基于力学原理的袖山结构设计方法

高 光， 高 畅

基于力学原理的袖山结构设计方法

高 光， 高 畅

(涿州高红服饰设计工作室，河北 涿州 072750)

为改进袖山的结构设计方法，用结构力学方法分析袖山结构的力学特征，发现袖山结构的受力平衡机理和相关的人体关键点和关键角，提出袖山结构设计的力学原理，根据人体关键点和关键角数据，建立以肱骨头为中心的三维坐标系统，在此系统内进行袖山结构设计，使袖山适合人体肩臂形态，结构中心线与重心线重合，实现袖山的结构受力平衡。从而用平面结构设计方法，实现立体制板的功能。

袖山设计；制板；结构力学；重力平衡；高级定制

国外曾经用人体解剖的方法，研究袖山的结构[1]，得到其基本轮廓，国内基本据此成果结合经验公式设计袖山[2-3]，但服装在人体上无法达到皮肤的状态，因此，基于人体解剖的结构设计方法有先天不足。而经验公式有局限性，用同样方法给不同体型的人，制作的袖子穿着效果不同，有文献对此进行了实验和研究[4-5]，目前还没有从理论上解决这类问题。

为了改进袖山结构设计方法，本文以受力平衡的视角，探究袖山几何形态中的结构力学原理，并尝试应用该原理进行袖山结构设计。

1 袖山结构的力学特征

1.1 袖山的结构

在文献中，袖山的具体范围比较模糊，对这个区域的上凸和下凹两种曲线也没有细分，不便于划分袖子制作中不同工艺的分界点，也不利于研究袖山结构。

为此，文中把袖子与袖窿的缝合处定义为袖根，对应于人体的臂根，包括袖山和袖底两部分。在图1所示的一片式袖子上，袖山与袖底的分界线是臂宽线，即前后腋点的连线。袖根与袖身的分界线是袖根线（腋下线），即腋下点连线。

1袖根（阴影区），2袖山线，3后腋点，4袖底线，5袖根线，6袖子结构中心线，7袖身，8腋下点，9前腋点

袖山线是上凸的曲线，对应臂根上部。袖底线是两侧下凹的曲线，对应人体腋部。制作袖子时，袖山线有时需要缩缝，袖底线则不需要缩缝。

1.2 袖山的受力分析

袖根连接在袖窿上，承受袖子的重力，其中，袖山是主承重段，袖底是次承重段。

袖山半包覆臂根上部，受到肩部和臂根的向上支撑力、袖子重力产生的向下拉力和材料水平方向的张力，如果受力小于材料破断拉力，则袖山受力平衡。

袖底悬垂在臂根下部（腋部），受到袖子重力产生的向下拉力、袖窿向上的拉力和袖子材料的水平张力，如果受力小于材料破断拉力，则袖底受力平衡。

1.3 袖山侧面的结构受力平衡

袖山的结构受力平衡，是在自然站立的人体上受力平衡时的静态结构平衡。

（1）袖山的侧面在人体正面。合体的袖山与臂根相宜，有利于结构受力平衡；膨胀的袖山外形比臂根大，悬空的部分缺少肩臂支撑，易重力失控而塌陷。

（2）在肩点内的袖山，有肩部支撑，有利于结构受力平衡；在肩点外的袖山，缺少肩臂支撑，依靠材料的拉力能实现受力平衡，但结构不平衡。

（3）袖根截面有平面和非平面两种结构形式，铅垂、倾斜和不规则三种状态。平面结构的铅垂形态有利于结构受力平衡。平面结构的倾斜形态和非平面结构的各种形态，有可能出现局部重力失控，引起结构失衡。

1.4 袖山正面的结构受力平衡

袖山的正面在人体侧面。袖山线适宜肩臂部形态，则形成合体的袖山。袖山线的变化，也可形成造型要求的膨胀袖山。袖底呈悬垂状态，袖底线应该是抛物线。

袖山和袖底的构成，有结构中心线位置和方向、轮廓形三个要素。

（1）结构中心线铅垂的合体袖山，重心线与结构中心线重合，与肱骨头在同一铅垂面上，可实现袖山的结构受力平衡。

（2）结构中心线不铅垂的任何形态袖山，重心线与结构中心线有夹角，袖山结构中心线会向铅垂方向扭转，造成袖山和袖底的结构失衡，出现一侧扯绺，另一侧堆褶。

（3）不合体的袖山，突起的部分，如果悬空，就有可能因重力失控而塌陷，使袖山结构失衡。

1.5 袖山的结构受力平衡机理

由此得到，袖山的结构受力平衡机理，在自然站立的人体上，袖子受到重力作用，其结构中心即是重心，其结构中心线与肱骨头在同一铅垂面上时，袖山均衡承载，袖底自然悬垂，袖山的结构受力平衡。

（1）人的体型对袖山正面结构受力平衡的影响。如图2所示，人自然站立时，手臂自然下垂的状态与腰背部形态有关。挺胸体的身体重心在手臂重心线的前部，肩线则在手臂重心线的后部，以肱骨头为轴心，手臂重心线与肩线间的夹角为后偏角。驼背体的手臂状态，与挺胸体的同理，但夹角是前偏角。可见，手臂重心线与肩线的夹角是影响袖山正面结构受力平衡的人体的特征角，文中将其定义为臂肩角。

因此，以肱骨头为轴，以臂肩角为偏转角，确定袖山结构中心线，才能与重心线重合，使袖山适应不同体型的人体臂肩部特征，实现袖山正面的结构受力平衡。

（2）袖子设计的举起高度，决定袖子侧面结构受力平衡时，结构中心线与铅垂线之间的夹角大小。文中将此夹角定义为绱袖角[6]。绱袖角大，袖根截面与袖子中心线的夹角大，袖山线和袖底线的曲率小。

因此，根据绱袖角设计袖山线和袖底线，才能使袖山饱满，袖子下垂时腋下堆褶少，同时满足设定的人体左右方向的手臂活动。

(a) 挺胸体，(b) 驼背体，B,B＇项背倾角，D,D＇腰背倾角，E,E＇臂肩角，O,O＇上半身重心，H 肱骨头，C 袖山中心线

1袖山顶，2 袖子中心线，3 人体肱骨头，4 后袖山线；5 后腋点（在臂宽线上），6 后袖底线，7 腋下点，8 腋下线，9 臂宽线

2 应用“2A”原理设计袖山结构

根据袖山的结构受力平衡机理，提出袖山结构设计的力学原理。以人体肱骨头为转动轴（Axes），以臂肩角和绱袖角为偏转角（Angle），设计袖山的三维结构，使袖山适合人体肩臂形态，结构中心线与肱骨头在同一铅垂面上，实现袖山的静态结构受力平衡。简称为“2A”原理。

2.1 建立袖山的力学结构模型

根据“2A”原理建立袖山的力学结构模型，如图3所示，肱骨头是袖山活动的转动轴。袖子的结构中心线是袖子活动的偏转线。袖子活动时，袖山以压应力为主，袖底以拉应力为主，臂宽线是两个应力区的分界线。

2.2 臂宽的作用

臂宽是沿大臂表面，前后腋点间的距离，决定袖山的宽度，是影响袖山线曲率的要素之一，反映在袖山结构上是臂宽线。

如图4所示，同样的袖山高，不同臂宽，不同的臂根类型，袖山线的曲率不同。

(1)平常型臂根；(2)骨感型臂根；(3)肥胖型臂根；(4)健壮型臂根

事实上，不同体型的人，臂宽线不一定是水平线，臂宽线与袖根线之间的夹角为臂肩角。但因为臂宽线短，其与水平线的长度差很小，并不会影响袖山的结构平衡，因此，为便于结构设计将其简化为平行于袖根线的水平线。

2.3 确定袖根围和袖肥

实践中，用设计值或臂根围加上放松量，确定袖窿围，也就是袖根围。

2.4 臂根厚度和袖山高的关系

臂根厚度是臂宽线上大臂的厚度，可以和臂宽一起，在人体上测得。从两者的位置关系可以看出，臂根厚度间接决定袖窿宽。臂根厚度大，则袖子的前后径小，则同样臂宽，对应的袖窿宽度小。

c 袖根厚度，α 绱袖角，d 袖窿深，s袖子长径，w臂宽，hs绱袖袖山高

A手臂上缘，H肱骨头，1、2、3肱骨的位置，c2，c3臂根厚度，d2，d3肩头拉伸量（增加的袖山高）

臂根厚度影响袖山线的曲率。如图6所示，手臂以肱骨头为轴，自肩线偏转下落，肩臂上部产生拉伸量，形成臂根厚度的同时，增加袖山高。臂根厚度大，则袖根厚度大，袖山隆起的更高，袖山结构中的袖山高更大，袖山线曲率也大。

2.5 确定袖根厚度

袖根厚度是袖山隆起后，袖根外侧到内侧之间的距离。袖根厚度大，袖子饱满。

袖根厚度由臂根厚度加上放松量确定，制作袖子时使用褶、省等工艺手段，缩短袖山线长[7]，形成隆起的袖根，作为容纳臂根的空间。

袖根厚度（）与袖山线缩缝量（）的结构关系，可以用图7中的模型解释，并求得两者关系式：

c袖根厚度，rr肩头拉伸量（袖山高）

图7 袖山缩缝量与袖根厚度的关系

2.6 确定袖山高

“2A”原理用人体臂根高（即肩点到腋下点高差）加上放松量确定衣身的袖窿深，相应地产生袖山顶到腋下线的距离，定义为初始袖山高（或初始袖根高）。

因此，制板使用的实际袖山高为：

如果制板时，不增加袖根厚度和袖根材料厚度占用的袖山高，会出现袖山顶部塌陷，甚至袖子外侧起吊。

2.7 确定袖山曲线

合体的袖山是根据人体臂根形态，对平展的材料，实施立体造型实现的。因此，袖山曲线取决于袖山与臂根的空间关系。

文献中用袖山高确定袖山曲线[8-9]，未考虑肩臂形态，不涉及袖根厚度和袖根材料厚度占用的袖山高，由此确定的袖山曲线，只能满足袖子的功能，不一定使袖山合体，结构受力平衡。

使用臂肩角、臂根的宽度和厚度确定袖山曲线，能够使袖山满足与臂肩的空间关系。从图4中可见，由臂肩角确定袖山线顶点位置，由臂根的宽度和厚度，确定包覆肩臂部需要的袖山形态，由此形成的袖山曲线，可以保证袖山的合体性和结构受力平衡。这是容易被平面制板方法所忽视，但高级定制服装的袖山结构设计，必须重视和解决的问题。

2.8 袖山曲线与袖窿曲线的匹配

袖山和袖窿的配合，应保证轮廓线曲率相同，使缝合线上受力均匀，才有利于结构受力平衡。

90°的绱袖角，袖窿线和袖根线都接近直线，缝合线容易平服。

不是90°的绱袖角，袖根线和袖窿线都是曲线。如果是截面内倾的袖窿，肩部袖窿线应是凸形线，配袖山的凸形线，腋部袖窿线是抛物线，配袖底的凹形线，如此形成的肩袖形态更饱满、更立体，袖子也更圆顺。

2.9 以肱骨头为轴形成的平袖山结构

袖子以肩点为轴偏转，会得到文献中的直线形平袖山[10]。但实际上，人体活动时，手臂带动袖子以肱骨头为轴向上到平举，袖山上部水平方向压缩，袖山顶高度提升，由此形成的平袖山，袖山顶的弧线依然存在。图8中可见这两种平袖山和对应的袖窿结构，差异明显。

文献中的直线形平袖山，只能配合缝隙状袖窿，形成尖袖底。本文的平袖山结构中，袖根截面为椭圆形，配合同形袖窿，缝合后袖底是抛物线形，袖子造型美观，穿着舒适，更容易满足活动需要。

(a)文献中常见的平袖山，(b)本文推导的平袖山

3 结语

袖山的结构设计涉及适体性、功能性和美观性。功能性和美观性的前提是适宜人体结构和表面特征。因此，适体性是袖山结构设计的基础。

本文用结构力学方法，分析合体袖山在人体上的静态结构受力平衡，从而找到与袖山结构对应的人体关键点和关键角，并提出袖山结构设计的力学原理。

用力学原理设计袖山，使用人体臂肩角和需要的绱袖角，建立以股骨头为中心的三维坐标系统，在此系统内进行袖山结构设计，从而使袖山在合体的同时，实现结构受力平衡。因此，不论制作何种体型或何种款式的袖子，相比使用经验公式的设计方法，袖山都更容易实现设计效果。

这种基于人体表面特征和服装结构力学原理的袖山结构设计方法，有利于高级定制服装的结构设计和制板。

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Design Method of Sleeve Cap Structure Based on Mechanical Principle

GAO Guang, GAO Chang

(Zhuozhou Gaohong Fashion Design Studio，Zhuozhou Hebei 072750，China)

In order to improve the design method of sleeve cap structure, the structural force balance of sleeve cap was analyzed by structural mechanics. The mechanism of force balance of sleeve cap structure and related key points and key angles of human body were found. The mechanical principle of sleeve cap structure design is put forward. According to the data of key points and key angles of human body, a three-dimensional coordinate system with the humeral head as the center is established. In this system, the sleeve cap structure is designed, so that the sleeve cap is suitable for the shoulder arm shape of human body, and the center line of structure coincides with the center line of gravity, so as to realize the structural stress balance of sleeve cap. In this way, the function of three-dimensional pattern making can be realized by the method of plane structure design.

sleeve cap design; pattern making; structural mechanics; gravity balance; advanced customization

高光（1968-），男，高级工程师，研究方向：服装制板研究和服装设计管理.

TS941.61

A

2095－414X(2021)03－0048－05