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

A THƠNG TIN CHUNG VỀ LUẬN ÁN TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN Trong trình mặc, quần áo gây áp lực lên thể người Áp lực có tác dụng chỉnh hình thể, đem đến cảm giác thoải mái tiện nghi mặc, tăng cường khả vận động, phòng chống bệnh giãn tĩnh mạch hỗ trợ điều trị sau phẫu thuật ngược lại đem đến cảm giác khó chịu cho người mặc giá trị áp lực vượt ngưỡng chịu đựng tối đa người Việc xác định áp lực trang phục, đặc biệt trang phục bó sát lên vùng thể sở cho nhà thiết kế lựa chọn ngun liệu, kết cấu sản phẩm, tính tốn kích thước chi tiết phù hợp với mục đích sử dụng trang phục Hiện giới có nhiều phương pháp khác để xác định áp lực trang phục lên thể người mặc trình sử dụng Trong phương pháp mơ số tính tốn áp lực phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến lực đề cập nghiên cứu với u cầu đặt cần tính tốn mơ hình dạng bề mặt cấu trúc thể người, mô đặc trưng học vải - dạng tốn mơ dị hướng trực giao phức tạp kết mô đạt xác, đảm bảo độ tin cậy, khách quan khoa học Với phương pháp đo trực tiếp, phần lớn hệ thống thiết bị sử dụng cảm biến lực để đo áp lực trang phục lên thể người Các cảm biến lực gắn trực tiếp vào thể người trang phục trang phục bề mặt ma-nơ-canh Giá trị hiển thị vị trí đo, từ ta xây dựng biểu đồ áp lực trang phục lên vùng thể người mặc…do hai phương pháp vấn đề khoa học cần nghiên cứu nhằm cung cấp sở liệu quan trọng để thiết kế sản xuất chủng loại trang phục thông dụng chuyên dụng mặc bó sát thể trang phục chỉnh hình thẩm mỹ, thi đấu thể thao, tăng khả hồi phục người bệnh sau phẫu thuật, tất y khoa phòng chống điều trị bệnh giãn tĩnh mạch v.v MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Nghiên cứu xác định áp lực áp lực tiện nghi quần bó sát lên thể người phương pháp mô số thực nghiệm ứng dụng tính tốn thiết kế kỹ thuật sản phẩm quần áo bó sát đảm bảo tính tiện nghi áp lực ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN - Phần thân thể nữ niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25 với phận đặc trưng bụng, mông, đùi - Vải dệt kim sử dụng may quần gen định hình thẩm mỹ - Hệ thống đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến áp lực thiết kế với tính sau: Đầu đo sử dụng cảm biến lực FlexiForce hãng Tekscan Hoa Kỳ có dải đo từ đến 50 mmHg; thiết bị kết nối với cổng USB máy tính qua thu phát không dây Phần mềm cho phép hiển thị kết đo theo thời gian thực, sai số kết đo khoảng 10% NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN - Mô xác định áp lực quần mặc bó sát lên thể người - Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên thể người sử dụng cảm biến áp lực - Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên thể người - Ứng dụng kết tính tốn mơ áp lực kết thực nghiệm xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên phần thân thể, xây dựng cơng thức tính tốn kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN - Xác lập sở khoa học để tiếp tục hồn thiện phương pháp mơ số phương pháp thực nghiệm đo áp lực trang phục bó sát lên thể người - Là sở khoa học để nghiên cứu chế tạo thiết bị thương mại đo áp lực trang phục bó sát lên thể người ứng dụng tính tốn thiết kế sản xuất nhóm chủng loại trang phục đảm bảo độ vừa vặn tính tiện nghi trang phục, góp phần nâng cao giá trị sử dụng, hiệu kinh tế lực sản xuất sản phẩm may mặc đáp ứng cầu ngày cao thị trường nước xuất - Là đóng góp có giá trị việc phát triển, gia tăng tri thức khoa học lĩnh vực thiết kế trang phục Việt Nam GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN - Đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết kế ngược để xây dựng mơ hình cấu trúc 3D thể người từ liệu chụp cắt lớp CT mơ hình bề mặt 3D từ liệu qt 3D Mơ hình 3D kết hợp mơ cấu trúc phần đùi thể người sử dụng làm sở liệu đầu vào cho tốn mơ q trình tương tác học thể người quần áo trình mặc - Đã nghiên cứu phương pháp mơ số tính tốn áp lực quần gen định hình thẩm mỹ lên phần đùi thể đảm bảo độ xác, tin cậy, khoa học khách quan - Đã thiết lập hệ thống đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến áp lực có giá thành hợp lý, thuận tiện sử dụng, có sai số nằm phạm vi cho phép đo áp lực trang phục lên thể người - Đã ứng dụng thành cơng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp phần mềm tính tốn ABAQUS/Explicit mơ xác định áp lực quần bó sát lên phần thân thể người trình mặc - Đã xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên phần thân thể người ứng dụng xây dựng cơng thức tính tốn kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực cho đối tượng nữ niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25 VII NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN - Xây dựng mơ hình 3D kết hợp mơ bề mặt cấu trúc phần đùi thể người gồm ba thành phần chính: da, xương mơ mềm sở liệu quét 3D thể người liệu chụp cắt lớp CT phần thân thể - Xây dựng thành cơng mơ hình mơ tính tốn áp lực quần bó sát lên phần thân thể người tạo tiền đề khoa học cho phương pháp mơ số q trình mặc quần người - trình tương tác học động hệ tiếp xúc bao gồm bốn thành phần (quần áo, da, mô mềm xương) ba bề mặt tiếp xúc (quần áo tiếp xúc với da, da tiếp xúc với mô mềm mô mềm tiếp xúc với xương) - Thiết lập hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên thể người sử dụng cảm biến lực hệ thống đo trực tiếp áp lực quần áo lên thể người Việt Nam để phục vụ công tác thu thập liệu thực nghiệm thiết kế kỹ thuật ngành May - Ứng dụng thành cơng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp phần mềm tính tốn ABAQUS/Explicit để tính tốn mô áp lực, phân bố áp lực quần bó sát lên phần đùi thể người, xây dựng phương trình tương quan áp lực quần bó sát lên thể người với độ giãn ngang vải, xác định khả biến dạng kích thước thể mặc quần bó sát Kết nghiên cứu thực nghiệm xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên phần thân thể sở khoa học xây dựng cơng thức tính tốn kích thước thiết kế quần bó sát có khả chỉnh hình thể đảm bảo tính tiện nghi áp lực VIII KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN Luận án gồm chương: - Chương 1: Nghiên cứu tổng quan - Chương 2: Đối tượng, nội dung phương pháp nghiên cứu - Chương 3: Kết nghiên cứu bàn luận B NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN Trong phần nghiên cứu tổng quan, luận án tập trung tìm hiểu, phân tích ưu nhược điểm phương pháp thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người như: - Phương pháp đo trực tiếp - Phương pháp đo gián tiếp - Phương pháp mô Với phương pháp đo trực tiếp, phần nhiều trang thiết bị sử dụng cảm biến đo áp lực để đo áp lực quần áo lên thể (các phần tử cảm biến chèn vào thể người quần áo) [1] Kết đo thể hình máy tính Phương pháp có ưu điểm cho kết xác kết hiển thị trực tiếp đo, từ ta lập biểu đồ phân bổ áp lực quần áo tất vùng thể Nhược điểm thiết bị phức tạp, giá thành cao, đòi hỏi phải có cảm biến áp lực kích thước nhỏ gọn độ nhạy cao Phương pháp đo gián tiếp, sử dụng dụng cụ thiết bị đo độ giãn vải, lực kéo giãn tính tốn áp lực vải sở cơng thức Laplace [2] Ưu điểm phương pháp thiết bị đơn giản, dễ sử dụng Nhược điểm việc tính tốn áp lực sở cơng thức Laplace, loại trang thiết bị cần có cơng thức tính riêng nhiều thời gian để xác định thơng số vật liệu, thơng số mơ hình tính tốn Phương pháp mơ phỏng, giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng máy tính mô áp lực quần áo lên thể người [3,4] Các nghiên cứu đánh giá áp lực quần áo phù hợp với thể người, tức ngưỡng chịu đựng tối đa thể người mặc quần áo bó sát mà cảm thấy thoải mái Về phương pháp dựa mô vải, mô thể người mô tương tác học quần áo thể người mặc Kết áp lực quần áo lên thể người thể biểu đồ màu sắc khác nhau, lượng hóa giá trị áp lực quần áo vùng thể người mặc Kết nghiên cứu tổng quan trình ngồi nước cho thấy, áp lực quần áo bó sát lên thể người mặc yếu tố quan trọng để đánh giá độ vừa vặn tính tiện nghi trang phục Do tác giả luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu xác định áp lực quần mặc bó sát lên thể người phương pháp mơ số thực nghiệm” Mục đích nghiên cứu luận án xác định áp lực áp lực tiện nghi trang phục sát lên thể người nhằm tạo tiền đề cho việc thiết kế kỹ thuật sản phẩm may mặc thông dụng chuyên dụng đảm bảo tính tiện nghi áp lực sản phẩm yêu cầu tạo áp lực lên thể: quần áo nâng cao thành tích thi đấu vận động viên, tăng khả hồi phục người bệnh sau phẫu thuật, trang phục chỉnh hình thẩm mỹ, tất nén chống giãn tĩnh mạch v.v Nghiên cứu góp phần tạo số loại hình sản phẩm khoa học cơng nghệ có hàm lượng chất xám cao, nâng cao hiệu kinh tế lực sản xuất cho ngành công nghiệp Dệt May Việt Nam CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án là: - Áp lực quần mặc bó sát lên thể người - Hệ thống thực nghiệm đo áp lực quần áo mặc bó sát lên thể người 2.1.1 Cơ thể người Đối tượng nghiên cứu luận án phần thân thể nữ niên Việt Nam có độ tuổi từ 18 đến 25, chiều cao từ 156 ÷ 161cm, vòng ngực từ 84 ÷ 87cm, số BMI 18,5 ÷ 22.9 Các thơng số kích thước phù hợp với cỡ 158B (86-90) theo tiêu chuẩn TCVN 5782-2009 [61] 2.1.2 Vải dệt kim sử dụng may quần mặc bó sát Vải dệt kim loại vải sử dụng rộng rãi may mặc, đặc biệt sản phẩm mặc sát thể người tính chất quý loại vải tính mềm mại, co giãn tốt, tính thống khí, hút ẩm Trong nghiên luận án, mẫu vải dệt kim đàn tính cao sử dụng may quần gen định hình thẩm mỹ hãng Uniqlo Nhật Bản lựa chọn để nghiên cứu Các thông số kỹ thuật mẫu vải sau: - Thành phần nguyên liệu: 92% Polyamit, 8% Spandex - Khối lượng: 157g/m2 - Kiểu dệt: Vải dệt kim đan dọc, sợi chun cài theo hướng dọc mô tả hình 2.1 - Mật độ cột vòng: 210 cột/100mm - Mật độ hàng vòng: 200 vòng/100mm - Số sợi chun: 210 sợi/100mm (a) (b) Hình 2.1 Ảnh chụp cấu trúc bề mặt vải (a) mặt phải, (b) mặt trái 2.1.3 Cảm biến đo áp lực quần áo lên thể người mặc Hiện có nhiều phương pháp đo lực quần áo mặc bó sát lên thể người, thơng dụng phương pháp đo thực nghiệm sử dụng cảm biến dạng áp điện trở Cảm biến Flexiforce A201 hãng Tekscan Hoa Kỳ nghiên cứu lựa chọn để thiết kế chế tạo hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên thể người mặc Cảm biến Flexiforce cảm biến đo lực dựa mối quan hệ điện trở áp lực Khi cảm biến không chịu lực tác dụng, trở kháng cảm biến mức cao Khi lực tác dụng đặt lên cảm biến, giá trị trở kháng giảm Ta đọc giá trị trở kháng cách dùng đồng hồ đo điện để đo điện trở hai chân ngồi cảm biến Cảm biến có kích thước nhỏ gọn, dải đo đáp ứng yêu cầu khảo sát áp lực trang phục lên thể người từ đến 50 mmHg [62, 63] 2.2 Nội dung nghiên cứu 2.2.1 Mô số áp lực quần mặc bó sát lên phần đùi thể người - Xây dựng mơ hình hình học phần chi thể người phương pháp quét 3D - Xây dựng mơ hình cấu trúc mơ hình thuộc tính phần đùi thể người từ liệu chụp cắt lớp CT liệu quét 3D thể người - Xác định mơ hình thuộc tính vải sử dụng nghiên cứu - Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp phần mềm tính tốn ABAQUS để xây dựng tốn mơ số áp lực quần mặc bó sát lên phần đùi thể người 2.2.2 Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên thể người sử dụng cảm biến - Thiết kế nguyên lý hoạt động hệ thống đo áp lực sử dụng cảm biến FlexiForce - Thiết lập hệ thống đo áp lực phần mềm kết nối mạch xử lý với máy tính hiển thị kết đo áp lực - Thiết lập gá đầu đo phù hợp yêu cầu đo áp lực vị trí khác thể người mặc - Đánh giá kết thực nghiệm đo áp lực quần mặc bó sát lên thể người - So sánh đánh giá kết xác định áp lực quần áo bó sát lên thể người phương pháp mơ tính tốn với phương pháp đo thực nghiệm sử dụng hệ thống đo cảm biến FlexiForce 2.2.3 Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên thể người - Nghiên cứu xác lập điều kiện thực nghiệm đo áp lực quần mặc bó sát lên thể người - Nghiên cứu xác định áp lực tiện nghi lên vùng bụng, vùng mông vùng đùi thể người mặc - Xây dựng cơng thức tính tốn kích thước thiết kế quần mặc bó sát cho đối tượng nữ niên Việt Nam đảm bảo tính tiện nghi áp lực trình sử dụng 2.3 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu tài liệu, cơng trình liên quan đến nội dung nghiên cứu luận án, phân tích đánh giá vấn đề nghiên cứu, vấn đề tồn từ xác định hướng nghiên cứu phù hợp với điều kiện thực tiễn Việt Nam - Phương pháp mơ số áp lực quần mặc bó sát lên thể người: + Xây dựng mơ hình 3D phần đùi thể người kết hợp từ liệu quét 3D thể người ảnh chụp cắt lớp CT + Ứng dụng phương pháp PTHH tích hợp phần mềm tính tốn ABAQUS để mơ xác định áp lực quần mặc bó sát lên thể người - Phương pháp thử nghiệm: + Xác định đặc trưng học mẫu vải sử dụng may quần mặc bó sát + Thu thập liệu quét 3D ảnh chụp cắt lớp CT thể người - Phương pháp thực nghiệm: Đo áp lực quần mặc bó sát lên thể người thiết bị đo áp lực tác giả nhóm nghiên cứu chế tạo - Phương pháp tính tốn kích thước thiết kế quần áo: Dựa công thức xác định độ giãn tương đối vải dệt kim đàn tính cao sử dụng may quần mặc bó sát; Mối quan hệ tuyến tính độ giãn ngang vải áp lực vải lên thể người để xây dựng cơng thức tính kích thước thiết kế ống quần theo khoảng giá trị áp lực tiện nghi lên vùng đùi thể người mặc - Phương pháp đánh giá chủ quan: Nghiên cứu tiến hành khảo sát đánh giá cảm nhận áp lực chủ quan 30 người mặc vị trí vòng bụng, vòng mơng vòng đùi sau mặc mẫu quần gen theo thang đánh giá mức cảm nhận người mặc - Phương pháp xử lý phân tích số liệu thực nghiệm: + Sử dụng phần mềm Excel để thống kê phân tích số liệu nhân trắc; lựa chọn 30 đối tượng có độ lệch chuẩn SD chiều cao, cân nặng, vòng bụng, vòng mơng, vòng đùi số BMI phù hợp yêu cầu nghiên cứu Thống kê kết đo mức cảm nhận áp lực tối ưu quần mặc bó sát lên thể người + Sử dụng phần mềm SPSS 20 phân tích số liệu thống kê, xây dựng biểu đồ xác định khoảng giá trị áp lực tối ưu lên vùng thể người mặc 2.3.1 Phương pháp mô số áp lực ống quần lên phần đùi thể người Để mô xác định áp lực quần mặc bó sát lên thể người, trước hết cần xây dựng mơ hình 3D mơ phần đùi thể người ống quần, xác định mơ hình thuộc tính thể người vải sử dụng nghiên cứu Q trình mơ thực theo lưu đồ q trình mơ tính tốn hình 2.2 Hình 2.2 Lưu đồ q trình mơ số áp lực quần bó sát lên phần đùi thể người 2.3.1.1 Xây dựng liệu quét 3D ảnh chụp cắt lớp CT phần chi thể o Cơ sở lựa chọn số lượng đối tượng tham gia thử nghiệm Để đảm bảo tính đại diện độ tin cậy mẫu sử dụng nghiên cứu nhân trắc học ngành may [64], trình lựa chọn mẫu tiến hành qua bước sau: Bước 1: Nghiên cứu tiến hành khảo sát nhân trắc theo phương pháp truyền thống để lựa chọn 350 nữ sinh Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Cơng nghiệp có kích thước phù hợp với cỡ 158B(86-90) theo tiêu chuẩn TCVN 5782-2009 [61] Bước 2: Dựa vào công thức xác định cỡ mẫu (2.1), tiến hành lựa chọn nhóm đối tượng phục vụ nghiên cứu cho luận án 350 nữ sinh theo yêu cầu cụ thể sau: n t * s2 (2.1) e2 đó: t độ sai số chuẩn; s độ lệch chuẩn; e sai số tập hợp Luận án chọn số lượng tối thiểu theo công thức xác định cỡ mẫu mà đảm bảo tính đại diện độ tin cậy kết nghiên cứu [64] Với mức xác suất thường sử dụng nghiên cứu nhân trắc lấy p = 95%; độ sai số chuẩn t = 2,58; sai số tập hợp e = 0,5; độ lệch chuẩn vòng mông s = 0,65, nghiên cứu lựa chọn số lượng là12 đối tượng o Thiết bị sử dụng nghiên cứu[65] - Máy quét toàn thân NX- 16 3D Body Scanner hãng [TC]² phòng máy đo 3D Viện Dệt May - Máy chụp cắt lớp vi tính CT hãng SIEMENS bệnh viện Đại học Y Hà Nội o Quá trình Xây dựng liệu quét 3D ảnh chụp cắt lớp CT phần chi thể Bước 1: Tập huấn cho nhóm đối tượng tham gia nghiên cứu yêu cầu kỹ thuật đo Bước 2: Thu thập liệu số hóa thể người từ máy quét toàn thân 3D Bước 3: Thu thập liệu ảnh chụp cắt lớp từ máy chụp cắt lớp CT 2.3.1.2 Phương pháp xây dựng mơ hình 3D mơ hình dạng, cấu trúc kích thước phần đùi thể người o Xây dựng mơ hình 3D phần đùi thể từ liệu chụp cắt lớp CT Với mục đích phát triển mơ hình sinh học phù hợp với ứng dụng nghiên cứu lĩnh vực dệt may y sinh Nghiên cứu tiến hành xây dựng mơ hình cấu trúc kết hợp liệu quét 3D thể người ảnh chụp cắt lớp CT, mơ hình xây dựng đáp ứng tính chất tính đồng tính thực dụng nghiên cứu mơ số Quá trình thực với trợ giúp phần mềm thiết kế 3D Solidwords, phần mềm ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khí, chế tạo máy mơ tính tốn, đạng dùng phổ biến Việt Nam Hình 2.5 mơ tả sơ đồ khối q trình xây dựng mơ hình cấu trúc 3D thể người từ ảnh chụp cắt lớp CT Hình 2.5 Sơ đồ khối trình xây dựng mơ hình cấu trúc 3D thể người o Xây dựng mơ hình 3D chi thể từ liệu quét 3D thể người Hình 2.6 Lưu đồ trình xử lý mẫu quét [13] 10 o Xây dựng mơ hình 3D kết hợp Kết nghiên cứu cho thấy mơ hình 3D ứng dụng thiết kế sản phẩm ngành may khảo sát nhân trắc học thơng thường trạng thái đứng, ví dụ tư đứng máy quét 3D hãng [TC]2, mơ hình ma-nơ-canh ảo sử dụng thiết kế thử sửa sản phẩm may phần mềm chuyên ngành may Opitex, Lectra 3D, Accumark VStitcher [25, 26] Để nâng cao tính ứng dụng nghiên cứu phát triển sản phẩm may mặc mơ hình cấu trúc 3D xây dựng từ liệu chụp cắt lớp CT tư nằm ngang (tư cố định chụp cắt lớp CT), nghiên cứu đề xuất xây dựng mơ hình kết hợp theo sơ đồ hình 2.7 Dữ liệu quét 3D thể người định dạng file (obj, wrl) Xây dựng mô hình 3D bề mặt thể người Chuyển file liệu mơ hình 3D sang file định dạng IGS - Nhập liệu vào phần mềm - Ghép xương vào mơ hình 3D Hình 2.7 Sơ đồ khối q trình xây dựng mơ hình 3D kết hợp 2.3.1.3 Mơ trình mặc ống quần vào phần đùi thể a Các giả thiết q trình mơ Kế thừa giả thiết nghiên cứu [26, 27, 28], mơ hình thể người sử dụng nghiên cứu bao gồm ba thành phần xương, mơ mềm da Xương coi vật liệu tuyệt đối cứng khơng chịu biến dạng q trình mặc, da mô mềm giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính, đồng đẳng hướng Ứng xử học da mô mềm giả thiết đàn hồi tuyến tính, dị hướng trực giao b Mơ hình thuộc tính thể người vải sử dụng nghiên cứu Bảng 2.1 Các thông số học đặc trưng thể người [24] Thành phần Da Mô mềm Xương Mô đun đàn hồi (MPa) 0,15 0,06 7300 Hệ số pốt - xơng (Poisson) 0,46 0,48 0,3 11 Khối lượng riêng (tấn/mm3) 1,06×10-09 0,937×10-09 1,579×10-09 Mơ hình thuộc tính thể người xác định dựa kết nghiên cứu công bố trước Các thông số học đặc trưng xương, da mô mềm thể người trình bày bảng 2.1 2.3.2 Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên thể người sử dụng cảm biến áp lực Để đánh giá độ tin cậy kết mô tính tốn, kết thu từ nghiên cứu mô đánh giá thực nghiệm Do điều kiện nghiên cứu Việt Nam chưa có thiết bị đo áp lực quần áo trực tiếp thể người mặc Nghiên cứu tiến hành thiết lập hệ thống đo áp lực đáp ứng yêu cầu nội dung luận án đặt Dựa điều kiện linh kiện, khả chế tạo, giá thành so với thiết bị đồng nhà sản xuất, nghiên cứu phân tích ưu nhược điểm, nguyên lý cấu tạo hoạt động loại cảm biến lực sử dụng đo áp lực quần áo lên thể người (nội dung chi tiết trình bày phần phụ lục luận án) Nghiên cứu lựa chọn cảm biến Flexiforce A201 để thiết kế hệ thống đo với tính sau: Thiết bị có dải đo đáp ứng yêu cầu khảo sát áp lực trang phục lên thể người từ đến 7000 Pa (khoảng 50 mmHg); sai số vùng cho phép; thiết bị kết nối với cổng USB máy tính qua thu phát khơng dây Phần mềm cho phép hiển thị kết đo dạng biểu đồ dạng hiển thị số 2.3.3 Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên thể người Dựa kết mô áp lực ống vải lên mơ hình phần đùi thể người mặc theo độ giãn khác nhau, giá trị áp lực phân bố áp lực vùng phần đùi thể người mặc nghiên cứu phân tích thu thập Các kết sử dụng làm sở tham chiếu, lượng hóa giá trị áp lực vị trí cần đo, từ giúp cho q trình đo thực nghiệm dễ dàng rút ngắn thời gian đo, tránh sai số chủ quan người đo đặt cảm biến bị lệch, thể người đo chưa tư thế… CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết mơ tính tốn áp lực quần áo bó sát lên thể người 3.1.1 Kết xây dựng mơ hình 3D kết hợp mơ bề mặt cấu trúc phần đùi thể người 3.1.1.1 Dữ liệu quét 3D thể người 12 Sau tiến hành quét 3D 12 mẫu lựa chọn nghiên cứu, thơng số kích thước thể người trích xuất với 185 số đo 3.1.1.2 Dữ liệu chụp cắt lớp CT Nghiên cứu thu thập số liệu ảnh chụp cắt lớp CT 12 đối tượng nghiên cứu với hai định dạng File JPG DICOM phần thân thể từ ngang eo trở xuống 3.1.1.3 Kết xây dựng mơ hình 3D thể người Nghiên cứu xây dựng thành cơng mơ hình 3D mơ hình dạng, cấu trúc kích thước thể người từ liệu qt 3D ảnh chụp cắt lớp CT (mơ hình kết hợp) hình 3.9 Hình 3.9 Kết ghép xương vào mơ hình 3D xây dựng từ liệu quét 3D thể người 3.1.2 Kết xác định mơ hình thuộc tính vải 3.1.2.1 Kết xác định đặc trưng mẫu vải Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật vải nghiên cứu Thành phần - 92% Polyamit - 8% Spandex Thông số kỹ thuật vải Độ dày (mm) Khối lượng (g/m2) Mật độ cột vòng/100mm Mật độ hàng vòng/100mm Số sợi chun/100mm 0.41 157 210 200 210 3.1.2.2 Kết xác định đặc trưng học mẫu vải Bảng 3.2 Các đặc trưng học mẫu vải sử nghiên cứu W (tấn/mm3) 4,03×10-10 E1 (MPa) 0,3986 E2 (MPa) 0.4122 υ 0,325 G12 (MPa) 0,376 Trong đó: W khối lượng riêng, E1 E2 mô đun đàn hồi (Young's modulus), υ hệ số pốt - xơng, G12 mô đun đàn hồi cắt (Shear modulus), T độ dày mẫu vải 13 3.1.3 Kết xây dựng mô hình mơ tính tốn áp lực quần bó sát lên phần đùi thể người Hình 3.12 Mơ hình cấu trúc 3D cẳng chân xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT - (a) Mơ hình da, (b) mô mềm, (c) xương Trong phạm vi nghiên cứu luận án, cấu trúc chân phải sử dụng nghiên cứu chia làm ba phần da có độ dày 1,5 mm [75], mô mềm xương Dựa đặc điểm nhân trắc phần đùi thể [61] để xác định vị trí vòng đùi vòng đùi 1, vòng đùi vòng đùi 7; khoảng cách vòng đùi 135 mm Căn vào yêu cầu phân tích kết mô số áp lực ống quần lên phần đùi thể theo chiều dọc ngang, mơ hình da chia thành mặt cắt ngang, mặt cắt ngang đại diện cho vòng đùi thể người mặc; mặt cắt ngang cách 45 mm hình 3.12 3.1.3.1 Xây dựng mơ hình 3D ống quần Ống quần có chiều dài 280 mm xác định dựa kích thước phần đùi thể người mặc [61], để phục vụ cho nghiên cứu xác định phân bố áp lực chiều dài ống quần chia thành vòng, khoảng cách vòng 45 mm tương ứng với khoảng cách vòng mơ hình phần đùi thể người mặc Chu vi vòng tính tốn dựa sở công thức (2.9) Nghiên cứu lựa chọn độ giãn ngang vòng ống vải từ 10 đến 50%, độ giãn thường sử dụng thiết kế quần áo bó sát [10, 50, 56] 3.1.3.2 Chia lưới mơ hình Mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng mơ chứa 28.000 phần tử, mơ hình cẳng chân chọn kiểu phần tử tuyến tính cho da, mơ mềm xương có ký hiệu R3D4 (tứ diện có nút), có kích thước phần tử trung bình mm hình 3.15 a, b, c Mơ hình ống quần sử dụng kiểu phần tử tuyến tính có ký hiệu S4R (tứ giác có nút) có kích thước trung bình mm (hình 3.15d) 14 (a) (b) (c) (d) Hình 3.15 Chia lưới mơ hình (a) Lưới mơ hình da; (b) Lưới mơ hình mơ; (c) Lưới mơ hình xương; (d) Lưới mơ hình vải 3.1.3.3 Thiết lập điều kiện biên Hình 3.16 Điều kiện biên xương ống vải mơ hình PTHH Trong suốt q trình mặc, xương cho khơng bị làm biến dạng, tất nút bề mặt lưới xương không bị dịch chuyển theo hướng đường biên Cạnh ống quần di chuyển theo chiều dọc từ cổ chân lên với khoảng cách 305 mm thời gian 10 giây [14, 15], phía chu vi ống tự biến dạng theo hình dạng mơ hình cẳng chân thể hình 3.16 3.1.3.4 Chạy giải tốn mơ Q trình chạy giải tốn mơ phỏng, phân tích kết mơ thực nhờ phần mềm tính tốn ABAQUS, nội dung chi tiết 15 (d bước xây dựng toán mơ trình bày phần phụ lục luận án Kết thu từ nghiên cứu mô đánh giá thực nghiệm để xác định độ xác kết mơ 3.1.4 Kết mơ tính tốn áp lực quần áo mặc bó sát lên thể người 3.1.4.1 Phân bố áp lực bề mặt sau mặc Mặt phía trước Mặt phía sau Mặt bên ngồi Mặt bên Hình 3.17 Mơ áp lực lên bề mặt đùi sau mặc Quan sát biểu đồ màu sắc hình 3.17 ta nhận thấy áp lực lớn khu vực có màu xám, Áp lực điểm lớn vị trí vòng gối đạt 40.9 mmHg, áp lực giảm dần từ lên (từ vòng đùi lên đến vòng đùi 1) Khu vực mặt mặt đùi cho thấy áp lực thấp Điều giải thích cấu trúc bề mặt khoảng cách bề mặt da với xương đùi, áp lực thường tập trung khu vực có bán kính cong lớn Dựa vào biểu đồ màu sắc giúp nhà thiết kế trang phục mặc bó sát dự báo phân bố áp lực vùng thể người mặc, từ hiệu chỉnh kích thước thiết kế để tạo áp lực tối ưu theo chức trang phục 3.1.4.2 Phân bố áp lực mặt cắt ngang vòng đùi Trong thiết kế trang phục mặc bó sát thể người quần gen định hình thẩm mỹ, tất y tế, quần áo bơi Tính tốn kích thước dựng hình thiết kế phần ống quần dựa chủ yếu vào kích thước vòng đùi (vòng đùi trên, vòng đùi vòng đùi giữa) [51, 52, 53] Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn ống quần có độ giãn ngang 40% để phân tích phân bố áp lực mặt cắt ngang vòng đùi 1, 7, kết minh họa qua biểu đồ hình 3.18, 3.19 3.20 16 Áp lực (mmHG) Vòng đùi 14 12 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Góc /0 Áp lực (mmHG) Hình 3.18 Phân bố áp lực mặt cắt ngang vòng đùi Vòng đùi 14 12 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Góc /0 Hình 3.19 Phân bố áp lực mặt cắt ngang vòng đùi Vòng đùi Áp lực (mmHG) 50 40 30 20 10 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Góc /0 Hình 3.20 Phân bố áp lực mặt cắt ngang vòng đùi 17 Dựa kết phân tích nêu ta nhận thấy mặt cắt ngang, áp lực tập trung khu vực có bán kính cong nhỏ cổ chân phía trước phía sau; bắp chân phía ngồi phía trước 3.1.4.3 Phân bố áp lực theo chiều dọc đùi Để nghiên cứu thay đổi áp lực theo chiều dọc đùi với độ giãn khác từ 10 đến 50% Áp lực trung bình 72 điểm đo mặt cắt ngang vòng đùi tổng hợp tính tốn minh họa hình 3.22 Áp lực (mmHg) 16.0 14.0 Giãn 10% Giãn50% Giãn 30% Giãn 20% 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Vòng đùi Vòng đùi Vòng đùi Vòng đùi Vòng đùi Vòng đùi Vòng đùi Hình 3.22 Phân bố áp lực theo chiều dọc đùi 3.1.4.4 Ứng suất vị trí bề mặt ống vải Để mơ tả ứng suất sinh ống vải bị kéo giãn q trình mặc, ứng suất 12 vị trí vòng (vòng 1, vòng vòng 3) ống vải lựa chọn để phân tích Các vị trí thuộc phần tử mặt ngồi, mặt trước, mặt mặt sau ống vải Ứng suất sinh trình mặc thể qua biểu đồ màu sắc Ứng suất miệng ống vải tăng dần trình mặc phân bố ổn định ống ống quần mặc xong vào mô hình phần đùi thể Dựa kết phân tích cho thấy tương tác học thể người quần áo trình mặc, từ lựa chọn vật liệu phù hợp để thiết kế sản phẩm đảm bảo yê cầu kỹ thuật trình sử dụng 3.1.4.5 Mối qua hệ áp lực độ giãn ngang vải Áp lực lên vòng đùi theo độ giãn ngang khác thu thập phân tích phần mềm Excel Sau vẽ biểu đồ biểu thị mối quan hệ áp lực mẫu quần bó sát lên phần đùi thể người theo độ giãn ngang vải từ 10 đến 50% Kết thể hình 3.25 18 16.0 Vòng đùi Vòng đùi Vòng đùi 14.0 Áp lực (mmHg) 12.0 y = 2.628x + 1.026 R² = 0.9818 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 Giãn 10% Giãn 20% Giãn 30% Giãn 40% Giãn 50% Hình 3.25 Mối qua hệ áp lực độ giãn ngang vải Từ ta tìm quy luật ảnh hưởng độ giãn vải tới áp lực quần bó sát lên phần đùi thể người mặc theo phương pháp tính tốn mơ có dạng hàm số bậc nhất, hệ số tương quan hai đại lượng cao đạt R2 = 0,9938 thể mối tương quan chặt chẽ Trong phương trình cụ thể có dạng trình bày bảng 3.5 Bảng 3.5 Hệ số tương quan áp lực độ giãn ngang vải vị trí vòng đùi 3.1.4.6 Mối quan hệ độ giãn ngang độ giảm kích thước vòng đùi Giảm kích thước Vđ (cm) 1.2 Vòng đùi 1.0 y = 0.124x + 0.52 R² = 0.9203 y = 0.138x + 0.1 R² = 0.979 0.8 0.6 0.4 y = 0.098x + 0.066 R² = 0.9129 0.2 0.0 Giãn 10% Giãn 20% Giãn 30% Giãn 40% Giãn 50% Hình 3.26 Mối quan hệ độ giãn ngang độ giảm kích thước vòng đùi sau mặc 19 Nghiên cứu tiến hành đánh giá khả định hình thể khoảng giá trị áp lực tiện nghi [69,70], tương đương với độ giãn ngang vải 30% vị trí vòng đùi 1, vòng đùi vòng đùi Các số liệu bảng thống kê cho ta thấy, Vòng đùi có thay đổi kích thước đường cong mơ đường cong biến dạng nhiều so với vòng lại Với độ giãn ngang 40% ống quần, độ giãn tạo giá trị áp lực tiện nghi [69,70] chu vi vòng đùi giảm 1.04 cm; Vòng đùi đùi có độ giảm kích thước nhỏ 0.47 cm Vòng đùi có hệ số tương quan lớn R2 = 0.979 thể mối quan độ giãn ngang ống vải độ giảm kích thước vòng đùi sau mặc Độ giãn từ 10% đến 30% vòng đùi có độ giảm kích thước tương độ giãn ngang vải., độ giãn tặng mức 40% 50% kích thước vòng đùi giảm song khơng tuyến tính với độ giãn 3.2 Kết thiết lập hệ thống đo áp lực quần lên thể người Luận án thiết lập hệ thống thiết bị đo áp lực trang phục lên thể người Thiết bị gồm cảm biến flexiforce A201 kết nối với phần mềm máy tính qua mạch khuếch đại thu phát tín hiệu khơng dây mơ tả hình 3.36 Hình 3.36 Thiết bị đo áp lực TP lên thể người sử dụng cảm biến Flexiforce đó: - Cảm biến Flexiforce A201; - Dây dẫn kết nối cảm biến với mạch khuếch đại đo; - Mạch khuếch đại đo; - Mạch phát tín hiệu RF; Nguồn điện; - Mạch thu tín hiệu RF; - Mạch chuyển đổi kết nối UART sang USB; - Máy tính PC Phần mềm thiết bị đo cho phép người dùng theo dõi lực tác dụng lên cảm biến theo thời gian thực, ghi lại thông tin này, thuận tiện cho việc xem lại phân tích sau Trong phần mềm ta hiệu chỉnh theo nhiều điểm, tùy biến giao diện hiển thị kết đo dạng biểu đồ cột số, lựa chọn đơn vị kết đo Pa, kPa, hPa, mmHg gram Tùy theo yêu cầu sử dụng mà thiết bị thiết kế với số kênh đo khác (mỗi kênh cảm biến FlexiForce) 20 Hình 3.37 Giao diện phần mềm tính tốn hiển thị kết  So sánh kết mô đo thực nghiệm 16.0 Kết mơ Kết tốnnghiệm Kếtquả quảtính đo thực Áp lực (mmHg) 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 VĐ1- VĐ1- VĐ1- VĐ1- VĐ4- VĐ4- VĐ4- VĐ4- VĐ7- VĐ7- VĐ7- VĐ7trước sau trước sau trước ngồi sau Hình 3.41 Biểu đồ so sánh kết mô đo thực nghiệm Từ kết tổng hợp, phân tích bảng 3.6 hình 3.21 ta thấy kết đo thực nghiệm có giá trị thấp hơn; có xu hướng thay đổi tương tự kết mô Vòng đùi có kết đo thực nghiệm chênh lệch so với kết mô lớn Sai số nhỏ tính tốn 5.5% lớn 17.1%, sai số trung bình hai phương pháp đo 12.6% Dựa kết phân tích nêu trên, chúng tơi tiến hành thảo luận với kết đo áp lực quần áo lên thể người mặc công bố công trình nghiên cứu ngồi nước trước [14,15] Có thể khẳng định phương pháp mơ tính tốn hồn tồn áp dụng thực tế, giúp cho ta nhanh chóng dự báo, xây dựng biểu đồ áp lực trang phục lên vùng thể người mặc, tiết kiệm thời gian chi phí 21 3.3 Kết thực nghiệm đo áp lực quần áo mặc bó sát lên thể người Giá trị áp lực điểm tương ứng với mức độ cảm nhận theo thang đánh giá áp lực chủ quan 1, lựa chọn để thống kê phân tích Phạm vi áp lực tiện nghi vị trí thể người mặc thể bảng Bảng 3.13 Khoảng giá trị áp lực tiện nghi lên vòng thể người mặc Vị trí Vòng bụng Vòng mơng Vòng đùi Vòng đùi Khoảng giá trị áp lực tiện nghi 4,56 đến 9,87 mmHg 6.04 đến 11,7 mmHg 3,52 đến 8,87 mmHg 4,54 đến 10,2 mmHg Kích thước vòng bụng, vòng mơng vòng đùi sau mặc mẫu quần q trình thí nghiệm 30 đối tượng nghiên cứu xác định tổng hợp, phân tích tính giá trị trung bình Do lớp vải mỏng, ta coi kích thước vòng vị trí đo mặc với kích thước vòng số đo thể Các thơng số trình bày bảng 3.14 Bảng 3.14 Áp lực trung bình độ giảm kích thước vòng thể người mặc Mẫu M1 M2 M3 M4 M5 Vòng bụng Độ giảm Áp lực kích (mmHg) thước (cm) 14,56 2,1 11,10 1,7 7,42 1.2 4,99 0,6 2,53 0,25 Vòng mơng Độ giảm Áp lực kích (mmHg) thước (cm) 15,27 1,9 10,23 1,2 7,07 0,7 4,62 0,4 2,76 0,2 Vòng đùi Độ giảm Áp lực kích (mmHg) thước (cm) 15,86 1,73 10,32 1,38 8,28 1,13 5,44 0,83 3,27 0,14 Vòng đùi Độ giảm Áp lực kích (mmHg) thước (cm) 16,91 0,9 11,81 0,65 9,64 0,4 5,42 0,2 3,08 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN Với mục tiêu nghiên cứu xác định áp lực áp lực tiện nghi quần bó sát lên thể người phương pháp mô số thực nghiệm, ứng dụng tính tốn thiết kế kỹ thuật sản phẩm quần bó sát đảm bảo tính tiện nghi áp lực, nội dung luận án tập trung giải vấn đề bám sát mục tiêu đặt luận án Luận án đạt kết sau: 22 Đưa phương pháp xây dựng mơ hình cấu trúc 3D chi thể người từ liệu quét 3D ảnh chụp cắt lớp CT thể người Mơ hình 3D phần đùi bao gồm ba thành phần là: da, xương mơ mềm So sánh chu vi đường cong biên dạng đo vị trí mặt cắt ngang hai mơ hình 3D cho kết sai số trung bình khoảng từ đến mm, mơ hình 3D xây dựng từ liệu quét 3D thể người thông thường cho kích thước lớn mơ hình tái tạo từ liệu chụp cắt lớp CT Bằng phương pháp thực nghiệm xác định đặc trưng học mẫu vải sử dụng nghiên cứu như: khối lượng riêng W = 4,03E-10 tấn/mm3, mô đun đàn hồi theo hướng dọc E1 = 0,3986 N/mm2 ngang, E2 = 0.4122 N/mm2, hệ số pốt – xơng v =0,325, mô đun đàn hồi trượt G12 = 0,376 N/mm2 độ dày mẫu vải T = 0,39 mm Đã ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn tích hợp phần mềm tính tốn ABAQUS/Explicit để mơ xác định áp lực ống vải lên phần đùi thể người trình mặc Trong q trình tính tốn mơ phỏng, luận án đưa giải thiết trình mô ứng xử học thể - quần áo sau: - Quá trình mặc quần bó sát lên phần đùi thể người coi trình tương tác học động hệ tiếp xúc bao gồm bốn thành phần (quần áo, da, mô mềm xương) ba bề mặt tiếp xúc (quần áo tiếp xúc với da, da tiếp xúc với mô mềm mô mềm tiếp xúc với xương) - Về mặt vật liệu, xương coi vật liệu tuyệt đối cứng không chịu biến dạng q trình mặc Da mơ mềm giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính, đồng đẳng hướng Vải dệt kim sử dụng may quần bó sát coi vật liệu đàn hồi tuyến tính dị hướng trực giao - Ứng xử học vải (quần áo) với da, da với mô mềm, mô mềm với xương giả thiết đàn hồi tuyến tính dị hướng trực giao Đã thiết lập hệ thống đo áp lực trang phục lên thể người sử dụng cảm biến lực thiết kế với tính sau: Đầu đo sử dụng cảm biến lực FlexiForce hãng Tekscan Hoa Kỳ có dải đo từ đến 50 mmHg; thiết bị kết nối với cổng USB máy tính qua thu phát khơng dây Phần mềm cho phép hiển thị kết đo theo thời gian thực, sai số kết đo khoảng 10% Hệ thống đo áp lực chế tạo sử dụng cảm biến lực có giá thành hợp lý, thuận tiện sử dụng, có sai số trung bình so với kết phương pháp mơ 12 vị trí 23 đo phần đùi 12,6%, sai số nằm phạm vi sai số cho phép đo áp lực trang phục lên thể người Kết mô tính tốn đánh giá, so sánh với kết đo thực nghiệm sử dụng hệ thống đo áp lực luận án chế tạo Đồng thời tiến hành phân tích, so sánh với kết mơ tính tốn kết đo thực nghiệm áp lực quần áo lên thể người công bố cơng trình nghiên cứu ngồi nước trước Có thể khẳng định phương pháp mơ tính tốn hồn tồn áp dụng thực tế, tiết kiệm thời gian, giảm yếu tố phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu, điều kiện sở vật chất sử dụng nghiên cứu Dựa kết mơ tính tốn đo thực nghiệm, nghiên cứu xây dựng phương trình tương quan áp lực độ giãn đàn hồi vải Các phương trình hồi quy tuyến tính vòng đùi vòng đùi 4, hai vòng đùi thường sử dụng tính tốn thiết kế quần mặc bó sát sau: Phương trình tương quan xây dựng từ kết mô Yvđ1 = 1,065x + 0,545 Yvđ4 = 1,451x + 0,759 R2 = 0,9938 R2 = 0,9946 Phương trình tương quan xây dựng từ kết đo thực nghiệm Yvđ1 = 0,6225x – 3,701 Yvđ4 = 0,5707x – 2,7486 R2 = 0,9865 R2 = 0,9917 Hệ số tương quan R2 phương trình xây dựng từ kết mơ tính tính tốn đo thực nghiệm xấp xỉ thể mối tương quan chặt chẽ Do ta sử dụng kết hai phương pháp để tính độ giãn vải theo khoảng giá trị áp lực tiện nghi lên vùng thể người Đã xác định áp lực tiện nghi quần bó sát lên vùng bụng, vùng mông vùng đùi thể người cụ thể: vùng bụng 4,56 đến 9,87 mmHg; vòng mơng 6.04 đến 11,7 mmHg; vòng đùi 3,52 đến 8,87 mmHg; 4,54 đến 10,2 mmHg Các kết ứng dụng để xây dựng cơng thức tính tốn kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực cho đối tượng nữ niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25 Đây coi kết nghiên cứu quan trọng bước đầu cho nghiên cứu sâu tính tốn thiết kế quần áo bó sát đảm bảo tính tiện nghi trang phục nói chung tiện nghi áp lực trang phục nói riêng 24