thiết bị đo trực tiếp

Thiết bị đo AMI 3037 của hãng AMI Techno Co Ltd Nhật Bản [29, 30] Thiết

bị sử dụng đầu đo là cảm biến áp khí có đường kính 20 mm, độ dày 1 mm, khoảng đo

từ 0 đến 34 kPa, sai số trong phạm vi ± 0.03 kPa Cảm biến được sử dụng đo áp lực tiếp xúc giữa quần áo với bề mặt cơ thể người hoặc ma-nơ-canh Hệ thống này có thể cho phép thu thập dữ liệu 10 điểm đo và người quan sát có thể dự đoán được sự phân

bổ tổng thể áp lực quần áo bó sát lên cơ thể con người

Hình 1.25 Đo áp lực của tất chân lên cơ thể người [30]

Thiết bị có thể đo áp lực của trang phục lên các vị trí khác nhau của cơ thể người mặc với độ chính xác cao, sai số lặp lại kết quả giữa các lần đo thấp, kích thước nhỏ gọn Nhược điểm: thiết bị có giá thành cao, nhà sản xuất chỉ cung cấp thiết bị đồng bộ, không cung cấp các chi tiết cấu thành chế tạo thiết bị

Nghiên cứu của tác giả Tao Wu [31] đã thiết kế thiết bị đo áp lực băng nén lên

cơ thể người sử dụng cảm biến lực Các cảm biến lực được gắn vào một chân giả, kết nối với máy tính và hiển thị kết quả đo qua bộ phận xử lý tín hiệu (ADC-16) được minh họa trong hình 1.26, cảm biến có phạm vi đo từ 0 đến 5 N/cm2, sai số nhỏ (trong khoảng ± 0,5%) Cảm biến có kích thước lớn nên thiết bị chỉ phù hợp đo áp áp lực của quần áo lên các mô hình giả định các bộ phận cơ thể người

Hình 1.26 Mô hình thiết bị đo áp lực băng nén [31]

Tác giả Tsang Wai Hang [32, 33] đã sử dụng hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên da cơ thể người Áp lực tạo ra bởi quần bó sát được đo bởi cảm biến đặt bên trong Tác giả sử dụng hệ thống đo áp lực (Flexiforce system) của hãng Tekscan, hệ thống gồm cảm biến, bộ phận xử lý tín hiệu được kết nối với máy tính nhờ phần mềm cho phép kết nối 16 cảm biến với máy tính Kết quả hiển thị bằng thông số và biểu đồ áp lực cho tùng vùng đo như trong hình 1.27

Hình 1.27 Hệ thống đo áp lực (Flexiforce system) của hãng Tekscan [32]

Hệ thống đo sử dụng cảm biến FlexiForce A201 có chiều rộng và chiều dài đầy

đủ tương ứng là 14 mm và 203 mm Đầu nhận tín hiệu cảm biến có đường kính 9,53 mm

và dày 0,208 mm; phạm vi đo trong khoảng 1 đến 4,4 N cho phép đo trong điều kiện nhiệt độ từ (-9°C to 60°C) độ sai số dưới +/-5% Cảm biến Flexiforce là một cảm biến

đo lực dựa trên mối quan hệ của điện trở và áp lực Khi cảm biến không chịu lực tác dụng, trở kháng cảm biến ở mức cao Khi lực tác dụng đặt lên cảm biến, giá trị trở kháng giảm Ta có thể đọc được giá trị trở kháng này bằng cách dùng đồng hồ đo điện

để đo điện trở giữa hai chân ngoài cùng của cảm biến Lực tác dụng lên bề mặt cảm biến và trở kháng/lực tác dụng và điện dẫn (nghịch đảo của trở kháng) Mối quan hệ giữa lực và điện dẫn là tuyến tính, và do đó có thể dùng mối quan hệ này để hiệu chỉnh (calibrate) kết quả đo của cảm biến

Trong nghiên cứu [34] tác giả và các cộng sự đã thiết kế thiết bị đo bằng cảm ứng lực Thiết bị này sử dụng để đánh giá động lực (áp lực động) tiện nghi cho vải hoặc quần áo khi cơ thể vận động Sử dụng cảm biến có độ nhạy cao (loại cảm biến sử dụng để đo áp lực lên cơ thể trong khoảng từ 0 đến 10.000N) đặt giữa quần áo và da

cơ thể Cảm biến hoạt động như một đầu đo và nó được nối với bộ phận kiểm soát hoạt động Đầu đo và bộ phận kiểm soát cho phép hiển thị giá trị áp lực động và lưu trữ thông tin Ngoài ra, giá trị áp lực đo được có thể chuyển sang máy tính, chuyển đổi đơn vị sang N/mm2 và thể hiện ở dạng biểu đồ trên màn hình

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị mô phỏng áp lực của vải đàn tính lên cơ thể người bằng phương pháp khí nén [35,36] Thiết bị gồm một ống thép làm khung với đường kính ngoài bằng 132 mm, ống thép được hàn kín hai đầu, trên bề mặt của nó được khoan các lỗ để hơi có thể thoát ra ngoài Sử dụng ống cao su có đường kính 132

mm, dày 2,5 mm lồng vào ống thép để mô phỏng bộ phận cơ thể người Ống cao su được bọc kín hai đầu để khi cho khí nén vào ống thép thì khí không thoát ra ngoài được Khi tiến hành thí nghiệm, mẫu vải được bọc ở phía ngoài như trong hình 1.28

Hình 1.28 Thiết bị đo áp lực vải lên bề mặt sử dụng nguyên lý khí nén [35]

Sử dụng thiết bị nén khí thổi vào ống thép và khí nén sẽ tác dụng lên ống cao su một áp lực P Áp lực p được xác định bằng một đồng hồ đo áp lực lắp đặt ở đầu ống thép Khi cho áp lực khí nén tác dụng lên ống cao su một cách tăng từ từ, ống cao su sẽ phồng lên và tác dụng lên mẫu vải bên ngoài một lực Ptx Đây chính là áp lực của vải tác động lên cơ thể người khi mặc trang phục Áp lực tiếp xúc làm mẫu vải bên ngoài

bị giãn ra theo phương chu vi Sử dụng dụng một chuyển vị kế lắp đặt ở phía trên mẫu

để đo độ tăng bán kính của mẫu vải bên ngoài Sử dụng công thức để tính toán độ giãn

Đường dẫn khí nén

Đồng

hồ Đồng

hồ

dài tương đối của vải theo phương chu vi Thiết bị còn một số hạn chế như độ giãn của vải không đồng đều, độ giãn tối đa của vải dệt kim trên thiết bị mới đạt 30%; khó điều chỉnh chính xác độ giãn và công thức tính toán phức tạp

Để đo áp lực trực tiếp của vải lên bề mặt cơ thể người [37] trong nghiên cứu này tác giả đã áp dụng nguyên lý: vải được kéo giãn theo một hướng hoặc theo cả hai hướng dọc và ngang với độ giãn xác định, vải nén ép lên bề mặt mô phỏng bề mặt cơ thể người, áp lực vải lên phần bề mặt được xác định nhờ một cảm biến điện tử có độ chính xác đến phần mười gam Giá trị từ đầu đo được thể hiện trên bảng điện tử của bộ phận đo Từ kết quả này, tính áp lực vải lên bề mặt theo công thức:

F = P/S, N/m2 (Pa) (1.18)

trong đó: F - Áp lực trang phục lên (bề mặt) cơ thể người, N/m2 (Pa);

P - Áp lực (tải trọng) đo được bởi đầu đo, N;

S - Diện tích bề mặt của đầu đo

Kiểm tra độ chính xác đầu đo: kiểm tra độ chính xác của đầu đo bằng tải trọng chuẩn Hiệu chuẩn đầu đo và để các tải trọng 5 g, 10 g và 20 g lên bề mặt đo và quan sát kết quả đo Sau khi thực hiện 5 lần với mỗi mức tải trọng chuẩn giá trị trung bình nhận được là 4,98 g, 9,87 và 19,97 g Sai số trung bình của đầu đo là 0,283%

1.3 Phương pháp xác định áp lực tiện nghi và ứng dụng áp lực tiện nghi trong thiết kế quần áo mặc bó sát

1.3.1 Tính tiện nghi của quần áo

Sự tiện nghi của quần áo được thể hiện trên các khía cạnh sau:

- Sự tiện nghi về sinh lý nhiệt: đạt được một trạng thái nhiệt và ẩm tiện nghi, nó liên quan đến sự truyền nhiệt và ẩm qua vải

- Sự tiện nghi về cảm giác: Là các cảm giác thần kinh khác nhau khi vải tiếp xúc với da

- Sự ưa thích về thẩm mỹ: Sự cảm nhận chủ quan của quần áo đối với mắt, tay, tai và mũi, nó điều chỉnh sự khỏe mạnh cả về thể xác và tinh thần của người mặc

- Sự tiện nghi về áp lực: Áp lực lên bề mặt cơ thể được tạo ra bởi độ giãn đàn hồi của vải dệt kim đàn tính cao có tác dụng làm đẹp, chữa các bệnh về giãn tĩnh mạch, phục hồi sau phẫu thuật Tuy nhiên, một áp lực quá lớn sẽ gây ra cảm giác bức bối, khó chịu, làm thay đổi sự bài tiết của da và ảnh hưởng đến khả năng lưu thông máu trong cơ thể người

* Một số định nghĩa về tiện nghi

- Theo GS Lobus Hes [38] tiện nghi được định nghĩa hết sức đơn giản, tiện nghi là cảm giác không đau đớn về nhận thức của người mặc khi sử dụng quần áo -Theo Mine et al [38] lại cho rằng tiện nghi là một trạng thái hài lòng, nó cho thấy có sự cân bằng giữa các yếu tố tâm, sinh lý và thể chất trong cơ thể người khi mặc quần áo

- Celcar, Meinander và Gers (2008)[38] thì cho rằng tính tiện nghi của quần áo

là một trạng thái của cơ thể chịu ảnh hưởng của một loạt các yếu tố và là kết quả của quá trình trao đổi nhiệt giữa cơ thể, quần áo và môi trường

Mỗi quan điểm ở trên đều nêu ra một khía cạnh của tính tiện nghi, nhưng nói chung thì một trang phục tiện nghi là một trang phục cho ta cảm giác thoải mái khi sử dụng

Trong bốn yếu tố trên thì sự tiện nghi về áp lực của quần áo mặc bó sát lên cơ thể người mặc là yếu tố mới được quan tâm nhiều trong khoảng thời gian gần đây Việc xác định áp lực tiện nghi của quần lên từng vùng cơ thể người mặc có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc lựa chọn vải, tính toán các kích thước thiết kế để đảm bảo khả năng định hình và tính tiện nghi áp lực

1.3.2 Nguyên liệu và vải dệt kim sử dụng may quần áo mặc bó sát

1.3.2.1 Các loại nguyên liệu sử dụng may trang phục mặc bó sát

Nghiên cứu khảo sát chất liệu vải sử dụng trong may quần chỉnh hình tạo dáng

cơ thể [39] cho thấy các sản phẩm này đều được làm từ vải dệt kim đàn tính cao thường được dệt từ sợi texture Polyamit hay Polyeste có cài sợi phụ Spandex để tạo độ

co giãn cao, lực ép lên cơ thể

Các xơ đàn hồi [40] được biết đến với các tên thương mai như lycra, spandex

và dorlastan thể hiện đỉnh cao của sự phát triển các xơ nhận tạo Spandex được sử dụng để thiết kế các xơ đàn tính có độ giãn đứt cao hơn 200% và phục hồi nhanh khi

bỏ lực tác dụng, vật liệu trở lại hầu như nguyên kích thước ban đầu của nó Elastan được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực đòi hỏi cao về tính đàn hồi bền vững, ví dụ: quần áo bó sát, quần áo thể thao, tất y tế, trong vải dệt thoi và vải dệt kim

Một số tính chất cơ bản của Spandex:

- Khối lượng riêng 1,1 ÷ 1,3 g/cm3

- Lực kéo đứt của xơ spandex 0,7g/den và có độ giãn đứt trong khoảng 500 ÷

600 %

- Xơ có mầu trắng và xám, dễ dàng nhuộm màu và ít hấp thụ độ ẩm, bền vững với tác động hóa chất và chịu mồ hôi tốt

- Spandex nóng chảy ở 2500C và bị ngả vàng khi ở trong môi trường có nhiệt

độ cao hoặc ánh sáng chiếu trong thời gian dài

Sợi đàn tính cao còn được sản xuất ở dạng sợi lõi, trong đó sợi lõi PU được bọc bởi các loại xơ hoặc sợi filamăng khác như trong hình 1.29

Hình 1.29 Cấu trúc sợi lõi Elastis [40]

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu chế tạo sợi lõi cũng như vải từ sợi lõi Spandex Vải co giãn được sản xuất hiệu từ xơ thiên nhiên bằng cách sử dụng