Với các tính chất sử dụng đặc trưng như độ đàn hồi, xốp, thoáng khí, vải dệt kim thường được ứng dụng để sản xuất hàng may mặc, gồm 5 loại mặt hàng chính như: hàng mặc lót, hàng mặc ngoài, bít tất, găng tay, khăn, mũ và sản phẩm trang trí. Mỗi loại mặt hàng lại được chia thành nhiều nhóm sản phẩm được sử dụng tùy theo nguyên liệu dệt, công dụng của sản phẩm, đối tượng sử dụng, kiểu cách và kích thước sản phẩm, cấu tạo vải và màu sắc. Ngoài ra, vải dệt kim còn được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực khác như khoa học, kỹ thuật, y tế, sinh học…
Vải dệt kim gia công thành sản phẩm qua các phương pháp gia công khác nhau như: phương pháp cắt may (quần áo lót, quần áo mặc ngoài), phương pháp dệt bán định hình (đồ mặc ngoài) và phương pháp dệt định hình (bít tất, găng tay, khăn, mũ, sản phẩm trang trí).
28
Việt Nam sản xuất cả hai loại vải dệt kim đan ngang và vải dệt kim đan dọc. Trong đó, vải đan dọc kém phổ biến hơn với các mặt hàng chủ yếu là màn tuyn.
1.2 Vấn đề mô hình hóa cơ thể ngƣời
Hình 1.28: Hình vẽ mô hình hóa cơ thể người [9]
Theo tài liệu [8], 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; năng lượng trao đổi chất 87,1 W để mô hình hóa. 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 [8].
Yuji Kikuchi và các cộng sự [12] đã nghiên cứu và đưa ra mô hình Flex-PLI. Phần khung xương bao gồm 3 thành phần: phần đùi, phần khớp gối và phần cẳng
29
chân. Phần đùi và phần cẳng chân được làm linh động để tái mô phỏng lại sự chuyển vị của xương dưới tác dụng của lực. Phần khớp gối của mô hình Flex-PLI có cấu trúc hình học đơn giản mô phỏng phần xương và dây chằng. Tuy vậy phần khớp gối có khả năng chịu lực uốn và xé với va chạm.
Hình 1.29: Mô hình Flex PLI [12]
Phần mô được mô được xây dựng bằng tấm nhựa tổng hợp với độ dày 10 mm và 5 mm được bọc bên ngoài phần khung xương đùi, khớp gối và cẳng chân [12].
Takahiro Issiki và các cộng sự đã phát triển mô hình Flex-GT-prototype dựa vào mô hình Flex-PLI 2004 của công ty Honda R&D. Cấu tạo của mô hình Flex-GT – prototype bao gồm ba phần: phần đùi, phần cẳng chân và phần khớp nối. Cấu tạo của phần đùi cũng gồm 2 tấm cao su tổng hợp, ở giữa là cao su 30 và phần trong cùng là phần khung làm bằng kim loại để mô phỏng phần xương người [10].
30
Hình 1.30: Mô hình Flex-GT –prototype [10]
Theo tài liệu [13], Thomas Kinsky đã giới thiệu và so sánh 2 mô hình mô phỏng phần chi dưới của người:
Mô hình 1 gọi là mô hình “EEVC LFI” hay “WG17 impactor” gồm hai ống thép cứng mô phỏng xương đùi và xương chầy, phần gối được cấu tạo bởi hệ thống lò xo và giảm chấn thủy lực. Phủ ở ngoài hệ thống trên là lớp mút dày 25 mm và lớp da bằng cao su tổng hợp dày 6 mm.
Mô hình 2 gọi là mô hình “FlexPLI” cũng bao gồm phần xương đùi và xương chày, được làm bằng sợi thủy tinh và một số phần làm bằng nylon. Mô hình xương này có khả năng chịu uốn như xương người. Phần gối bao gồm hai khối phức tạp, dùng hệ thống lò xo để đại diện cho phần dây chằng. Phần da và các mô được mô phỏng bằng nhiều lớp cao su thiên nhiên và cao su tổng hợp. Để mô phỏng chính xác hình học của chân người, số lượng lớp vật liệu ở phần đùi, khớp gối và cẳng chân là khác nhau.
31
Hình 1.32: Mô hình “Flex PLI” mô phỏng chân người [13]
Từ các tài liệu tổng quan về mô hình hóa phần chân người nếu xét riêng phần đùi có thể rút ra một số kết luận sau:
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.
1.3 Phƣơng pháp xác định áp lực của quần áo lên cơ thể ngƣời 1.3.1 Khái niệm [44]
Áp lực (ký hiệu là p) là giá trị của lực tác dụng trên một đơn vị diện tích theo hướng vuông góc với bề mặt của vật thể.
Công thức: F p A hoặc dFn p dA Trong đó: + p là áp lực + F là lực + A là diện tích tiếp xúc
32
Theo hệ đo lường tiêu chuẩn quốc tế SI, đơn vị của áp lực là Newton (N) trên mét vuông (m2) hay Pascal (Pa). Một đơn vị truyền thống của áp lực được sử dụng phổ biến tại Anh và Mỹ là Pound (lbf) trên inch vuông (in2) viết tắt lbf/in2 hoặc psi. Ngoài ra đơn vị của áp lực có thể là bar, gam lực hay kilogam lực trên centimet vuông (gf/cm2 hay kgf/cm2). Đối với không khí đơn vị của áp suất là atmosphere (at) có giá trị là 1 kgf/cm2 (98,0665 kPa hay 14,223 psi). Một dẫn xuất thông dụng hơn của Pascal (Pa) là kilo pascal (Kpa), 1 kPa = 1000 Pa.
Phạm vi đo lực rất rộng, từ những giá trị rất nhỏ đến những giá trị rất lớn, từ phép đo tĩnh mà các lực tác động là những đại lượng không đổi đến những xung lực tác dụng với tốc độ rất cao như sự va chạm, sóng xung kích... Thực tế cho thấy có lúc phải đo lực có trị số từ 106 đến 108 N, nhưng có khi cần đo lực rất nhỏ 10-5 đến 10-12 như vậy khoảng đo có thể từ 10-12 đến 108. Không có một thiết bị nào có thể đo được lực trong dải đo như vậy. Thường chia lực thành nhiều dải đo khác nhau, mỗi dải đo có thể sử dụng các phương pháp và thiết bị khác nhau. Đặc biệt ở dải đo thấp 10-5 N trở xuống phải dùng các phương pháp đặc biệt để đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu [2].
Đo lực, áp lực, ứng suất và áp suất có thể dùng các loại chuyển đổi khác nhau với các phương pháp đo khác nhau; thông thường có hai phương pháp đo. Phương pháp đo trực tiếp là phương pháp sử dụng các chuyển đổi có đại lượng vào tương ứng với các lực, ứng suất và áp suất cần đo. Đại lượng ra được biến thành các tín hiệu điện, các thông số điện. Mạch đo và chỉ thị kết quả đo không thông qua hệ dẫn truyền trung gian. Phương pháp đo gián tiếp, trong đó sử dụng các phần tử đàn hồi, các hệ dẫn truyền, biến lực, ứng suất, áp suất thành di chuyển. Các chuyển đổi đo các lượng di chuyển từ đó suy ra đại lượng cần đo [2].
1.3.2 Phƣơng pháp đo áp lực [2]
1.3.2.1 Đo lực bằng lực kế
Đo lực bằng phương pháp biến lực thành di chuyển và đo di chuyển để xác định lực, điều đó được thực hiện nhờ các chuyển đổi biến trở, điện cảm, điện dung, điện trở lực căng. Khi đo lực bằng các chuyển đổi trực tiếp thường dùng các phần tử áp
33
điện và áp từ. Giới hạn đo của các dụng cụ này phụ thuộc vào diện tích tác dụng các chuyển đổi. Chuyển đổi áp từ làm việc có độ chắc chắn cao và dải tần từ 20
50kHz. Phần tử áp điện chỉ đo được với lực biến thiên tần số 510 Hz trở lên, không khắc độ được với lực tĩnh.
Giới hạn đo của các dụng cụ phụ thuộc vào cấu trúc của phần tử dẫn truyền, cách lắp ghép chúng. Các dụng cụ đo lực như trên gọi là các lực kế.
Sai số của dụng cụ là 3%.
Ưu điểm của lực kế là đơn giản, dễ chế tạo, dễ sử dụng, độ tin cậy cao không cần khuếch đại tín hiệu ra. Nhược điểm của dụng cụ là không đo được lực biến thiên nhanh.
1.3.2.2 Đo lực bằng phương pháp bù
Để nâng cao độ chính xác của phép đo có thể dùng phương pháp bù đo lực.
Hình 1.34: Sơ đồ thiết bị đo lực bằng phương pháp bù [2]
Lực cần đo P tác động lên thanh dẫn động 1 đến cánh tay đòn 2. Đầu cánh tay đòn phía bên phải mang phần ứng 3 của chuyển đổi hỗ cảm mắc kiểu biến áp vi sai. Khi phần ứng di chuyển tạo ra một điện áp ở đầu ra của biến áp. Điện áp này được đưa vào khuếch đại (KĐ) để tăng tín hiệu ra sau đó đưa đến chỉnh lưu pha. Dòng điện sau chỉnh lưu (Ira) được dẫn đến cuộn dây 4 của chuyển đổi ngược kiểu cảm ứng 5 ở đầu cánh tay đòn bên trái. Dòng điện chạy trong cuộn dây 4 tạo ra một lực đẩy F lên cánh tay đòn bù với lực P.
34
Nhược điểm của thiết bị trên là không đo được lực lớn vì chuyển đổi điện từ ngược có trọng lượng 0,5 kg chỉ có thể đo được lực tác động cỡ 2N. Khi cần đo lực có giá trị từ 57N trọng lượng có thể tăng lên đến 510kg.
Sai số chủ yếu do ma sát của trục quay cánh tay đòn gây nên và do hiện tượng từ trễ của chuyển đổi hỗ cảm.
1.3.2.3 Lực kế chỉ thị số
Một trong những phương pháp đo lực có độ chính xác cao là phương pháp biến lực thành tần số, đo tần số xác định giá trị lực cần đo.
Các chuyển đổi dùng đo lực theo phương pháp này thường là các chuyển đổi điện cảm, điện dung kết hợp với các máy phát tần số LC và RC.
Chuyển đổi điện cảm mắc kiểu vi sai được cung cấp từ hai nguồn máy phát 1 và 2 có tần số bằng nhau 40kHz.
Khi chưa có lực tác động vào chuyển đổi, tần số của máy phát không thay đổi và bằng 40 kHz. Dưới tác dụng của một lực nào đó điện cảm của hai chuyển đổi bị thay đổi làm cho một máy phát tần số tăng còn máy phát kia tần số giảm đi. Nhờ bộ điều chế và bộ lọc, hiệu tần số của hai máy phát được tách ra và đưa vào bộ nhân tăng tần số lên gấp hai lần.
Tần số này được đưa đến bộ tạo xung tạo thành các xung vuông, các xung được đếm bằng chỉ thị số.
1.3.3 Phƣơng pháp xác định áp lực của quần áo lên cơ thể ngƣời
Áp lực của trang phục lên cơ thể người mặc là yếu tố rất quan trọng để đánh giá độ vừa vặn và tính tiện nghi. Đo áp lực trang phục lên cơ thể nhằm phục vụ thiết kế trang phục bó sát như: tất, quần tất, quần áo thể thao, quần áo lót và sản phẩm bó sát trong y tế. Để xác định áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người, hiện nay sử dụng ba phương pháp: phương pháp tính toán, phương pháp mô phỏng và phương pháp thực nghiệm.
35
1.3.3.1 Phương pháp tính toán
Tác giả Krzysztof Kowalski và các cộng sự [16] 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 cần một số điều kiện giả định:
- 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 biểu thức sau:
P =
Trong đó:
F là lực tiếp tuyến hay lực kéo giãn, đơn vị cN.F a.b(a,b là hệ số giãn hồi quy tương đối).
G1 là chu vi khối trụ đơn vị cm S độ rộng băng vải, đơn vị cm
P áp suất, đơn vị hPa (1hPa = 100 Pa).
Hình 1.35: Mô hình áp lực lên hình trụ [16]
Với công thức trên 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
36
thực 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 định phi thực tế để tính toán, chỉ áp dụng được cho một số trường hợp nhất định.
Tác giả Seyed Abbas Mirjalili và các cộng sự [17] đã xây dựng công thức tính toán áp lực trên mô hình khối tròn xoay :
Trong đó: p là áp lực của quần áo lên mô hình t là độ dày của vải
là ứng suất theo phương dọc là ứng suất theo phương ngang
r1 là bán kính tại vị trí tính áp lực theo phương dọc r2 là bánh kính tại vị trí tính áp lực theo phương ngang
Với công thức trên việc tính toán lý thuyết có thể thực hiện được trên mô hình tuyệt đối cứng.
1.3.3.2 Phương pháp mô phỏng [5], [14],[17], [43],
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử [5].
Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần và phương trình tích phân, ví dụ như phương trình truyền nhiệt. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc
37
chuyển phương trình vi phân từng phần sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn...[5]
Phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của hàm. Trong phương pháp phần tử hữu hạn miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con, gọi là phần tử. Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên biên của phần tử được gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán [5].
Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng đó là ổn định số học, nghĩa là những lỗi trong việc nhập dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra xuất ra trở nên vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có những ưu điểm và nhược điểm. Phương pháp phần tử hữu