người [22]
Maple là phần mềm do một nhóm các nhà khoa học của Canada thuộc trường đại học Waterloo xây dựng và cho ra đời vào năm 1980 với mục đích sử dụng máy tính giải các bài toán thực tế. Từ đó, đã làm thay đổi cách học toán: Song song với cách giải "truyền thống", sinh viên được hướng dẫn giải bằng sự trợ giúp của Maple. Phương pháp này tạo ra cho sinh viên cách tiếp cận mới với toán học sinh động, sáng tạo và rèn được khả năng tự học, tự kiểm tra, tự nghiên cứu.
Phần mềm cung cấp đầy đủ các công cụ phục vụ cho việc tính toán số và tính toán biểu trưng (tính toán trừu tượng trên các tham biến), vẽ đồ thị cho nhiều phân ngành như đại số tuyến tính, toán rời rạc, toán tài chính, thống kê, lý thuyết số, phương trình vi phân. Công cụ tính toán Maple giúp người dùng được giải phóng khỏi những tính toán phức tạp mất nhiều thời gian và đặc biệt tránh được sai sót, nhầm lẫn khi tính toán.
Trong luận văn sử dụng phần mềm Maple để thực hiện tính toán số theo các nội dung sau:
- Khai báo hàm.
- Gán giá trị cho các biến.
- Giải phương trình bậc ba nhằm tính bán kính mô hình sau biến dạng.
Một số phép toán sử dụng trong việc tính toán số áp lực của quần áo lên cơ thể người:
54 - Giải phương trình sử dụng hàm solve:
- Phép làm tròn evalf:
2.4.5 Phƣơng pháp thực nghiệm xác định áp lực của quần áo lên cơ thể ngƣời
2.4.5.1 Xây dựng mô hình thực nghiệm phần đùi cơ thể người
a. Thiết kế mô hình
- Lựa chọn bộ phận của cơ thể ngƣời để tiến hành mô hình hóa
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn tác giả chọn phần đùi của cơ thể để mô hình hóa, có rất nhiều các sản phẩm của ngành công nghiệp may dành cho phần rất đẹp và quan trọng này. Cấu trúc hình học của phần đùi đại diện cho rất nhiều bộ phận khác trên cơ thể. Việc nghiên cứu tính toán áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi thành công sẽ tạo tiền đề cho việc nghiên cứu áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người thật, xa hơn nữa là chế tạo các sản phẩm quần áo áp lực phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như: quần áo thể thao, quần áo ý tế, sản phẩm chỉnh hình thẩm mỹ...
- Kích thƣớc của mô hình
55
Mô hình thực nghiệm thiết kế nhằm mô phỏng phần đùi cơ thể đối tượng nữ thanh niên có kích thước theo tài liệu [24]. Cụ thể:
- Bán kính vòng đùi trên 91,1 mm - Bán kính vòng đùi dưới 71,4 mm - Chiều dài mô hình là 180 mm.
Bản vẽ thiết kế được thể hiện trên hình 2.7.
- Cấu tạo của mô hình
Mô hình phần đùi cần được làm từ 2 lớp vật liệu: lớp bên trong bằng vật liệu cứng đại diện cho phần xương, lớp bên ngoài làm bằng vật liệu có tính đàn hồi cao và khả năng biến dạng tốt đại diện cho phần mô của cơ thể [3], [7]. Lớp vật liệu bên ngoài có độ dày 30 mm.
Hình 2.8: Kích thước phần trong của mô hình được làm từ nhựa POM
- Lựa chọn vật liệu
Để mô hình có đặc điểm gần với cấu tạo phần đùi cơ thể người, phần bên trong của mô hình được thiết kế bằng nhựa POM cứng tương tự với phần khung xương của cơ thể, bên ngoài được bọc lớp mút Polyurethane dày 30 mm mô phỏng phần mô và da của cơ thể [3], [7].
Theo tài liệu [46], POM viết tắt của Polyoxymetylen là loại copolymer tinh thể và có thể sử dụng ở nhiệt độ lên tới 100oC. POM là polymer đồng trùng hợp có tính
56
năng cơ khí khá tốt, ổn định với độ ẩm, dễ dàng gia công, ổn định nhiệt tốt, chịu được môi trường kiềm.
Hình 2.9: Hình ảnh trụ nhựa POM
Trong luận văn sử dụng loại nhựa POM có đặc tính: + Độ bền cơ học và độ cứng cao.
+ Ổn định về kích thước tốt. + Khả năng gia công cơ khí tốt.
Theo tài liệu [48], mút PU hay 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. Các nhóm chính bao gồm:
+ Dạng sợi + Dạng màng + Dạng đổ khuôn + Dạng nhiệt dẻo + Dạng bọt + Dạng cán được
Mút PU được sử dụng trong luận văn là ở dạng bọt mềm được ứng dụng làm nệm, gối, tấm lót thảm… Mút có khối lượng riêng thấp: 0.01 ~ 0.07g/cm3 [49].
b. Chế tạo mô hình
Phương pháp gia công cơ khí là phương pháp tiện côn. Mặt côn của khối nhựa được gia công bằng cách dùng tay thực hiện tiến dao dọc kết hợp tiến dao ngang
57
thông qua các tay quay trên bàn xe dao. Độ côn được xác định bằng hai kích thước chuẩn là đường kính đầu mút lớn và đường kính đầu mút nhỏ.
- Đặc điểm của phương pháp tiện côn là:
+ Dễ thực hiện, không yêu cầu dụng cụ, đồ gá phức tạp. + Độ chính xác cao.
+ Thường dùng để gia công các mặt côn chuyển tiếp trên chi tiết dạng trục. Sau khi tiện côn khối nhựa, tiến hành bọc lớp mút PU dày 30 mm ra phía ngoài của mô hình.
Sau khi hoàn thành mô hình có kích thước như hình 2.7.
2.4.5.2 Tính toán thiết kế quần bó sát cho mô hình thí nghiệm
Thông thường trong thiết kế quần áo độ giãn của vải không lớn hơn 40%. Trong thí nghiệm này, độ giãn của vải được lựa chọn để tiến hành thí nghiệm đo áp lực lên mô hình là 0%, 10%, 20%, 30%, 40%. Kích thước của mẫu trang phục phủ lên bề mặt mô hình được tính toán theo công thức [7]:
0 1 l l Trong đó: - l0 là chu vi mô hình (mm).
- l là chu vi mẫu thí nghiệm (mm). - ε là độ giãn tương đối.
Hình 2.10: Hình trải bề mặt của quần bó sát phủ ra ngoài mô hình
Tiến hành xây dựng hình trải với các độ giãn khác nhau, lượng dư đường may mỗi phía là 10 mm. Đường may sử dụng là đường may thắt nút 301 [23].
58
2.4.5.3 Vị trí đo áp lực trên mô hình
Mặc lần lượt các quần bó sát bó sát với độ giãn lần lượt là 0%, 10%, 20%, 30%, 40% lên mô hình phần đùi cơ thể người.
Tiến hành đo áp lực tại 3 vòng: vòng đáy lớn, vòng ở giữa và vòng đáy nhỏ. Khoảng cách vị trí đo so với đáy lớn và đáy nhỏ là 10 mm, lý do là kích thước cảm biến sấp xỉ 10 mm, nên để toàn bề mặt cảm biến tiếp xúc với vải và mô hình thì vị trí đo cần cách hai đáy một khoảng > 5 mm. Vị trí ở giữa cách hai đáy một khoảng bằng một nửa chiều cao của mô hình (= 90 mm). Để tránh ảnh hưởng của hiện tượng suy giảm giá trị lực kéo giãn của vải theo thời gian tới giá trị đo áp lực, các kết quả đo cần được thu thập tức thì trong thời gian một vài giây sau khi mặc quần bó sát ra ngoài mô hình phần đùi.
Hình 2.11: Vị trí đo áp lực trên mô hình phần đùi cơ thể người
Bán kính mô hình tại các vị trí đo áp lực:
- Bán kính mô hình tại vòng gần đáy lớn: rl = 90 mm - Bán kính mô hình tại vòng ở vị trí giữa: rg = 81,25 mm - Bán kính mô hình tại vòng gần đáy nhỏ: rn = 72,5 mm
2.4.5.4 Thiết bị đo áp lực
Sử dụng hệ thống thiết bị đo áp lực do NCS Nguyễn Quốc Toản và nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo, hệ thống thiết bị gồm: cảm biến Flexi Force của hãng Tekscan; mạch điện và phần mềm kết nối với máy tính nhằm hiển thị kết quả đo. Để đo giá trị áp lực của quần bó sát lên mô hình, cảm biến lực được đặt giữa mô hình và vải.
- Nguyên lý và cấu tạo:
Vòng gần đáy lớn Vòng tại vị trí giữa Vòng gần đáy nhỏ
59
Cảm biến Flexiforce thu nhận tín hiệu áp lực của quần áo lên cơ thể người. Tín hiệu này được đưa qua mạch khuếch đại và kết nối với vi điều khiển. Vi điều khiển có nhiệm vụ xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu đã xử lý tới mạch phát sóng radio. Bộ thu phát sóng radio giúp việc truyền tín hiệu tới máy tính không cần dây dẫn. Toàn bộ mô đun trên có thể đóng gói lại và gắn lên cơ thể người.
Tín hiệu được thu lại qua mạch thu sóng radio, mạch này được kết nối với máy tính. Máy tính làm nhiệm vụ xử lý và hiển thị kết quả, kết quả được hiển thị trên màn hình ở dạng số hoặc đồ thị.
Hình 2.12: Sơ đồ khối chức năng hệ thống đo áp lực
Hình 2.13: Hình ảnh thiết bị xác định áp lực của quần bó sát lên mô hình phần đùi cơ thể người
Sensor FlexiForce Mạch khuếch đại đo Khối vi điều khiển Mạch phát tín hiệu sóng radio Mạch thu tín hiệu sóng radio Mạch kết nối máy tính qua cổng USB Xử lý dữ liệu và hiển thị kết quả trên máy tính
60
2.5 Kết luận chƣơng 2
Luận văn lựa chọn đối tượng để mô hình hóa là phần đùi của cơ thể người bởi hình dáng đặc trưng của phần đùi đại diện cho rất nhiều bộ phận trên cơ thể hơn nữa có rất nhiều sản phẩm bó sát được thiết kế cho bộ phận hết sức quan trọng này. Vải được lựa chọn cho nghiên cứu là vải dệt kim đan ngang đàn tính cao.
Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu các phương pháp xác định áp lực của quần áo lên cơ thể [6], [7], [12], [14], [17], [24], kế thừa kết quả nghiên cứu của các công trình trên, đặc biệt là công trình của tác giả Seyed Abbas Mirjalili [17]. Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu là xác định 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, luận văn trình bày các nội dung nghiên cứu như sau:
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 cho mô hình cơ thể người có dạng là vật liệu đàn hồi. 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.
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn gồm: phương pháp xác định mô đun đàn hồi của vải theo phương ngang và sự thay đổi giá trị lực kéo giãn theo thời gian của vải theo tiêu chuẩn ASTM D4964-96, phương pháp xác định mô đun khối của mút theo tiêu chuẩn ISO 844, phương pháp tính toán lý thuyết và phương pháp thực nghiệm xác định áp lực của quần áo bó sát lên mô hình cơ thể người.
61
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN 3.1 Kết quả xác định các thông số của vật liệu sử dụng
3.1.1 Kết quả xác định mô đun đàn hồi của vải theo hƣớng sợi ngang
Kết quả được thể hiện trong bảng 3.1 qua năm lần thí nghiệm kéo đứt theo phương sợi ngang:
Bảng 3.1: Giá trị lực kéo và độ giãn của vải tại thời điểm kéo đứt
Lần thí nghiệm thứ Giá trị lực kéo (N) Độ giãn Δl (mm)
1 313,56 363,96 2 311,42 333,22 3 335,28 369,11 4 353,87 373,23 5 337,60 373,00 Giá trị trung bình 330,34 362,51 l (mm)
Hình 3.1: Biểu đồ Lực kéo – Chuyển vị sau năm lần thí nghiệm kéo đứt mẫu vải
Từ biểu đồ Lực kéo – 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 của vải theo hướng sợi ngang.
62 Giá trị mô đun đàn hồi được tính theo công thức:
0 .100 9, 524. 0, 21.50. . F F F E l l l S l
Từ biểu đồ Lực kéo – chuyển vị, 2 điều kiện để tính mô đun đàn hồi đều đạt được. Lực kéo ứng với độ giãn 80% có giá trị tương đối nhỏ, tất cả các giá trị đều nhỏ hơn 7N. Thời gian kéo 5 mẫu đến độ giãn 80% cũng đủ nhỏ:
t = 80 0,16( út) 9, 6( ) 500 s ph s v .
Tính giá trị mô đun đàn hồi cho mẫu vải thí nghiệm kéo đứt 5 lần khác nhau: Đường mầu Xanh (lần 01) : 1 9,5245, 44 0, 648
80 E (MPa) Đường mầu Vàng (lần 02) : 2 9,5246, 4 0, 762 80 E (MPa) Đường mầu Đỏ (lần 03) : 3 9,5245, 65 0, 673 80 E (MPa) Đường mầu Hồng (lần 04) : 4 9,5245,86 0, 698 80 E (MPa) Đường mầu Trắng (lần 05) : 5 9, 5245, 26 0, 626 80 E (MPa)
Giá trị mô đun đàn hồi trung bình sau 5 lần thí nghiệm: 1 2 3 4 5 0, 6814 5 E E E E E E (MPa)
3.1.2 Kết quả xác định sự thay đổi lực kéo giãn theo thời gian của vải tại các độ giãn khác nhau giãn khác nhau
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm xác định lực kéo giãn theo thời gian của mẫu vải với các độ giãn khác nhau
Thời gian (phút)
Giá trị lực kéo theo thời gian (N)
10% 20% 30% 40%
0 0,42 0,96 1,74 2,71
63 2 0,4 0,9 1,58 2,41 3 0,4 0,89 1,54 2,35 4 0,4 0,88 1,52 2,31 5 0,4 0,87 1,52 2,29 6 0,39 0,86 1,51 2,27 7 0,39 0,86 1,5 2,25 8 0,39 0,86 1,48 2,23 9 0,39 0,86 1,48 2,23 10 0,39 0,86 1,48 2,23 15 0,39 0,86 1,46 2,21 20 0,39 0,86 1,46 2,21 25 0,39 0,86 1,46 2,21 30 0,39 0,86 1,46 2,21
Dựa vào số liệu thu được từ bảng 3.2, tiến hành xây dựng biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và thời gian tương ứng với các độ giãn khác nhau của vải nghiên cứu.
Hình 3.2: Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và thời gian tương ứng tại các độ giãn khác nhau của vải.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 5 10 15 20 25 30 35 Lực kéo (N) Thời gian (phút) Độ giãn 10% Độ giãn 20% Độ giãn 30% Độ giãn 40%
64
Từ biểu đồ nhận thấy với độ giãn 10%, trong khoảng 10 phút đầu lực kéo của mẫu vải không thay đổi nhiều. Từ phút thứ 10 đến phút thứ 30 dạng đồ thị là dạng đường thẳng. Như vậy lực kéo gần như không thay đổi trong suốt 30 phút đối với độ giãn 10%.
Với độ giãn 20% và 30%, trong 10 phút đầu lực kéo thay đổi khá rõ, dạng đồ thị là đường cong lõm. Từ phút thứ 10 đến phút thứ 30, dạng đồ thị gần như dạng đường thẳng và lực kéo gần như không thay đổi.
Quy luật sự thay đổi giá trị lực kéo giãn theo thời gian của vải thể hiện rõ nhất với độ giãn 40%. Lực kéo giảm rõ rệt trong khoảng 10 phút đầu và gần như dạng đường thẳng từ phút thứ 10 đến phút thứ 30.
Áp lực của quần áo lên cơ thể chính là thành phần hướng tâm của lực kéo (công thức (2) và (3) trong mục 2.4.4.3), do đó lực kéo thay đổi sẽ làm giá trị áp lực của quần áo lên cơ thể thay đổi theo. Sự thay đổi này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả thu được từ phép đo áp lực theo phương pháp thực nghiệm.
Do đó để đảm bảo sai số là nhỏ nhất giữa kết quả nghiên cứu áp lực của quần áo lên cơ thể theo phương pháp tính toán và phương pháp đo bằng thực nghiệm, kết quả đo cần được thu thập trong thời gian ngắn nhất sau khi mặc quần áo ra ngoài mô hình. Thời gian thu thập giá trị theo phương pháp đo nếu kéo dài sau 10 phút có