基于智能假人压力测试系统的服装压性能测试与评价

罗胜利，王永荣，廖银琳，刘 宇

(1. 广州纤维产品检测研究院，广东 广州 511447；2. 广州检验检测认证集团有限公司，广东 广州 511447； 3. 东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051)

压力服装，即能够在人体的特定部位产生压力的服装，包括：具有丰胸、收腹、提臀及美腿功效的塑身衣裤；具有改善下肢血液循环、缓解和治疗静脉疾病功能的医疗纺织品；具有促进体内微循环、增强运动机能的紧身运动衣裤[1]。 持续稳定的服装压是实现以上功能的关键[2]。

服装压力测试是评价压力服装功能性、舒适性、安全性的重要技术[2-3]。 目前，大部分研究者采用人体上测试接触压力，即把压力传感器直接插入压力服装与人体之间[4]，常用的测试系统有Flexiforce压力测试系统[5]、AMI-3037型气囊压力测试系统[6]、Pliance-X压力测试系统[7]，基于Labview虚拟仪器技术的服装压力测量系统[8]、三维压力模拟测试系统[9]等。 这种测试方法能够直接得到受压部位压力值，但是难于形成统一标准的测试方法。其局限性包括：(1)由于人体三维曲率变化，软组织力学性能差异，难于测量；(2)人体处于运动状态，将会引起传感器位置滑移、人体围度变化，造成测量误差；(3)在人体上测试费时，费用昂贵[4]。 现有体外服装压力测试假人为固定三维尺寸的假人，且感压元件是凸点形设计，测试中容易刮挂服装以及引起服装局部变形，从而影响测试结果准确性[10]。 因此，开发一套性能稳定的压力测试系统对评价压力服装性能具有重要意义。 文献[10]研究开发了第一代智能假人服装压测试系统，假人上内嵌8个压力传感器，实时测试各部位的压力值。本文基于第一代智能假人服装压测试系统，进一步优化传感器分布位置、传感器类型以及控制系统，研究开发了第二代智能假人服装压测试系统，并进行了服装压性能测试与评价。

1 试 验

1.1 试验样衣

采用2种经编弹性面料制作样衣，面料规格参数如表1所示。 样衣为无袖紧身衣，其款式和结构如图1所示，将其分别穿着在智能假人身上，测量其9个部位的压力分布。 然后根据胸围、腰围、臀围等关键围度尺寸，按照伸长率制作测试用样衣规格，如表2所示。选用面料不同，因此面料1的样衣分别编号为样衣1-1、1-2、…、1-12，面料2的编号为样衣2-1、2-2、…、2-12，且每个规格样衣制作3件。

表1 样衣面料规格参数

表2 样衣规格尺寸表

1.2 智能假人服装压测试系统

智能假人服装压测试系统与压力传感器分布如图2所示。由图2(a)可知，智能假人服装压测试系统由假人、内藏力值传感器、数据转换器以及其他附件、电脑及其配套软件构成。 假人是女款半身M号服装人体模型(型号为160/84A)；压力传感器测量范围为0～20 kPa，分辨率为10 Pa，感压面积为(1.00±0.01) cm2。图2(b)展示了假人身体各部位的压力传感器分布位置，准确的位置描述如表3所示。 该系统利用接触测量方式为穿着服装的假人进行接触压力检测，该方式重复性强、操作便捷简单，可进行连续测量。

表3 压力传感器测试部位

1.3 试验方法

所有待测样衣在测试前充分应力松弛，并在恒温恒湿实验室至少放置24 h。 每种规格的样衣测试3件，测试结果取平均值。 其中，样衣1-4、1-8、1-12，样衣2-4、2-8、2-12分别连续测试12 h，其他样衣连续测试4 h，分别计算每个时间段10 s内的压力平均值作为0、5、10、20、30、60、120、180、240、300、360、420、480、540、600、660、720 min的服装压力值。 测试步骤：(1)启动服装压测试系统和软件，联机运行；(2)设置测试参数并清零测力传感器；(3)把待测服装穿在假人上，静止5 min；(4)开始测试，软件开始记录待测服装的各部位压力值；(5)重复步骤(1)～(5)，完成其余服装的压力测试。

2 结果与讨论

2.1 不同面料的服装压力分布

样衣1-7和样衣2-7的服装压力测试结果如图3所示。 由图3可知，在相同的人体部位，由于面料性能差异，产生在人体体表同一部位的压力值不同。样衣1-7产生的压力明显高于样衣2-7，原因在于前者面料的氨纶含量更高(如表1所示)，意味着面料单位伸长时需要更大的力。在不同的人体部位，由于人体体表曲率和围度差异，使各点压力值差异明显。 对于样衣1-7而言，压力值排序为腹侧点>腋下点>前腰中点>腹凸点>高腰侧点>肩上点>前胸下部>后腰侧点>肩胛骨点，其中，最大值为2 393 Pa，最小值为1 100 Pa。 对于样衣2-7而言，压力值排序为腋下点>肩上点>腹侧点>高腰侧点>前腰中点>肩胛骨点>腹凸点>前胸下部>后腰侧点，其中，最大值为1 337 Pa，最小值为587 Pa。

2.2 不同样衣伸长率的服装压力分布

在持续穿着样衣30 min后，假人体表检测到的压力分布值如图4所示。由图4可知，除个别部位，两种面料制作的不同规格样衣压力，基本随伸长率的增加而增大。 采用面料2制作的样衣，肩上点的压力波动较大。这是由于测试样衣款式为无袖，在测试过程中，袖窿边缘和领边缘的相对固定位置影响肩上点压力值。

2.3 服装压力疲劳分析

对于不同功能性压力服装，持续稳定的压力分布是实现其功能性的关键因素。 样衣1-8在穿着24 h过程中，服装压力的测试结果如图5所示。 由图5可知，被测假人各个部位随着穿着时间的延长，服装压力逐渐减小，尤其在最初的4 h时，压力衰减比较明显。 这是由于弹性面料固有的应力松弛引起持续穿着中服装压力减小。 因此在压力服装性能评价中，应考虑其压力疲劳性能指标。

在日常穿着服装的时间段中，一般持续穿着达到12 h。 因此，为了评价不同压力服装的压力疲劳性能，选择样衣1-4、1-8、1-12，样衣2-4、2-8、2-12连续12 h穿着在智能假人身上进行压力测试。压力疲劳度Pf, n h是指穿着过程中压力衰减值占初始压力的百分比，如式(1)所示。

(1)

式中：p0为初始压力；pnh为第n个小时的压力值。

(2)

根据式(1)和(2)，分别计算样衣被穿着1、2、…12 h后的压力疲劳度，研究发现，绝大部分样衣在多数测试部位中穿着4 h的压力损失占12 h的压力损失70%以上，如表4所示。由此说明，经过4 h的穿着，服装压力的衰减程度已经很小。 因此，可以采用4 h的压力衰减程度表征不同面料的压力疲劳。

表4 穿着4 h样衣压力疲劳度占穿着12 h样衣压力的疲劳度

面料1制作的所有规格样衣被持续穿着4 h后的压力值、压力衰减值和压力疲劳度，如图6所示。

由图6可知，全部测试部位的服装压力随着伸长率的增加而增大。 伸长率为10%～55%，穿着4 h时压力衰减值随着伸长率的增大逐渐增大，大部分在20～130 Pa。 但样衣伸长率为60%时，在肩上点、肩胛骨点和前胸下部压力值与伸长率55%时相近或稍小，压力衰减值低于伸长率55%时的压力值。 这是由于测试用样衣为无袖款，这些点距离服装边缘如领口、袖窿较近，在试验测试中，由于拉伸较大，在持续测试中不能够保持固定，存在滑移，影响测试结果。 在同一规格样衣中，压力衰减值在不同的测试点存在明显差异，局部曲率半径大的部位，压力衰减值一般较大，由于这些部位拉伸变形较大，产生的应力松弛幅度大。在压力疲劳度方面，除个别点外，都集中于3%～5%，说明面料1具有很好的压力稳定性。

面料2制作的所有规格样衣被穿着4 h后的压力值、压力衰减值和压力疲劳度如图7所示。

由图7可知，在大部分测试部位，服装压力随着伸长率的增加而增大，在肩上点的测试结果波动较大。伸长率一般为10%～55%，穿着4 h的压力衰减值随伸长率的增加而逐渐增大；伸长率为60%，在肩上点和肩胛骨点的压力值与伸长率55%相近或稍小，压力衰减值低于伸长率55%时的压力衰减值。 在压力疲劳度方面，除个别点外，都集中于3%～9%，整体压力疲劳度比面料1偏大，说明其具有相对较差的压力稳定性。 结合面料的纤维成分分析，面料1含有氨纶比例更大，因此说明氨纶含量对压力稳定性有一定的影响。

3 结 语

本文研发的智能假人服装压测试系统，其包含9个嵌在假人体表不同部位的高精度压力传感器，分别是肩上点、肩胛骨点、腋下点、前胸下部、高腰侧点、前腰中点、后腰侧点、腹凸点和腹侧点。此系统能够实时、持续、长时间检测穿着在智能假人身上的压力服装的压力分布，完成体外服装压测试与评价压力服装综合性能。 12种规格的压力服装穿着在智能假人身上，服装压测试系统分别进行连续4、12 h的服装压测试，研究结果表明：(1)在制作的同规格样衣中，由于采用的面料不同，压力分布有明显差异；(2)在多数测试区域，服装压力值随着样衣围度方向拉伸伸长率的增加而增大；(3)连续穿着4 h后的样衣压力疲劳度可用于表征压力服装的压力疲劳性能；(4)连续穿着4 h后，样衣围度伸长率为10%～55%，样衣的大部分测试点压力衰减值随着伸长率的增加而增大，压力疲劳度变化不大，面料1制作的样衣压力疲劳度为3%～5%，面料2制作的样衣压力疲劳度为3%～9%。 此套设备为标准化实验室检测压力服装的压力性能提供了可能。