CN105468868B - 基于有限元法的橡胶文胸钢圈结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于有限元法的橡胶文胸钢圈结构设计方法。本发明首先获取基础橡胶钢圈的三维形态，并对基础橡胶钢圈进行真人试体，其次利用试体得到的钢圈三维位移，对钢圈变形进行有限元仿真分析，最后以三维人体模型的乳底轮廓作为橡胶钢圈受力变形后的形态基础，利用仿真分析得到的结果构建未受力的橡胶钢圈形态。本发明区别于其他金属钢圈，立足橡胶的物理属性，提供了一种具有数学和物理依据的钢圈结构设计方法，丰富和细化了现有钢圈的设计。
Description
技术领域
本发明属于文胸设计技术领域，具体是一种基于有限元法的橡胶文胸钢圈结构设计方法。
背景技术
由于女性胸部没有骨骼支撑，因此自然状态下的胸部可能产生下垂、晃动等现象，给女性造成尴尬和不便。穿着合体的文胸可以很好地改善此现象，在这一过程中，具有合适形态的钢圈对乳房起到重要的保护、承托和塑形作用。
钢圈在文胸穿着后会发生变形，最为直观的变化是钢圈开口方向的增加。为了保证钢圈的合体性与舒适性，达到钢圈的使用目的，就需要保证钢圈在变形以后的形态与人体乳房下缘轮廓线相吻合。
一般的钢圈材质为不锈钢材料，但是由于这种材质加工成的钢圈材质硬、刚度大，钢圈尖锐的两端可能会刺痛乳房，对人体造成伤害。基于这种现象，橡胶材质的钢圈应运而生，用橡胶材料制作的钢圈材质柔软坚韧，变形能力好，不会对人体造成伤害，并且在穿着后仍可保持对乳房的支撑能力。
尽管橡胶钢圈具有以上优势，但是橡胶材料和不锈钢材料的物理性能差异明显，即使是同一形态的钢圈由于材质的改变，其变形后的形态也大相径庭；同时，现有的钢圈结构一般为二维平面，在钢圈变形量的计算上缺乏人体数据指导，通常由设计师经验估算，缺乏理论依据。因此如果橡胶钢圈的结构设计依然沿用现有钢圈的设计方法，则钢圈在穿着后很难与三维的人体乳房下缘轮廓线相吻合，造成文胸塑形功能的减弱，这也是橡胶钢圈在推广应用的一个重要瓶颈。
有限元分析是利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟和分析，在工程力学问题中应用普遍，目前少有应用有限元方法辅助钢圈结构设计的研究。对于钢圈结构来说，由于钢圈形态为非线性曲线，用普通方式求解钢圈受力后的位移困难，而有限元方法可以快速解决非线性几何体的复杂施加条件，同时，有限元方法可以赋予钢圈对象的物理属性，能够较为真实的模拟橡胶材质钢圈的受力变形，因此有限元分析方法在解决橡胶材质的钢圈结构设计上是非常适用的。
发明内容
本发明的目的是：针对橡胶钢圈在结构设计上无法沿用过去经验、缺乏人体数据指导以及橡胶钢圈变形量难以估算的问题，提供一种基于有限元方法的橡胶钢圈结构设计方法，使橡胶钢圈在穿着后能够符合人体乳房下缘轮廓线，进而提高文胸钢圈着装合体性和舒适性。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是提供一种在基础橡胶钢圈形态的基础上，结合人体胸部特点进行橡胶钢圈设计的方法，包括以下步骤：
第一步、基础橡胶钢圈形态的获取：
利用三维扫描设备获取基础橡胶钢圈形态，在三维软件中建立基础橡胶钢圈实体模型；具体是：
步骤1、根据钢圈形态划分钢圈关键点，将三维扫描得到的钢圈的点云数据，导入逆向工程软件中，并测量钢圈关键点的三维坐标。
步骤2、将钢圈关键点的三维坐标转换为点群文件，导入到三维软件中，设计钢圈宽度、厚度参数，建立基础橡胶钢圈三维实体模型。
第二步、基础橡胶钢圈试体：
对基础橡胶钢圈进行真人试体，找到人体在文胸后比和肩带拉伸感觉舒适时钢圈所在位置，利用三维扫描设备获取钢圈变形后的形态，标记此时钢圈关键点位置，计算基础橡胶钢圈变形前后关键点的三维位移。
第三步、基于有限元法的基础橡胶钢圈变形仿真分析：
为了模拟钢圈真实的受力变形过程，对基础橡胶钢圈模型进行有限元分析，通过对钢圈模型施加第二步得到的关键点的三维位移载荷，求得基础橡胶钢圈在X、Y、Z方向受到的三维外力，并以此三维外力作为适体橡胶钢圈在文胸穿着时的受力，为进一步求得理想的橡胶钢圈形态奠定数据基础；具体是：
步骤1、基于有限元法的基础橡胶钢圈模型前处理：
步骤1.1、基础橡胶钢圈未受力的有限元模型的建立：将第一步中建立的基础橡胶钢圈三维实体模型导入有限元软件中，并构建有限元模型。
步骤1.2、设置钢圈材料属性：设置橡胶钢圈的物理材料参数，主要的参数包括：弹性模量Ex、泊松比Prxy和密度Density。
步骤1.3、选择基础橡胶钢圈结构单元类型：为了更好的模拟钢圈三维形态，选择适合构造钢圈实体结构的八节点六面体单元。
步骤1.4、划分基础橡胶钢圈结构网格，形成钢圈有限元模型。
步骤2、施加基础橡胶钢圈关键点三维位移约束：将第二步中得到的基础橡胶钢圈关键点的三维位移作为钢圈的约束条件，施加在钢圈的对应关键点上。
步骤3、求解基础橡胶钢圈关键点三维外力：在有限元软件中求解得到基础橡胶钢圈三维外力。
第四步、基于人体曲线的橡胶钢圈变形后三维形态的获取：
利用三维扫描设备对真实的人体进行扫描，提取人体乳房下缘轮廓线，并以此作为理想的橡胶钢圈着装变形后的形态，建立橡胶钢圈变形后的三维实体模型。
第五步、基于有限元法的橡胶钢圈变形仿真分析：
通过第三步得到的钢圈三维外力，对第四步建立的橡胶钢圈变形后的三维实体模型进行有限元处理，施加橡胶钢圈三维外力的负载荷，使钢圈受到反方向外力而回到未受力状态，进而在有限元软件中求得橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移。
第六步、未受力的橡胶钢圈形态的构建：
根据第四步得到的橡胶钢圈变形后的三维实体模型和第五步得到的橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移，计算橡胶钢圈未受力时关键点的三维坐标，进而在三维软件中建立理想的橡胶钢圈未受力的三维实体模型，这种模型经过制造加工便可形成文胸钢圈实物。
本发明的有益效果
1、本发明区别于其他金属钢圈，立足橡胶的物理属性，提供了一种具有数学和物理依据的钢圈结构设计方法，丰富和细化了现有钢圈的设计。
2、本发明从人体形态出发，将人体乳房下缘轮廓线作为文胸穿着钢圈受力变形后的形态，确保了文胸穿着时，钢圈部位的合体舒适。
3、本发明利用有限元方法对钢圈的受力变形过程进行仿真模拟，使钢圈的结构设计更加理性和可靠。
附图说明
图1为钢圈受力分析示意图；
图2钢圈八节点六面体单元示意图；
图3为本发明提供的一种基于人体形态的三维适体的橡胶钢圈的设计方法流程图；
图4为钢圈尺寸名称示意图；
图5为钢圈关键点的划分示意图；
图6为钢圈有限元模型网格划分情况示意图；
图7为人体乳房下缘轮廓线示意图；
图8为钢圈在文胸穿着后的变形趋势的三视图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明方法包括以下步骤：
第一步、基础橡胶钢圈形态的获取：
利用三维扫描设备获取基础橡胶钢圈形态，在三维软件中建立基础橡胶钢圈实体模型；
优选地，在所述第一步中，基础橡胶钢圈形态的获取的步骤为：
步骤1、根据钢圈形态划分钢圈关键点，将三维扫描得到的钢圈的点云数据导入逆向工程软件中，并测量钢圈关键点的三维坐标。
步骤2、将钢圈关键点的三维坐标转换为点群文件，导入到三维软件中，设计钢圈宽度、厚度参数，建立基础橡胶钢圈三维实体模型。
第二步、基础橡胶钢圈试体：
图1为钢圈的受力分析示意图，（其中F1为肩带拉力、F2为后比拉力、Gg为钢圈的重力、FN为乳房对钢圈在竖直方向的压力、F3为乳房对钢圈在水平方向的压力、N为文胸包条对钢圈的压力）可知钢圈变形主要受肩带拉力F1和后比拉力F2的拉伸影响。对基础橡胶钢圈进行真人试体，找到人体在文胸后比和肩带拉伸感觉舒适时钢圈所在位置，利用三维扫描设备获取钢圈变形后的形态，标记此时钢圈关键点位置，计算基础橡胶钢圈变形前后关键点的三维位移。
第三步、基于有限元法的基础橡胶钢圈变形仿真分析：
为了模拟钢圈真实的受力变形过程，对基础橡胶钢圈模型进行有限元分析，通过对钢圈模型施加第二步得到的关键点的三维位移载荷，求得基础橡胶钢圈在X、Y、Z方向受到的三维外力，并以此三维外力作为适体橡胶钢圈在文胸穿着时的受力，为进一步求得理想的橡胶钢圈形态奠定数据基础。
优选地，在所述第三步中，基于有限元法的基础橡胶钢圈变形仿真分析的步骤为：
步骤1、基于有限元法的基础橡胶钢圈模型前处理：
步骤1.1、基础橡胶钢圈未受力的有限元模型的建立：将第一步中建立的基础橡胶钢圈三维实体模型导入有限元软件中，并构建有限元模型。
步骤1.2、设置钢圈材料属性：设置橡胶钢圈的物理材料参数，主要的参数包括：弹性模量Ex(pa)、泊松比Prxy和密度Density(kg/m3)。
步骤1.3、选择基础橡胶钢圈结构单元类型：为了更好的模拟钢圈三维形态，选择适合构造钢圈实体结构的八节点六面体单元（如图2）。
步骤1.4、划分基础橡胶钢圈结构网格，形成钢圈有限元模型。
步骤2、施加基础橡胶钢圈关键点三维位移约束：将第二步中得到的基础橡胶钢圈关键点的三维位移作为钢圈的约束条件，施加在钢圈的对应关键点上。
步骤3、求解基础橡胶钢圈关键点三维外力：在有限元软件中求解得到基础橡胶钢圈各关键点的三维外力。
第四步、基于人体曲线的橡胶钢圈变形后三维形态的获取：
利用三维扫描设备对真实的人体进行扫描，提取人体乳房下缘轮廓线，并以此作为理想的橡胶钢圈着装变形后的形态，建立橡胶钢圈变形后的三维实体模型。
第五步、基于有限元法的橡胶钢圈变形仿真分析：
通过第三步得到的钢圈三维外力，对第四步建立的橡胶钢圈变形后的三维实体模型进行有限元处理，施加橡胶钢圈三维外力的负载荷，使钢圈受到反方向外力而回到未受力状态，进而在有限元软件中求得橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移。在这一过程中，有限元分析真实的模拟了橡胶钢圈在文胸穿着时的受力，克服了现有橡胶钢圈结构设计缺乏理论依据的缺陷。
第六步、未受力的橡胶钢圈形态的构建：
根据第四步得到的橡胶钢圈变形后的三维实体模型和第五步得到的橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移，计算橡胶钢圈未受力时关键点的三维坐标，进而在三维软件中建立理想的橡胶钢圈未受力的三维实体模型，这种模型经过制造加工便可形成文胸钢圈实物。
为使本发明更明显易懂，下面详细解释本方法在实际操作的过程，并配合附图作进行说明。
如图3所示，本实施例的步骤为：
第一步、基础橡胶钢圈形态的获取：
步骤1.选择基础橡胶钢圈，钢圈参数为：宽度w=2.1mm，厚度d=0.9mm，内侧高IH=4.8cm，外侧高OH=7.4cm，外径弧长OL=17.7cm，开口宽度L=10.2cm（如图4所示），为了更好的模拟钢圈曲线形态，根据钢圈形态特点，将基础橡胶钢圈划分11个关键点（如图5所示），各具体位置见下表：
| 关键点名称 | 位置 |
| A | 钢圈鸡心位点 |
| B | 弧线AE四等分点 |
| C | 弧线AE四等分点 |
| D | 弧线AE四等分点 |
| E | 钢圈最低点/曲率最大的拐点 |
| F | 弧线EK六等分点 |
| G | 弧线EK六等分点 |
| H | 弧线EK六等分点 |
| I | 弧线EK六等分点 |
| J | 弧线EK六等分点 |
| K | 钢圈端点 |
步骤2.采用高精度的便携式三维扫描仪对基础橡胶钢圈进行扫描。
步骤3.将得到的钢圈点云数据*.wrl格式导入逆向工程软件Geomagic Studio中进行数据预处理，转换为*.wrp格式，在“测量”工具中得到钢圈关键点的三维坐标。
步骤4.将关键点的三维坐标转换为.ibl点群文件，导入Pro/Engineer软件中，并设置钢圈宽度和厚度参数，建立基础橡胶钢圈三维实体模型，格式为.prt。
第二步、基础橡胶钢圈试体：
步骤1.将基础橡胶钢圈套穿在相匹配的文胸中（匹配是指，如果人体为160/84A，选择75B，3/4罩杯文胸，则钢圈也同样选择75B，3/4型钢圈）进行真人试穿，调整文胸肩带和后比的拉力，直到人体感觉舒适。
步骤2.标记文胸舒适拉力下钢圈变形后的关键点位置，利用便携式三维扫描仪获取标记的关键点位置，并且在逆向工程软件Geomagic Studio中进行点云数据预处理，再利用“测量”工具获得基础橡胶钢圈变形后每个关键点的三维坐标。
步骤3.计算基础橡胶钢圈变形前后关键点的三维位移。
第三步、基于有限元法的基础橡胶钢圈变形仿真分析：
步骤1.基于有限元法的基础橡胶钢圈模型前处理：
步骤1.1将步骤一中建立的基础橡胶钢圈三维实体模型导入有限元处理软件Ansys中，准备构建基础橡胶钢圈有限元模型。
步骤1.2选择钢圈结构单元类型：选择适合构造钢圈固体结构的8节点六面体单元，它是可以较好模拟钢圈立体形态的有限元单元，这种单元对应在有限元软件Ansys的编号为solid185单元。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁ preprocessor ǁ element type ǁ add/edit/delete ǁ solid ǁBrick 8 node 185 。
步骤1.3设置钢圈材料物理属性：钢圈材料物理属性决定钢圈的变形能力，对钢圈的设计极其重要。钢圈主要的物理参数包括：弹性模量Ex、泊松比Prxy、密度Density。输入橡胶材料的物理参数：Ex=7.8e6pa、Prxy=0.47、Density=1300kg/m3，实际操作时，此参数亦可根据测试得到的材料物理属性进行调整。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁpreprocessor ǁ material props ǁ material models ǁstructural ǁ linear ǁ elastic ǁ isotropic。
步骤1.4划分钢圈结构网格：由于钢圈结构较规则，故采用自动划分网格的方式，网格划分的等级为2，属于精细网格，图6显示了钢圈有限元模型网格划分的整体及细节。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁpreprocessor ǁ mesh toolǁ smart size。
步骤2. 基础橡胶钢圈关键点三维位移载荷的施加：将钢圈鸡心点做固定端约束，由第二步中得到的基础橡胶钢圈变形前后关键点的三维位移，将此位移作为钢圈的约束条件，施加在钢圈对应的关键点上。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁ solution ǁ apply ǁ structural ǁ displacement ǁ on nodes。
步骤3. 基础橡胶钢圈关键点三维外力的求解：在有限元软件中求解得到基础橡胶钢圈各关键点的三维外力。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁ general postprocǁ list results ǁ nodal solution ǁ listnodal solution。
第四步、基于人体曲线的橡胶钢圈变形后三维形态的获取：
利用三维扫描仪对真实的人体进行扫描，如图7所示，在逆向工程软件GeomagicStudio中提取人体乳房下缘轮廓线，其位置在沿胸部边缘曲率最大的部位，鸡心位高度不宜超过胸围线，侧位高度不宜低于胸围线，最低点在下胸围线，并以此作为橡胶钢圈穿着在人体上发生变形后的形态，建立橡胶钢圈变形后的三维实体模型(.prt)。
第五步、基于有限元法的橡胶钢圈变形仿真分析：
步骤1.橡胶钢圈有限元模型前处理：
步骤1.1.将第四步中建立的橡胶钢圈变形后的三维实体模型导入有限元处理软件Ansys中，准备橡胶钢圈变形后的三维实体模型的建立。
步骤1.2选择钢圈结构单元类型：选择能较好模拟钢圈立体形态的八节点六面体实体单元，这种单元对应在有限元软件Ansys的编号为solid185。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁpreprocessor ǁelement type ǁadd/edit/delete ǁ solid ǁBrick 8 node 185。
步骤1.3设置钢圈材料物理属性：同样的，赋予橡胶钢圈的物理材料的属性。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁpreprocessor ǁ material props ǁ material models ǁstructural ǁ linear ǁ elastic ǁ isotropic。
步骤1.4划分钢圈结构网格：与第三步相同的是，采用自动划分网格的方式，划分等级为2级，为了保证计算的准确，在划分钢圈结构网格时应尽量保证钢圈单元接近正六面体。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁpreprocessor ǁ mesh toolǁ smart sizeǁ hexǁ sweepǁ mesh。
步骤2. 施加橡胶钢圈三维外力的负载荷：将钢圈鸡心点做固定端约束，由第三步中得到的基础橡胶钢圈在X、Y、Z方向受到的三维外力，将外力的反作用力作为橡胶钢圈的外力载荷条件，施加在钢圈对应的关键点上。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁ solutionǁ applyǁ structuralǁ force momentǁ on nodes。
步骤3.求解橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移：在有限元软件中求解得到橡胶钢圈各关键点变形后与变形前的三维位移，如图8所示，可以看到钢圈在文胸穿着后三个维度方向的变形趋势。这一过程在有限元软件Ansys中的操作为：
Main menu ǁ general postprocǁ list results ǁ nodal solution ǁ listnodal solution。
第六步、未受力的橡胶钢圈形态的构建：
根据第四步得到的橡胶钢圈变形后的三维实体模型和第五步得到的橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移，计算橡胶钢圈未受力时关键点的三维坐标，将此三维坐标转换为.ibl点群文件，在Pro/Engineer软件中对钢圈宽度w和厚度d进行设置，进而建立理想的橡胶钢圈未受力的三维实体模型(.prt)。
本发明克服了现有橡胶钢圈设计中缺乏人体数据指导和钢圈变形理论依据，致使钢圈在穿着后难以吻合人体乳房下缘轮廓线的问题，提供一种着眼于人体胸部形态的适体橡胶钢圈设计方法，提高了文胸橡胶钢圈的合体性与舒适性，这种方法可运用于橡胶钢圈的个性化定制与推广，体现以人为本的钢圈设计理念，满足消费者的个性化要求。
Claims (1)
1.基于有限元法的橡胶文胸钢圈结构设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步、基础橡胶钢圈形态的获取：
利用三维扫描设备获取基础橡胶钢圈形态，在三维软件中建立基础橡胶钢圈实体模型；具体是：
步骤1、根据钢圈形态划分钢圈关键点，将三维扫描得到的钢圈的点云数据，导入逆向工程软件中，并测量钢圈关键点的三维坐标；
步骤2、将钢圈关键点的三维坐标转换为点群文件，导入到三维软件中，设计钢圈宽度、厚度参数，建立基础橡胶钢圈三维实体模型；
第二步、基础橡胶钢圈试体：
对基础橡胶钢圈进行真人试体，找到人体在文胸后比和肩带拉伸感觉舒适时钢圈所在位置，利用三维扫描设备获取钢圈变形后的形态，标记此时钢圈关键点位置，计算基础橡胶钢圈变形前后关键点的三维位移；
第三步、基于有限元法的基础橡胶钢圈变形仿真分析：
为了模拟钢圈真实的受力变形过程，对基础橡胶钢圈模型进行有限元分析，通过对钢圈模型施加第二步得到的关键点的三维位移载荷，求得基础橡胶钢圈在X、Y、Z方向受到的三维外力，并以此三维外力作为适体橡胶钢圈在文胸穿着时的受力，为进一步求得理想的橡胶钢圈形态奠定数据基础；具体是：
步骤1、基于有限元法的基础橡胶钢圈模型前处理：
步骤1.1、基础橡胶钢圈未受力的有限元模型的建立：将第一步中建立的基础橡胶钢圈三维实体模型导入有限元软件中，并构建有限元模型；
步骤1.2、设置钢圈材料属性：设置橡胶钢圈的物理材料参数，主要的参数包括：弹性模量Ex、泊松比Prxy和密度Density；
步骤1.3、选择基础橡胶钢圈结构单元类型：为了更好的模拟钢圈三维形态，选择适合构造钢圈实体结构的八节点六面体单元；
步骤1.4、划分基础橡胶钢圈结构网格，形成钢圈有限元模型；
步骤2、施加基础橡胶钢圈关键点三维位移约束：将第二步中得到的基础橡胶钢圈关键点的三维位移作为钢圈的约束条件，施加在钢圈的对应关键点上；
步骤3、求解基础橡胶钢圈关键点三维外力：在有限元软件中求解得到基础橡胶钢圈三维外力；
第四步、基于人体曲线的橡胶钢圈变形后三维形态的获取：
利用三维扫描设备对真实的人体进行扫描，提取人体乳房下缘轮廓线，并以此作为理想的橡胶钢圈着装变形后的形态，建立橡胶钢圈变形后的三维实体模型；
第五步、基于有限元法的橡胶钢圈变形仿真分析：
通过第三步得到的钢圈三维外力，对第四步建立的橡胶钢圈变形后的三维实体模型进行有限元处理，施加橡胶钢圈三维外力的负载荷，使钢圈受到反方向外力而回到未受力状态，进而在有限元软件中求得橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移；
第六步、未受力的橡胶钢圈形态的构建：
根据第四步得到的橡胶钢圈变形后的三维实体模型和第五步得到的橡胶钢圈各个关键点变形前后的三维位移，计算橡胶钢圈未受力时关键点的三维坐标，进而在三维软件中建立理想的橡胶钢圈未受力的三维实体模型，这种模型经过制造加工便可形成文胸钢圈实物。
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