Ảnh chụp cắt lớp CT

2.3.1.2 Phương pháp xây dựng mơ hình 3D mơ phỏng hình dạng, cấu trúc kích thước phần đùi cơ thể người.

 Xây dựng mơ hình 3D phần đùi cơ thể từ dữ liệu chụp cắt lớp CT

Thơng thường có hai cách để xây dựng lại mơ hình 3D mơ phỏng hình dạng, cấu trúc kích thước cơ thể người. Cách thứ nhất mơ hình 3D cơ thể người được xây dựng lại từ dữ liêu máy quét toàn thân 3D cơ thể người [13] và cách thứ hai là từ dữ liệu ảnh chụp cắt lớp CT [14,15]. Mỗi mơ hình mơ phỏng có ưu nhược điểm khác nhau, mơ hình 3D cơ thể người xây dựng từ dữ liệu quét 3D toàn thân mơ tả hình dạng, cấu trúc bề mặt, có tư thế phù hợp cho nghiên cứu nhân trắc và thiết kế sản phẩm may mặc; mơ hình 3D cơ thể người xây dựng từ dữ liệu ảnh chụp cắt lớp CT cho ta biết cấu trúc bên trong cơ thể như xương, hệ cơ, gân và mô mềm...

Với mục đích phát triển mơ hình cơ sinh học phù hợp với ứng dụng nghiên cứu trong lĩnh vực dệt may y sinh. Nghiên cứu tiến hành xây dựng mơ hình cấu trúc kết hợp dữ liệu quét 3D cơ thể người và ảnh chụp cắt lớp CT, mơ hình xây dựng đáp ứng

được các tính chất cơ bản như tính đồng nhất và tính thực dụng trong nghiên cứu mơ phỏng số. Q trình được thực hiện với sự trợ giúp của phần mềm thiết kế 3D Solidwords, đây là phần mềm được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí, chế tạo máy và mơ phỏng tính tốn, hiện đạng được dùng phổ biến ở Việt Nam. Hình 2.5 mơ tả sơ đồ khối q trình xây dựng mơ hình cấu trúc 3D cơ thể người từ các ảnh chụp cắt lớp CT.

Hình 2.5. Sơ đồ khối q trình xây dựng mơ hình cấu trúc 3D cơ thể người.

 Xây dựng mơ hình 3D chi dưới cơ thể từ dữ liệu quét 3D cơ thể người

Hình 2.6. Lưu đồ quá trình xử lý mẫu quét [13].

Dữ liệu nhận được từ máy quét là tập hợp điểm trong không gian 3 chiều được chuyển đổi thành mơ hình lưới. Vị trí lưới của hai đối tượng quét được điều chỉnh để đảm bảo giảm thiểu tối đa sai số vị trí giữa hai lưới. Mơ hình bề mặt lưới được tạo thành từ đám mây điểm ban đầu có các khu vực nhiễu, khuyết do vị trí quét bị khuất

được chỉnh sửa và tạo đối xứng để tạo mơ hình lưới hồn thiện hơn phục vụ thiết kế quần áo. Quá trình xây dựng lại mơ hình 3D chi dưới cơ thể nữ thanh niên thực hiện qua lưu đồ thuật tốn sau như trong hình 2.6.

 Xây dựng mơ hình 3D kết hợp

Kết quả nghiên cứu cho thấy các mơ hình 3D ứng dụng trong thiết kế sản phẩm ngành may và khảo sát nhân trắc học thơng thường ở trạng thái đứng, ví dụ như tư thế đứng trong máy quét 3D của hãng [TC]2, mơ hình ma-nơ-canh ảo sử dụng trong thiết kế và thử sửa sản phẩm may của các phần mềm chuyên ngành may như Opitex, Lectra 3D, Accumark V-Stitcher [25, 26]. Để nâng cao tính ứng dụng trong nghiên cứu và phát triển các sản phẩm may mặc của mơ hình cấu trúc 3D được xây dựng từ bộ dữ liệu chụp cắt lớp CT trong tư thế nằm ngang (tư thế cố định khi chụp cắt lớp CT), nghiên cứu đề xuất xây dựng mơ hình kết hợp theo sơ đồ hình 2.7.

Hình 2.7. Sơ đồ khối quá trình xây dựng mơ hình 3D kết hợp.

2.3.1.3 Mơ phỏng q trình mặc ống quần vào phần đùi cơ thể. a. Các giả thiết của q trình mơ phỏng

Kế thừa các giả thiết trong nghiên cứu [14, 15], mơ hình cơ thể người sử dụng trong nghiên cứu bao gồm ba thành phần chính là xương, mơ mềm và da. Xương được coi là vật liệu tuyệt đối cứng và khơng chịu biến dạng trong q trình mặc, da và mơ mềm được giả thiết là vật liệu đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng. Ứng xử cơ học của da và mô mềm được giả thiết là đàn hồi tuyến tính, dị hướng trực giao.

b. Mơ hình thuộc tính cơ thể người và vải sử dụng trong nghiên cứu

- Mơ hình thuộc tính cơ thể người được xác định dựa trên các kết quả nghiên cứu đã được cơng bố trước đây. Trong đó xương được giả định là vật liệu cứng tuyệt đối khơng bị biến dạng trong q trình mặc, da và mơ mềm được định nghĩa là vật liệu đàn hồi tuyến tính, đồng nhất và đẳng hướng. Có các thơng số cơ học đặc trưng như mô đun đàn hồi (Young's modulus), hệ số pốt - xơng (Poisson), khối lượng riêng được trình trong bảng 2.1.

Dữ liệu quét 3D cơ thể người định dạng file (obj, wrl) Xây dựng mô hình 3D bề

mặt cơ thể người

Chuyển file dữ liệu mơ hình 3D sang file định dạng IGS

- Nhập dữ liệu vào phần mềm - Ghép xương vào mơ hình 3D

13 12 1 1 1 23 21 11 2 2 2 13 22 31 32 22 3 3 3 23 33 23 23 23 31 31 12 12 31 12 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 2 E E E E E E E E E G G G                                                                                               

Bảng 2.1. Các thông số cơ học đặc trưng của cơ thể người [15]

Thành phần

Mô đun đàn hồi (MPa)

Hệ số pốt - xơng (Poisson)

Khối lượng riêng (tấn/mm3)

Da 0,15 0,46 1,06×10-09

Mơ mềm 0,06 0,48 0,937×10-09

Xương 7300 0,3 1,579×10-09

- Phương pháp xác định thuộc tính cơ học của vải:

+ Vải dệt kim sử dụng trong nghiên cứu được định nghĩa như là vật liệu đàn hồi tuyến tính và dị hướng trực giao. Mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng được biểu thị bằng định luật Húc tổng quát (Hooke's law).

= C .ε

ij ijkl kl

σ (i, j, k, l = 1, 2, 3) (2.2) trong đó: Cijkl là ten-xơ các hằng số đàn hồi, đối với vật liệu đàn hồi tuyến tính, dị

hướng trực giao, mối liên hệ giữa ứng suất và biến dạng được biểu diễn cụ thể như sau:

(2.3)

+ Các tính chất vật liệu của vải được xác định bằng phương pháp thực nghiệm tại phịng thí nghiệm vật liệu dệt thuộc Viện Dệt may Da giầy và thời trang trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Do chiều dày của vải rất nhỏ so với kích thước dài và rộng, vải được giả thiết là vật liệu mỏng có ứng xử theo hai chiều. Mơ đun đàn hồi của vải theo hướng dọc và ngang được xác định trong thí nghiệm kiểm tra độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D-4964-96.

o Thiết bị: Máy kéo kéo đứt RTC-1250A của Nhật Bản.

o Quy trình thí nghiệm Bước 1: 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, 10 mẫu thí nghiệm (5 mẫu vải theo hướng canh sợi

dọc và 5 mẫu vải theo hướng canh sợi ngang) 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.

Bước 2: 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.

 Chọn tốc độ kéo trên máy là 500 mm/phút.

 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.

Hình 2.8. Biểu đồ lực kéo - chuyển vị của các mẫu vải

(a) 5 mẫu vải kéo theo chiều dọc; (b) 5 mẫu vải kéo theo chiều ngang

Hình 2.8 minh họa biểu đồ lực kéo và chuyển vị của 10 mẫu thí nghiệm kéo, trong đó (a) 5 mẫu kéo theo phương dọc và (b) 5 mẫu kéo theo phương ngang của vải. Biểu đồ trên hình 2.8 chỉ ra mối quan hệ tuyến tính giữa lực kéo và chuyển vị chi phối hầu hết ứng xử của vật liệu. Thời điểm giá trị lực kéo và độ giãn của mẫu có mối quan hệ tuyến tính tương ứng với độ giãn khoảng ˂80% của các mẫu vải trong thí nghiệm được xác định tính mơ đun đàn hồi của vải theo hướng dọc và hướng ngang [66].

* Mô đun đàn hồi trượt (đơn vị - Mpa): Sử dụng thiết bị kiểm tra độ bền kéo tại phịng thí nghiệm cao su - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, mẫu thử có kích thước chiều dài 20 cm, chiều rộng 5 cm. Tốc độ biến dạng trượt trong thời gian 8.34 x 10-3 giây với tải trọng khơng đổi 10 gf/cm, góc cắt tối đa 80.

* Hệ số Pốt xơng (υ): Là tỉ số giữa độ biến dạng hông (độ co, biến dạng co) tương đối và biến dạng dọc trục tương đối (theo phương tác dụng lực). Thí nghiệm trên máy kéo đứt RTC-1250A của Nhật Bản tương ứng với độ giãn khoảng 80% [66], dựa vào cơng thức (2.4) để tính hệ số Pốt xơng của mẫu vải trong thí nghiệm.

trans axial

v  

 (2.4)

Trong đó: ɛtrans biến dạng ngang; ɛaxial biến dạng dọc trục

L ự c k éo ( N) (a) (b)

Trong nghiên cứu này hệ số pốt - xơng (v) theo các hướng được giải thiết như nhau v12 v21v23 v.

* Khối lượng riêng (tấn/mm3): Vải sử dụng trong nghiên cứu được giả định là

vật liệu đồng nhất, khối lượng riêng tại mọi vị trí là như nhau. Dựa vào cơng thức tính (2.5).

D m V

 (2.5)

Trong đó: D là khối lượng riêng, đơn vị (tấn/mm3); m là khối lượng, đơn vi (tấn); V là thể tích, đơn vị mm3 (khối lượng m được tính dựa trên độ dày và khối lượng/m2 của vải).

2.3.1.4 Yêu cầu q trình nghiên cứu mơ phỏng a. Hệ thống máy tính

Q trình thí nghiệm được thực hiện tại phịng máy tính Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Các thơng số cơ bản của hệ thống máy tính như sau:

o Hệ điều hành Windows 7 Professional (64 bit)

o Bộ vi xử lý Intel® Core™ i7-8700

o Bộ nhớ Ram 16 GB

o Ổ cứng HDD Seagate Barracuda 1TB

o Cạc màn hình VGA Gigabyte N1050OC-2GD (NVIDIA Geforce/ 2Gb/ DDR5/ 128Bit)

b. Phần mềm mô phỏng sử dụng trong nghiên cứu: Phần mềm ABAQUS/CAE 6.14-1.

c. Các bước tiến hành cài đặt thông số cho phần mềm mô phỏng

Bước 1: Khởi động phần mềm

Bước 2: Trong chế độ (Part) nhập file dữ liệu mơ hình phần đùi vào phần mềm, xây dựng mơ hình ống quần theo các thơng số đã tính tốn theo độ giãn ngang của ống vải

Bước 3: Trong chế độ (Property) cài đặt mơ hình thuộc tính cho các thành

phần Da, mô, xương và vải

Bước 4: Trong chế độ (Assembly) lắp ghép các thành phần như da, mô, xương; đặt vị trí ống quần mặc vào phần đùi cơ thể

Bước 5: Trong chế độ (Step) cài đặt các bước di chuyển ống quần

Bước 6: Trong chế độ (Interaction) lựa chọn kiểu tiếp xúc giữa xương với mô, giữa mô với da, giữa mặt trong của ống quần với da

Bước 7: Trong chế độ (Load) cài đặt điều kiện biên và chuyển vị Bước 8: Trong chế độ (Mesh) chia lưới các phần tử

Bước 9: Trong chế độ (Job) chạy phần mềm xử lý kết quả

2.3.1.5 Phương pháp phân tích kết quả mô phỏng số áp lực ống quần lên phần đùi cơ thể

Nghiên cứu tiến hành phân tích kết quả mơ phỏng số áp lực dựa trên dữ liệu của phần mềm được thể hiện qua biểu đồ màu sắc và dữ liệu số, các kết quả được phân

tích và vẽ biểu đồ dựa trên ứng dụng của phần mềm Excel và phần mềm SPSS. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các kết quả chính phục vụ cho mục đích thiết kế sản phẩm theo các yêu cầu sử dụng như sau:

- Phân tích sự phân bố của áp lực của ống quần lên phần đùi cơ thể dựa vào biểu đồ màu sắc và giá trị áp lực tại các điểm nút nằm trên mặt cắt ngang phần đùi cơ thể

- Phân tích ứng suất dựa vào biều đồ màu sắc và giá trị ứng suất tại các điểm nút nằm trên bề mặt ống vải

- Phân tích mối quan hệ giữa áp lực và độ giãn ngang của ống vải

- Phân tích mối quan hệ giữa độ giãn ngang và độ giảm kích thước vịng đùi - Phân tích biến dạng trên mặt cắt ngang vịng đùi

- Phân tích sự phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang vòng đùi

2.3.2 Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người sử dụng cảm biến lực

2.3.2.1 Yêu cầu của hệ thống đo áp lực quần mặc bó sát lên cơ thể người

Để đánh giá độ tin cậy của kết quả mô phỏng tính tốn, kết quả thu được từ nghiên cứu mô phỏng sẽ được đánh giá bằng thực nghiệm. Do trong điều kiện nghiên cứu của Việt Nam chưa có thiết bị đo áp lực của quần trực tiếp trên cơ thể người mặc. Nghiên cứu tiến hành thiết lập hệ thống đo áp lực đáp ứng các yêu cầu nội dung của luận án đặt ra. Dựa trên các điều kiện về linh kiện, khả năng chế tạo, giá thành so với thiết bị đồng bộ của nhà sản xuất, nghiên cứu đã phân tích ưu nhược điểm, nguyên lý cấu tạo và hoạt động của các loại cảm biến lực sử dụng trong đo áp lực quần lên cơ thể người (nội dung chi tiết được trình bày trong phần phụ lục 1 của luận án). Nghiên cứu lựa chọn cảm biến Flexiforce A201 để thiết kế hệ thống đo với các tính năng cơ bản như sau: Thiết bị có dải đo đáp ứng yêu cầu khảo sát áp lực trang phục lên cơ thể người từ 0 đến 7000 Pa (khoảng 50 mmHg); sai số trong vùng cho phép; thiết bị kết nối với cổng USB máy tính qua bộ thu phát không dây. Phần mềm cho phép hiển thị kết quả đo ở dạng biểu đồ và dạng hiển thị số.

2.3.2.2. Đặc điểm và thông số kỹ thuật của cảm biến sử dụng trong nghiên

cứu

Flexiforce A201[67] là một loại cảm biến lực hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện trở với độ dày 0.208mm, chiều rộng và chiều dài là (14 x 203 mm). Bộ phận tác dụng của cảm biến (dùng để đặt lực) chính là phần bên trong vành tròn màu bạc ở một đầu cảm biến có đường kính 9.53mm, các dây dẫn (lớp bạc dẫn điện) kéo dài từ phần tác dụng này tới phần đầu kết nối (đầu còn lại) của cảm biến. Đầu nối này bao gồm các dăm đực vng, do đó dễ dàng kết nối với các mạch đo bên ngồi như hình 2.9.

Hình 2.9. Cảm biến Flexiforce A 20[67]

Cảm biến lực FlexiForce A201 có nhiều ưu việt so với các dòng cảm biến lực cùng loại được thể hiện trong bảng 2.2 như: độ tuyến tính cao hơn, ít trễ hơn, ít trơi và ít thay đổi kết quả đo theo nhiệt độ.

Bảng 2.2. Các thông số đặc trưng cảm biến [67].

Sai số tuyến tính < +/-5%

Độ lặp lại kết quả đo < +/-2.5% toàn dải (cảm biến đã được tinh chỉnh, 80% tải) Độ trễ < 4.5% toàn dài (cảm biến đã được tinh chỉnh, 80% tải) Độ trôi theo thời gian < 5% theo thang logarithm thời gian (90% tải, giữ liên tục) Thời gian đáp ứng < 5ms

Nhiệt độ hoạt động 150 F tới 1400 F (-90 C tới 600 C) Dải lực đo 0 - 1 Ib. (4.4N)

2.3.2.3. Thiết kế nguyên lý hoạt động của thiết đo sử dụng cảm biến [67.68]

Để đo chính xác áp lực đặt lên cảm biến, kết quả đo được xử lý qua một số khâu biến đổi. Những khâu này nằm cả ở chế tạo phần cứng và xử lý phần mềm. Hình 2.10 mô tả sơ đồ khối chức năng của thiết bị đo sử dụng cảm biến Flexiforce A201.

Hình 2.10. Sơ đồ khối chức năng

Từ hình 2.11 ta thấy tín hiệu từ cảm biến được khuếch đại bởi IC khuếch đại đại thuật toán LM 324, phân áp R9/R13 làm nhiệm vụ tạo điện áp chuẩn 1V, có hai bộ lọc thơng thấp C9// Rf và R24 nối tiếp C5.