Phương pháp thực nghiệm là phương pháp sử dụng các loại cảm biến để đo lực và sau đó chia cho diện tích tiếp xúc của đầu đo để thu được kết quả là giá trị áp lực. Hiện nay có một số hãng cung cấp các loại cảm biến lực với dải đo lực nhỏ (khoảng một vài N) phù hợp với việc đo áp lực của quần áo lên cơ thể như hãng AMI techno và hãng Tekscan.
40
Trong tài liệu [7], [14] các tác giả sử dụng hệ thống cảm biến AMI 3037-2 để tiến hành đo áp lực quần áo lên cơ thể.
Bảng 1.1: Thông số của cảm biến AMI 3037-2
Đường kính cảm biến (mm) 15
Khoảng đo (gf/cm2) 0.0 – 70.0 Độ chính xác (gf/cm2) ±1.5 Chiều dài dây nối (m) 1.5
- Ưu điểm của hệ thống cảm biến AMI:
+ Đo được giá trị lực nhỏ với độ chính xác cao + Độ ổn định giữa các lần đo rất lớn
+ Kích thước tương đối nhỏ gọn - Nhược điểm:
+ Chi phí cao
Ngoài ra còn một số loại cảm biến lực và áp lực khác như cảm biến Flexiforce của hãng Tekscan, ưu điểm của loại cảm biến này là có giá thành chấp nhận được.
Hình 1.39: Cảm biến Flexiforce model mã A201 Bảng 1.2: Thông số của cảm biến Flexiforce A201
Chiều dày 0.203 mm
Chiều dài 14 mm
Diện tích đo 9,53 mm
Số chân kết nối 3 chân
Sai số tuyến tính <±3%
Sai số phép đo lặp <±2,5% so với giá trị đo Sai số trễ <±4,5% so với giá trị đo Thời gian phản ứng <5 micro giây
41
Khoảng giá trị đo lực 0 – 4,4 N 0 – 110 N 0 – 440 N
Sự nhạy cảm với nhiệt độ Sai số tới 0,2% khi tăng 1 độ F
1.4 Kết luận chƣơng 1
Qua việc nghiên cứu tổng quan cho thấy :
Trang phục bó sát rất đa dạng về chủng loại như tất, quần tất, quần áo thể thao, đồ bơi, quần áo lót, trang phục áp lực trong y tế và chỉnh hình thẩm mỹ. Trang phục bó sát có lịch sử hình thành và phát triển lâu dài, trải qua nhiều thời kỳ. Chất liệu của trang phục bó sát rất phong phú từ các loại vải có nguồn gốc thiên nhiên như cotton, lanh, đay gai, tơ tằm, da và lông thú cho đến các loại vải có nguồn gốc nhân tạo như polyester, nylon, spandex…
Trang phục bó sát ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong đời sống của con người và ngành công nghiệp thời trang. Ngoài tác dụng bảo vệ cơ thể và làm tôn lên vẻ đẹp hình thể một nhóm sản phẩm khác cũng thuộc trang phục bó sát là trang phục áp lực còn có tác dụng chữa bệnh, nâng cao thành tích thi đấu thể thao và là sản phẩm tạo hình thẩm mỹ.
Để trang phục áp lực có thể phát huy tác dụng tối đa trong điều trị bệnh, nâng cao thành tích thi đấu và làm đẹp việc nghiên cứu áp lực của trang phục lên cơ thể là hết sức cần thiết. Nếu áp lực của trang phục lên cơ thể quá nhỏ sẽ không phát huy được hiệu quả điều trị, áp lực quá lớn sẽ phản tác dụng, gây khó chịu, tắc nghẽn lưu thông mạch máu và có thể làm bệnh tình trầm trọng hơn.
Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp xác định áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người như tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm để đo áp lực của trang phục lên cơ thể người. Tuy vậy ở Việt Nam chưa có nhiều công trình công bố về hướng nghiên cứu này.
Việc nghiên cứu, tính toán và đo áp lực trang phục lên cơ thể người là công việc không hề đơn giản bởi sự phức tạp của cơ thể người cả về hình dạng hình học và cấu tạo, hơn nữa các thiết bị đo áp lực có nguồn gốc từ nước ngoài hiện nay đòi hỏi
42
đầu tư với nguồn kinh phí rất lớn. Đề tài “Nghiên cứu xác định áp lực của quần áo lên cơ thể ngƣời bằng phƣơng pháp tính toán và thực nghiệm” bước đầu định hướng nghiên cứu vào mô hình hóa cơ thể người về các khối hình học đơn giản đại diện cho nhiều bộ phận cơ thể như: hình cầu, hình trụ hình nón cụt; tiến hành xây dựng công thức tính toán áp lực của quần áo lên cơ thể và xây dựng phương pháp đo cũng như nghiên cứu chế tạo thiết bị đo với kinh phí phù hợp.
43
CHƢƠNG II: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Mục đích nghiên cứu
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 được 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 vẫn còn thiếu rất nhiều sản phẩm dùng trong lĩnh vực y tế, thể thao và chỉnh hình thẩm mỹ…
Việc nghiên cứu áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người nhằm tạo cơ sở cho việc nghiên cứu thiết kế chế tạo sản phẩm may mặc phục vụ nâng cao thành tích thi đấu của vận động viên, điều trị nhiều căn bệnh hiểm nghèo, tăng khả năng hồi phục của người bệnh sau phẫu thuật...
Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp khác nhau để xác định áp lực của trang phục lên cơ thể người mặc. Tuy nhiên các phương pháp và kỹ thuật này khá phức tạp chưa thực sự phù hợp với điều kiện và con người Việt Nam. Do vậy, việc nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán áp lực và đề xuất mô hình thực nghiệm để đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người là cơ sở quan trọng để nghiên cứu thiết kế và chế tạo các loại trang phục thi đấu thể thao, tất, quần áo phục hồi chức năng, và các sản phẩm chỉnh hình thẩm mỹ...
2.2 Đối tƣợng nghiên cứu 2.2.1 Cơ thể ngƣời
Cơ thể con người là một tác phẩm nghệ thuật của tạo hóa, vốn có hình dạng, cấu trúc và kích thước cực kỳ phức tạp. Trong nghiên cứu mô hình hóa cơ thể người, các bộ phận cơ thể được qui về các khối hình học cơ bản tương thích nhất về hình
44
dạng và cấu tạo. Các bộ phận cơ thể được mô hình hóa ở dạng khối cầu, khối trụ hoặc khối nón, nón cụt [17].
Cơ thể người có cấu tạo rất phức tạp với nhiều bộ phận đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau. Trong giới hạn luận văn, phần đùi được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu chính. Đùi có nhiệm vụ nâng đỡ phần trên của cơ thể, phát động lực điều khiển toàn bộ cẳng chân và bàn chân trong vận động. Phần đùi chịu áp lực tì đè rất lớn đặc biệt khi chơi thể thao. Việc nghiên cứu và tính toán áp lực của quần áo lên phần đùi của cơ thể người nhằm tạo sự thoải mái, bảo vệ, tăng cường khả năng hoạt động của chân hỗ trợ công tác làm đẹp, nâng cao thành tích thi đấu thể thao và chữa bệnh. Phần đùi của cơ thể người có hình dáng đặc trưng cho rất nhiều bộ phận khác đồng thời các sản phẩm bó sát lên bộ phận này cũng rất đa dạng. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về cơ thể người đặc biệt là phần đùi để giải bài toán va chạm trong giao thông cũng như bài toán tính toán áp lực của trang phục lên cơ thể.
Hình 2.1: Mô hình tái tạo cơ thể người và phần đùi
2.2.2 Vải dệt kim
Vải được chọn để thực hiện các thí nghiệm trong luận văn là vải dệt kim đan ngang đàn tính cao sử dụng cho sản phẩm áo bơi do công ty Manhattan Beachwear sản xuất. Vải có một số đặc điểm sau:
45
+ Thành phần nguyên liệu: 80% Nylon/20% Lycra
- Thông số xác định tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt, Viện Dệt May – Da giầy và Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
+ Kiểu dệt: single có cài sợi phụ + Mật độ:
Cột: 180 / 100 mm.
Hàng: 220 / 100 mm.
+ Khối lượng riêng: 141 g/m2 xác định theo tiêu chuẩn ASTM D3776. + Độ dày 0,21 mm xác định theo tiêu chuẩn ASTM D1777.
2.2.3 Mút Polyurethane
Mút Polyurethane hình thành do phản ứng giữa isocyanates và polyol. Sử dụng các kỹ thuật phối trộn khác nhau, có thể sản xuất ra polyurethane với những tính chất khác nhau ở dạng sợi, dạng màng, dạng đổ khuôn, dạng nhiệt dẻo, dạng bọt và dạng cán được. Mút được sử dụng trong luận văn là Polyurethane ở dạng bọt.
- Độ dày 30 mm. - Màu vàng nhạt
- Khối lượng riêng: 12,0333 kg/m3.
2.3 Nội dung nghiên cứu
Trong các công trình nghiên cứu về áp lực của trang phục lên cơ thể người, tác giả Seyed Abbas Mirjalili và các cộng sự [17] đã xây dựng mô hình tính toán lý thuyết áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người và so sánh với phương pháp mô phỏng. Tuy nhiên, việc xây dựng công thức tính toán áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người được thực hiện trên giả thiết cơ thể người là vật liệu tuyệt đối cứng. Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu của luận văn, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã có, nội dung nghiên cứu của luận văn là:
1) Áp dụng kiến thức về cơ học vật liệu và kiến thức giải tích để xây dựng lại công thức tính toán áp lực của quần áo bó sát lên mô hình cơ thể người ở dạng vật liệu tuyệt đối cứng. Phát triển tính toán cho mô hình cơ thể người có dạng là vật liệu đàn hồi.
46
2) Ứng dụng tính toán số xác định áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi cơ thể người.
3) Xây dựng mô hình thực nghiệm mô phỏng phần đùi nữ giới, với kích thước vòng đùi và các lớp vật liệu gần với cơ thể người thật.
4) Thực nghiệm đo áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi cơ thể người và so sánh kết quả với phương pháp tính toán.
2.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.4.1 Phƣơng pháp xác định mô đun đàn hồi của vải
Mô đun đàn hồi của vải theo hướng ngang được xác định trong thí nghiệm kéo đứt tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt, Viện Dệt May – Da giầy và Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thí nghiệm được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96 của Mỹ[23].
- Thiết bị:
+ Máy kéo đứt RTC-1250A của Nhật Bản. + Thước thẳng
- Quy trình thí nghiệm
+ Chuẩn bị mẫu:
Kích thước vùng làm việc của mẫu thí nghiệm: 100 mm x 50mm. Phần mép vải để kẹp giữ mỗi phía là 75 mm. Cắt mẫu thử có kích thước 250 mm x 50 mm (dài x rộng). Khi đo và cắt tránh hiện tượng cắt đứt vòng sợi trong cùng một cột vòng.
Dựa theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96, 5 mẫu thí nghiệm được đặt trong điều kiện nhiệt độ 21 ± 1OC và độ ẩm 65 ± 2% trong khoảng thời gian 16 giờ để khử hết ứng suất dư trên vải.
+ Cách tiến hành thí nghiệm:
Đánh dấu khoảng cách làm việc của mẫu với chiều dài là 100 mm. Chỉnh khoảng cách 2 ngàm kẹp là 100 mm. Chọn làm mốc.
47
Kẹp đầu trên của mẫu vào ngàm trên. Để mẫu vải duỗi thẳng bởi tác dụng của trọng lực. Kẹp đầu còn lại vào ngàm dưới sao cho lực căng ban đầu ≤ 0,02 N, vặn chặt 2 đầu ngàm kẹp. Bắt đầu quá trình kéo đứt mẫu.
Từ biểu đồ Lực – chuyển vị trong khoảng độ giãn <80%, giá trị lực kéo và độ giãn có mối quan hệ tương đối tuyến tính. Dựa vào khoảng tuyến tính này xác định được giá trị mô đun đàn hồi.
Giá trị mô đun đàn hồi được tính theo công thức [45]:
E
Theo tài liệu số [4] trang 151, khi sợi chịu lực kéo giãn nhỏ trong thời gian ngắn và thành phần biến dạng đàn hồi lớn đạt tới 90% lúc đó có thể tính mô đun đàn hồi ban đầu (hoặc mô đun đàn hồi loại một). Như vậy để tính mô đun đàn hồi của vải cần hai điều kiện:
- Lực kéo là tương đối nhỏ. - Thời gian kéo là ngắn.
48
2.4.2 Phƣơng pháp xác định sự thay đổi lực kéo giãn hƣớng sợi ngang theo thời gian tại các độ giãn khác nhau
Áp lực của quần áo lên cơ thể người suy giảm theo thời gian là bởi hiện tượng lơi của vải, nội ứng suất của vải bị giảm sau một khoảng thời gian bị kéo giãn ở độ giãn nhất định. Hiện tượng này là do khi vải bị kéo giãn, mức độ kéo giãn của các sợi trong vải là không giống nhau. Một số sợi bị kéo giãn nhiều hơn mức trung bình trong khi một số khác bị kéo giãn thấp hơn mức trung bình do ảnh hưởng của yếu tố hướng lực kéo và cấu trúc không đồng đều của vải. Sau đó hiện tượng cân bằng ứng suất xuất hiện, cân bằng ứng suất sẽ làm ứng suất trung bình giảm xuống [7].
Sự thay đổi lực kéo giãn của vải theo thời gian được xác định trong thí nghiệm kéo giãn tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt, Viện Dệt May – Da giầy và Thời trang, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Việc chuẩn bị mẫu và điều chỉnh thông số vận hành máy được lấy theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96 [23].
- Thiết bị:
+ Máy kéo đứt RTC-1250A của Nhật Bản. + Thước thẳng
- Quy trình thí nghiệm
+ Chuẩn bị mẫu
Kích thước vùng làm việc của mẫu thí nghiệm: 100 mm x 50mm. Phần mép vải để kẹp giữ mỗi phía là 75 mm. Cắt mẫu thử có kích thước 250 mm x 50 mm (dài x rộng). Khi đo và cắt tránh hiện tượng cắt đứt vòng sợi trong cùng một cột vòng.
Dựa theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96, 20 mẫu thí nghiệm được đặt trong điều kiện nhiệt độ 21 ± 1OC và độ ẩm 65 ± 2% trong khoảng thời gian 16 giờ để khử hết ứng suất dư trên vải.
+ Cách tiến hành thí nghiệm:
Đánh dấu khoảng cách làm việc của mẫu với chiều dài là 100 mm. Chỉnh khoảng cách 2 ngàm kẹp là 100 mm. Chọn làm mốc.
49
Kẹp đầu trên của mẫu vào ngàm trên. Để mẫu vải duỗi thẳng bởi tác dụng của trọng lực. Kẹp đầu còn lại vào ngàm dưới sao cho lực căng ban đầu ≤ 0,02 N, vặn chặt 2 đầu ngàm kẹp. Bắt đầu quá trình kéo giãn mẫu.
4x5 mẫu thí nghiệm được kéo lần lượt đến các độ giãn 10%, 20%, 30% và 40%, sau đó cho máy dừng lại để theo dõi quá trình thay đổi của lực.
Tiến hành xây dựng biểu đồ biểu thị mối quan hệ giữa lực kéo giãn và thời gian.
2.4.3 Phƣơng pháp xác định mô đun khối của mút
Mô đun khối của mút được xác định cũng trên máy RTC-1250A của Nhật Bản tại phòng thí nghiệm Vật liệu Dệt ở chế độ nén. Thí nghiệm được tiến hành theo tiêu chuẩn ISO 844 và thực hiện theo tài liệu [21]:
- Tốc độ nén là 5 mm/ phút - Khoảng nén là 15 mm.
+ Chuẩn bị mẫu:
Cắt mẫu với kích thước 100x100x30 mm. Ổn định mẫu trong điều kiện tiêu chuẩn ít nhất 16 giờ để khử hết ứng suất dư.
+ Cách tiến hành thí nghiệm:
Đặt mẫu lên bệ đỡ, đặt tấm kim loại lên trên mẫu.
50
Dịch chuyển đầu nén của máy đi xuống tiếp xúc với tấm kim loại. Từ vị trí tiếp xúc tiếp tục cho đầu nén đi xuống một khoảng 15 mm. Tại vị trí này tiến hành chỉnh