Tất chân Mô đun Young's (E1 - MPa) Mô đun Young's (E2 - MPa) Tỉ số Poisson (v) Mô đun Đàn hồi trượt (G12 - MPa) Độ dày của vải (T – mm) Nylon 0,0446 0,061 0,195 0,02 0,5 Cotton 0,061 0,0728 0,155 0,028 0,85
1.1.3.6 Một số nghiên cứu về mô phỏng số áp lực quần áo lên cơ thể người
Trong nghiên cứu [22], tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm tính tốn ABAQUS để mô phỏng áp lực của áo nịt ngực lên bề mặt cơ thể người mặc. Nghiên cứu này sử dụng mơ hình 3D cơ thể người được xây dựng từ dữ liệu quét toàn thân 3D và giả thiết toàn bộ các phần của cơ thể là loại vật liệu đồng nhất đàn hồi tuyến tính, kết quả mơ phỏng cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính tốn các tác động cơ học của quần áo lên cơ thể người. Một nghiên cứu khác [8] tác giả và các cơng sự đã xây dựng mơ hình tốn học mơ tả các cơ chế tiếp xúc giữa cơ thể người với quần áo, nghiên cứu này sử dụng ma-nơ-canh ảo của phần mềm thương mại để mô phỏng tính tốn áp lực lên bề mặt mơ hình, ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề mặt cứng khơng biến dạng trong q trình mặc, do vậy các tương tác cơ học giữa vải và các lớp mô mềm cấu trúc bên trong cơ thể khơng được tính đến.
Theo tài liệu [3] các tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong phần mềm ANSYS để nghiên cứu áp lực của quần áo lên cơ thể người. Với một số điều kiện giả thiết như: Vải là những tấm vật liệu đẳng hướng hoặc trực hướng, cơ thể người là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính. Hai loại vải được mô phỏng thông qua các thông số như mô đun đàn hồi E (Young's modulus), hệ số Pốt xơng v, khối lượng riêng tấn/mm3; tác giả đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng tính tốn áp lực quần áo lên cơ thể với các độ giãn khác nhau như hình 1.11.
Hình 1.12. Tính tốn áp lực của quần áo lên cơ thể người
bằng phần mềm ABAQUS [3]
Tác giả Takaya Kobayashi [1] đã nghiên cứu mô phỏng vải qua hai cách tiếp cận: mơ hình tương tác chéo kết hợp với điều kiện vật liệu là siêu đàn hồi đẳng hướng và phương pháp mơ hình vật liệu được coi là siêu đàn hồi dị hướng. Mơ hình vật liệu này được xây dựng qua phương pháp lớp vật liệu bốn điểm S4R bằng phần mềm ABAQUS và đã đạt được kết quả khả quan trong việc dự đốn đặc tính biến dạng của mẫu vải thí nghiệm và tính tốn giá trị áp lực của quần áo, phân bố áp lực quần áo lên từng vùng cơ thể người. Nghiên cứu cũng cho thấy kết quả mơ phỏng tính tốn áp lực của quần tất lên cơ thể người phù hợp với kết quả đo bằng phương pháp thực nghiệm.
Trong nghiên cứu [23] tác giả cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự phân bố áp lực trên da của một tất nén áp lực phân đoạn bằng phương pháp mô phỏng số. Nghiên cứu đã xây dựng mơ hình 3D cẳng chân cơ thể từ dữ liệu chụp cắt lớp CT gồm 2 thành phần chính là xương và mơ mềm. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong phần mềm tính tốn ABAQUS mơ phỏng tính tốn áp lực của tất nén phân đoạn lên phần cẳng chân cơ thể được minh họa trong hình 1.13 và hình 1.14. Dựa trên các đặc trưng thuộc tính cơ học của vải và cơ thể người, nghiên cứu đã thiết lập mơ hình cho phép dự đốn và hiển thị sự phân bố áp lực trên da cho từng loại tất nén mà không cần mặc thực tế.
Hình 1.13. Biểu đồ phân bố sức căng trên
bề mặt ống vải [23]
Hình 1.14. Biểu đồ phân bố áp lực trên bề mặt chân [23] bề mặt chân [23] Bắp chân Bắp chân Cổ chân Cổ chân Bề mặt da chân phí dưới Đẳng hướng Dị hướng 5 – Đùi 2 4 - Đùi 1 3 - Gối 2 - Bắp chân 1 - Cổ chân 900 mm 0 mm 6 - Mông
Kết quả nghiên cứu trên hình 1.13 cho thấy sự phân bố sức căng của tất nén áp lực phân đoạn ở mỗi vị trí là khác nhau, khu vực cổ chân có áp lực lớn nhất. Hình 1.14 cho thấy sự chênh lệch áp lực dọc chân mang tất nén áp lực phân đoạn, áp lực phân bố không đều trên các phần khác nhau của chân, áp lực lớn nhất tập trung ở khu vực mắt cá chân và giảm đều đến vùng đầu gối. Điều này rất phù hợp với yêu cầu đặt ra của tất nén áp lực và các kết quả cơng trình nghiên cứu trước đây.
Hình 1.15. Mơ phỏng sự phân bố áp lực
trên mặt cắt ngang vùng mắt cá chân [23]
Hình 1.16. Phân bố áp lực đo tại bốn mặt
của khu vực mắt cá chân [23]
Hình 1.17. Mơ phỏng sự phân bổ áp lực
trên mặt cắt ngang vùng bắp chân [23]
Hình 1.18. Phân phối áp lực đo tại bốn mặt
của mặt cắt ngang vùng bắp chân [23]
Quan sát mặt cắt ngang tại khu vực mắt cá chân trong hình 1.15 cho ta thấy áp lực cao xảy ra ở những khu vực có bán kính nhỏ hơn, vị trí gần với xương như mắt cá chân trước và gân Achilles. Phân bố này hoàn toàn đúng theo định luật Laplace. Để kiểm chứng các kết quả trong mơ phỏng, nhóm nghiên cứu tiến hành so sánh với giá trị áp lực đo bằng cảm biến. Kết quả và sự phân bố áp lực ở chu vi mặt cắt ngang mắt cá chân nằm trong phạm vi sai số cho phép. Hình 1.16 và 1.18 kết quả mơ phỏng và sự phân bổ áp lực đo trên mặt cắt ngang vùng bắp chân, chúng ta nhận thấy giá trị áp lực tại bốn hướng điển hình cũng thỏa mãn với yêu cầu đề ra.
Trong nghiên cứu [24] Rui Dan và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng xác định áp lực của tất lên phần cổ chân cơ thể. Mơ hình sử dụng trong mơ phỏng tính tốn được xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người gồm 3 thành phần chính là da, xương và mơ mềm. Da và mô mềm được giả thiết là vật liệu đàn hồi tuyến tính, xương chày và xương mác giả thiết có dạng hình trụ. Nghiên cứu đã thử nghiệm trên 6 mẫu tất với kích thước khác nhau, kết quả đã xác định được sự phân bố áp lực, chuyển vị của 72 điểm trên mặt cắt ngang vòng cổ chân như trong hình
Mặt trước Mặt trước Mặt trước Mặt trước Mặt ngoài Mặt ngoài Mặt trong Mặt trong Mặt sau Mặt sau Mặt sau Mặt sau Mặt trong Mặt trong Mặt ngoài Mặt ngoài
1.19. Ngồi ra, nghiên cứu cịn xây dựng được mối quan hệ giữa áp lực và tính chất vật liệu phần trên cùng của tất với các thông số như mơ đun đàn hồi, hệ số Pốt xơng (Poisson), độ giãn đàn hồi, chiều rộng trên cùng của tất.
Hình 1.19. (a) Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng cổ chân, (b) Chuyển vị của 72 điểm
trên mặt cắt ngang vòng cổ chân [24]
Phần mềm chuyên ngành trong thiết kế sản phẩm may như V-sticher, Opitex, Lectra 3D Fit [25, 26] giúp ta nhanh chóng mơ phỏng quần áo trên mơ hình ma-nơ- canh ảo theo thơng số kích thước cơ thể người mẫu thật. Phần mềm cho phép nhập các thuộc tính cơ học của vải, mơ phỏng áp lực trên từng vùng cơ thể như trong hình 1.20. kết quả ch thấy phương pháp này chỉ mang tính chất dự báo và cho biết sự phân bố áp lực tại các các vị trí trên cơ thể người mặc, khơng lượng tính được giá trị áp lực thực tại các điểm.
Hình 1.20. Áp lực áo lên cơ thể người được thể hiện qua biểu đồ màu sắc [26]
1.2 Phương pháp và thiết bị đo áp lực của quần áo mặc bó sát lên cơ thể người
1.2.1 Các phương pháp và thiết bị đo gián tiếp
Các phương pháp đo áp lực gián tiếp thường không hiển thị trực tiếp áp lực trang phục lên bề mặt mà giá trị áp lực có thể được tính tốn từ các kết quả đo. Theo tiêu chuẩn XP EVN 12719 [2], đo lực xuất hiện của tất theo chiều ngang khi kéo giãn đồng thời theo cả hai hướng ngang và dọc theo độ giãn cho trước. Sử dụng công thức Laplace để chuyển lực đo được sang áp lực của tất lên cơ thể người mặc.
Áp l ực (KPa) Ch u y ển v i (m m )
Hình 1.21. Áp lực lên bề mặt dưới sức căng T [2]
Giá trị ép nén (áp lực) được tính theo cơng thức Laplace như sau:
Trong đó: P áp lực của vải lên bề mặt mơ hình (đơn vi tính hPa)
T lực kéo giãn của vải (đơn vi tính cN) r bán kính mơ hình (đơn vi tính cm)
Trong nghiên cứu [27] tác giả và các cộng sự đã sử dụng định luật Laplace để tính tốn áp lực quần áo lên cơ thể người. Việc tính tốn áp lực quần áo lên cơ thể người dựa trên một số điều kiện giả định như: Áp lực lên cơ thể tuân theo định luật Laplace; Lực do vải tác dụng lên mơ 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 công thức sau:
P = 2𝜋𝐹
𝐺1𝑆 (1.13)
Hình 1.22. Mơ hình áp lực lên hình trụ [27]
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).
Với công thức (1.13) áp lực của vải lên mơ hình khối trụ hồn tồn có thể tính được. Việc tính tốn áp lực bằng lý thuyết nhằm so sánh với phép đo áp lực bằng thực
(1.12) P = T/r
nghiệm và đưa ra phương án thiết kế sản phẩm đạt được áp lực mong muốn. Tuy vậy phương pháp tính tốn bằng lý thuyết vẫn còn nhiều hạn chế, cần nhiều điều kiện giả thiết phi thực tế để tính tốn, chỉ áp dụng được cho một số trường hợp nhất định.
Tác giả Seyed Abbas và các cộng sự trong nghiên cứu [3] đã xây dựng cơng thức tính tốn áp lực trên mơ hình khối trịn xoay như trong hình 1.23.
Hình 1.23. Mơ hình tính tốn tổng qt áp lực của quần áo lên cơ thể người[3]
Xét trường hợp tổng quát, cơ thể người là một khối tròn xoay được tạo bởi phương pháp xoay một đường cong 2D quanh 1 trục. Phủ ra ngoài cơ thể một lớp quần áo bó sát có độ dày là t, khi đó vị trí mỗi điểm trên lớp quần áo sẽ được xác định bởi các thông số: ϕ, θ, r0 như trong hình 1.23.
Trong đó: ϕ là góc tạo bởi bán kính cong tại mỗi điểm trên lớp quần áo và trục tung; θ là góc xác định vị trí mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang; r0 bán kính cong của mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang.
Xét diện tích nhỏ ABCD trên lớp quần áo được tạo bởi hai mặt cắt đi qua trục xoay và hai mặt cắt theo phương ngang. Khi lớp quần áo tác động một áp lực p vào phía trong cơ thể, theo định luật 3 Newton, sẽ có một phản áp lực tác động ngược trở lại lớp quần áo. Phản áp lực này sẽ sinh ra ứng suất σθ, σϕ theo phương tiếp tuyến với đường cong kinh tuyến và đường cong vĩ tuyến.
𝑃
𝑡 = 𝜎𝜙
𝑟1 + 𝜎𝜃
𝑟2 (1.14)
Trong đó: P là áp lực của quần áo lên mơ hình; t là độ dày của vải; 𝜎𝜙 là ứng suất theo phương dọc; 𝜎𝜃 là ứng suất theo phương ngang; r1 là bán kính tại vị trí tính áp lực theo phương dọc; r2 là bán kính tại vị trí tính áp lực theo phương ngang.
Khi cơ thể người có dạng khối trụ và dạng khối nón cụt ta có cơng thức tính: 0 0 0 0 .( 1). . . . r t r r p E E t r r r r (1.15) 0 0 ( ) . .cos . . r r p E t r r (1.16)
Trong đó: Mơ đun đàn hồi E; Độ dày của vải t; Góc nghiêng ; Kích thước của quần áo trước khi mặc lên cơ thể r; Kích thước của quần áo sau khi mặc lên cơ thể r0.
Với những cơng thức trên việc tính tốn lý thuyết có thể thực hiện được trên mơ hình có bề mặt cứng tuyệt đối, khơng bị biến dạng dưới tác động áp lực của p.
Trong nghiên cứu khác tác giả Thomas, S., Fram, P. [28], áp lực của băng vải lên bề mặt mơ hình hình trụ được xác định bằng cách đo lực theo chu vi vùng cho trước cần thiết để kéo giãn mẫu tất tương ứng với cỡ thiết kế như trong hình 1.24.
Hình 1.24. Băng vải và đo giá trị kéo giãn băng vải[28]
Theo định luật Laplace, áp lực băng vải tỷ lệ thuận với sức căng của nó, và tỷ lệ nghịch với bán kính cong của bề mặt được ép nén.
P = F×n×4620
G×S (1.17)
Trong đó: P là áp lực, đơn vị mmHg ; F sức căng, đơn vị Kgf; G chu vi, đơn vị cm; n là số lớp vải; S chiều rộng băng vải (thông thường khi nghiên cứu, sử dụng băng
vải có chiều rộng 10 cm)
Nhận xét : Trên cơ sở công thức Laplace và việc sử dụng các dụng cụ thiết bị đo độ giãn vải, lực kéo giãn, các thơng số kích thước mơ hình giả định hoặc mơ hình tái tạo cơ thể người ta dễ dàng tính tốn áp lực lên từng vùng cơ thể. Nhược điểm chính của phương pháp là độ sai số của kết quả tính trong một số trường hợp như sự thay đổi bán kính cong mơ hình do tác động áp lực lên bề mặt, các phần cơ thể không hồn tồn có cấu trúc đặc trưng như hình trụ hoặc nón cụt, sức căng hay lực kéo giãn trên mặt không đồng đều do ma sát giữa bề mặt vải và da cơ thể.
1.2.2 Các phương pháp và thiết bị đo trực tiếp
Thiết bị đo AMI 3037 của hãng AMI Techno Co. Ltd Nhật Bản [29, 30]. Thiết bị sử dụng đầu đo là cảm biến áp khí có đường kính 20 mm, độ dày 1 mm, khoảng đo từ 0 đến 34 kPa, sai số trong phạm vi ± 0.03 kPa. Cảm biến được sử dụng đo áp lực tiếp xúc giữa quần áo với bề mặt cơ thể người hoặc ma-nơ-canh. Hệ thống này có thể cho phép thu thập dữ liệu 10 điểm đo và người quan sát có thể dự đốn được sự phân bổ tổng thể áp lực quần áo bó sát lên cơ thể con người.
Thiết bị có thể đo áp lực của trang phục lên các vị trí khác nhau của cơ thể người mặc với độ chính xác cao, sai số lặp lại kết quả giữa các lần đo thấp, kích thước nhỏ gọn. Nhược điểm: thiết bị có giá thành cao, nhà sản xuất chỉ cung cấp thiết bị đồng bộ, không cung cấp các chi tiết cấu thành chế tạo thiết bị.
Nghiên cứu của tác giả Tao Wu [31] đã thiết kế thiết bị đo áp lực băng nén lên cơ thể người sử dụng cảm biến lực. Các cảm biến lực được gắn vào một chân giả, kết nối với máy tính và hiển thị kết quả đo qua bộ phận xử lý tín hiệu (ADC-16) được minh họa trong hình 1.26, cảm biến có phạm vi đo từ 0 đến 5 N/cm2, sai số nhỏ (trong khoảng ± 0,5%). Cảm biến có kích thước lớn nên thiết bị chỉ phù hợp đo áp áp lực của quần áo lên các mơ hình giả định các bộ phận cơ thể người.
Hình 1.26. Mơ hình thiết bị đo áp lực băng nén [31]
Tác giả Tsang Wai Hang [32, 33] đã sử dụng hệ thống đo áp lực quần áo bó sát lên da cơ thể người. Áp lực tạo ra bởi quần bó sát được đo bởi cảm biến đặt bên trong. Tác giả sử dụng hệ thống đo áp lực (Flexiforce system) của hãng Tekscan, hệ thống