CN111563334A - 一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，具体包括如下步骤：步骤1，获取人体上半身的点云数据模型；步骤2，获得人体胸部模型的曲面模型；步骤3，构建出人体各组织的实体模型；步骤4，构建人体胸部有限元模型；步骤5，将运动文胸的后带及肩带进行剪开，将变形前的运动文胸贴在人体胸部表面进行三维人体扫描，获取变形前的运动文胸点云数据，将运动文胸的点云数据进行处理生成曲面模型；步骤6，获取运动文胸的弹性模量和泊松比；步骤7，获得乳房及人体胸部的压力及位移的云图。本发明根据人体模型穿着运动文胸的过程，得到乳房及人体的压力位移分布情况，从而达到预测运动文胸穿着过程中的压力及位移变化情况。
Description
技术领域
本发明属于纺织服装技术领域，涉及一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法。
背景技术
女性在穿着运动文胸时，文胸与人体胸部产生的挤压，会影响穿着时的压力舒适性，导致产生疼痛的现象，尤其对于专业的女性运动员来说是至关重要的，不论在平时的训练及比赛中，一件合体舒适且支撑良好的运动文胸能够改善运动者的运动状态，提高运动成绩。女性穿着运动文胸时出现的疼痛主要来自于乳房的压力及移动所引起的。运动员在训练及比赛中这种剧烈的胸部摆动及压力很可能伤及乳房的弹性纤维组织，导致组织永久性伤害，导致胸部下垂和变形。运动文胸的研究不仅能够减少女性胸部减少伤害，而且能够为运动者提供更好的运动状态。这就需要对运动文胸的穿着过程中乳房及人体的压力、位移的大小变化进行研究，从而对运动文胸的设计开发提供参考依据，但是对于运动文胸穿着过程中人体压力及位移的变化测量非常的复杂、不方便、且消耗时间。
2003年Li Y，Zhang X构建了刚性躯体及弹性乳房的三维胸部力学模型来研究运动文胸和乳房的动态接触作用；2004年，Okabe和Kurokawa对文胸舒适性和服装压力间的关系进行了研究；2016年，邱江元通过构建有限元模型来模拟穿着文胸过程中乳房的变化，但是其模型只分为乳房模型和躯干模型两部分且躯干设置为刚体；2019年，Sun Yue，YickKit-lun分析了影响文胸设计的影响因素，并通过构建人体模型及文胸各个部件模型进行文胸穿着模拟研究，但是其人体躯干模型是一个整体，没能对人体各组织进行建模。对于文胸穿着模拟的人体建模大部分作为刚体考虑且只分为人体躯干和乳房两部分结构，在对人体进行更加细致的建模及柔性体材料的赋予应该加以考虑。
发明内容
本发明的目的是提供一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，该方法通过三维人体扫描技术构建出三维人体模型，根据人体模型穿着运动文胸的过程，得到乳房及人体的压力位移分布情况，从而达到预测运动文胸穿着过程中的压力及位移变化情况。
本发明所采用的技术方案是，一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，通过非接触式扫描仪对人体上半身点云数据的获取，将软体假人模特进行扫描将上半身全部扫描，得到人体上半身的点云数据模型；
步骤2，对步骤1获得的人体上半身点云数据进行处理，截取需要构建胸部模型的点云数据进行预处理获得人体胸部模型的曲面模型；
步骤3，根据步骤2获得的人体胸部曲面模型生成胸部实体模型，利用该实体模型运用布尔运算构建出人体各组织的实体模型；
步骤4，构建人体胸部有限元模型；
步骤5，将运动文胸的后带及肩带进行剪开，将变形前的运动文胸贴在人体胸部表面进行三维人体扫描，获取变形前的运动文胸点云数据，将运动文胸的点云数据进行处理生成曲面模型；
步骤6，获取运动文胸的弹性模量和泊松比；
步骤7，将剪开后未变形的运动文胸穿着在人体胸部模型上并测出肩带及后带需要拉伸的位移，将肩带及后带拉伸的位移作为有限元计算的约束条件进行求解计算，得到人体胸部及乳房的压力和位移值，从而根据该压力和位移值获得乳房及人体胸部的压力及位移的云图。
本发明的特点还在于，
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，将三维人体扫描的点云数据在逆向建模软件中进行截取，选取颈椎点以下，腰围线以上的区域；
步骤2.2，将步骤2.1截取的胸部点云数据进行统一，删除体外孤点，得到完整的人体胸部模型，并进行封装生成三角面片模型；
步骤2.3，将步骤2.2得到的三角面片模型进行简化，填充孔，删除钉状物，去除特征，平面裁剪操作生成光滑的人体胸部模型；
步骤2.4，对光滑的三角面片人体模型进行精确曲面处理，探测轮廓线，最后进行构造格栅，拟合曲面生成完整的曲面片模型。
步骤3中人体各组织包括皮肤层、脂肪层、肌肉层、乳房组织及骨骼。
述步骤3的具体过程为：
步骤3.1，将步骤2中得到的人体胸部曲面模型在逆向建模软件中删除乳房结构的三角曲面片，运用填充孔工具将删除部位进行填充，并将模型进行扩大0.01倍，保存为无乳房胸部曲面模型；
步骤3.2，通过无乳房胸部曲面模型生成无乳房胸部实体模型；
步骤3.3，将人体胸部实体模型及无乳房胸部实体模型导入到solidworks中，运用组合的方式删减去无乳房胸部模型从而得到乳房实体模型，并将乳房实体模型与人体胸部模型进行组合生成删减掉乳房后的实体模型；
步骤3.4，对删减掉乳房后的实体模型运用抽壳的方法，分别生成皮肤、脂肪、肌肉及骨骼。
步骤5的具体过程为：
步骤5.1，将运动文胸的后带沿后中心线剪开，将北部肩带与后带交界处进行剪开，得到运动文胸未变形之前的实体；
步骤5.2，将步骤5.1中剪开的运动文胸展开按照穿着时对应的位置贴合在人体模型的胸部，进行三围扫描获取运动文胸的点云数据；
步骤5.3，将运动文胸的点云数据进行封装生成三角面片的曲面模型，通过删除钉状物、填充孔、去除特征的操作生成光滑的运动文胸模型；
步骤5.4，通过精确曲面处理，构建曲面片，构建格栅操作生成拟合曲面，得到完整的运动文胸曲面模型。
本发明的有益效果是，采用本发明的方法采用三维人体扫描技术可以快速构建出三维人体模型，并通过三维实体软件可快速构建出人体的乳房，皮肤层，脂肪层，肌肉层，骨骼等组织结构，将穿着前未变形的运动文胸后带及肩带剪开贴合在人体胸部构建运动文胸模型，并通过后带及肩带的位移变化作为有限元模型构建的约束条件，用以模拟运动文胸穿着过程，从而得到乳房及人体的压力位移分布情况，从而达到预测运动文胸穿着过程中的压力及位移变化情况。
附图说明
图1为本发明的一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布方法的大致流程图；
图2为本发明实施例中的人体三维扫描点云图；
图3为本发明实施例中的人体胸部曲面模型图；
图4为本发明实施例中的人体曲面探测轮廓线图；
图5为本发明实施例中的人体胸部拟合曲面图；
图6为本发明实施例中的人体皮肤层实体模型；
图7为本发明实施例中的人体脂肪实体模型图；
图8为本发明实施例中的人体肌肉实体模型图；
图9为本发明实施例中的人体乳房实体模型图；
图10为本发明实施例中的人体骨骼实体模型图；
图11为本发明实施例中的人体去乳房曲面模型图；
图12为本发明实施例中的人体胸部实体模型图；
图13为本发明实施例中的运动文胸三维扫描点云数据图；
图14为本发明实施例中的文胸三维扫描点云数据图；
图15(a)、(b)为本发明实施例中的运动文胸与软体假人贴合标记点图；
图16为本发明实施例中的人体各组织装配实体模型图；
图17为本发明实施例中的人体胸肌材料赋予区域图；
图18为本发明实施例中的人体有限元网格模型的总体装配图；
图19(a)～(c)为本发明实施例中的位移边界条件设置图；
图20为本发明实施例的位移变形云图；
图21为本发明实施例的压力云图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，该方法的分析流程如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤1，通过非接触式扫描仪对人体上半身点云数据的获取，将软体假人模特进行扫描将上半身全部扫描，得到人体上半身的点云数据模型，如图2所示；
步骤2，对上半身点云数据进行处理，截取需要构建胸部模型的点云数据进行预处理获得人体胸部曲面模型，如图3所示；
步骤2.1，将三维人体扫描的点云数据在逆向建模软件中进行截取，选取颈椎点以下，腰围线以上的区域；
步骤2.2，将截取的胸部点云数据进行统一，删除体外孤点，减少噪音点得到完整的人体胸部模型，并进行封装生成三角面片模型；
步骤2.3，将三角面片模型进行简化，填充孔，删除钉状物，去除特征，平面裁剪操作生成光滑的人体胸部模型；
步骤2.4，对光滑的三角面片人体模型进行精确曲面处理，探测轮廓线，其中包括构建颈围线，胸围线，腰围线部位进行划分，如图4所示，便于构建规则的曲面片，最后进行构造格栅，拟合曲面生成完整的曲面片模型如图5所示；
步骤2.5，为了验证模型的误差大小，进行偏差分析，从而构建更加贴合实际的曲面模型。
步骤3，通过人体胸部曲面模型生成胸部实体模型，进而生成人体各组织的实体模型，包括皮肤层为1.5mm，脂肪层5mm，肌肉层5mm，乳房组织及骨骼如图6、7、8、9、10所示；
步骤3.1，将步骤2中得到的人体胸部曲面模型在逆向建模软件中删除乳房结构的三角曲面片，运用填充孔工具将删除部位进行填充，并将模型进行扩大0.01倍，保存为无乳房胸部曲面模型，如图11所示；
步骤3.2，通过无乳房胸部曲面模型生成无乳房胸部实体模型；
步骤3.3，将如图12所示的人体胸部实体模型及无乳房胸部实体模型导入到solidworks中，运用组合的方式删减去无乳房胸部模型从而得到乳房实体模型，并将乳房实体模型与人体胸部模型进行组合生成删减掉乳房后的实体模型；
步骤3.4，对删减掉乳房后的实体模型运用抽壳的方法，分别生成1.5mm的皮肤，5mm的脂肪，5mm的肌肉及剩下的骨骼；
步骤4，构建人体胸部有限元模型，其中皮肤层，脂肪层，肌肉层，乳房均为粘弹性材料，骨骼为弹塑性材料，乳房为橡胶材料，密度为1000Kg/m3，Mooney-Rivlin系数为C10＝0.05Kpa，C01＝0.052Kpa，C11＝0.375Kpa，C20＝0.78Kpa，C02＝0.63Kpa；皮肤的弹性模量为200Kpa，泊松比为0.5；脂肪的弹性模量为25Kpa，泊松比为0.4；肌肉的弹性模量为800Kpa，泊松比为0.4；骨骼的弹性模量为1200Mpa，泊松比为0.2；
步骤5，将运动文胸的后带及肩带进行剪开，将变形前的运动文胸贴在人体胸部表面进行三维人体扫描，获取变形前的运动文胸点云数据，，将运动文胸的点云数据进行处理生成曲面模型；
步骤5.1，将运动文胸的后带沿后中心线剪开，将北部肩带与后带交界处进行剪开，得到运动文胸未变形之前的实体；
步骤5.2，将步骤5.1中剪开的运动文胸展开按照穿着时对应的位置贴合在人体模型的胸部，进行三围扫描获取运动文胸的点云数据，如图13所示；
步骤5.3，将运动文胸的点云数据进行封装生成三角面片的曲面模型，通过删除钉状物，填充孔，去除特征的操作生成光滑的运动文胸模型；
步骤5.4，通过精确曲面处理，构建曲面片，构建格栅操作生成拟合曲面，得到完整的运动文胸曲面模型，如图14所示。
步骤5.5，为了验证模型的误差大小，进行偏差分析，从而构建更加贴合实际的曲面模型。,
步骤6通过拉伸实验得出运动文胸的弹性模量为0.527Mpa，泊松比为0.25；
步骤7，将剪开后的运动文胸穿着在人体胸部模型并测出肩带及后带需要拉伸的长度(使得肩带及后带拉伸到穿着下的位置)，并将测量值作为有限元模型的位移约束条件输入到有限元模型中进行求解，从而获得乳房及人体胸部的压力及位移的云图。
上述的运动文胸的拉伸位移获取如下步骤所示：
(1)材料的选取
选取的是迪卡侬面料成分相似的中强度运动文胸(面料成分为90％的聚酯纤维，10％的氨纶)作为本发明的运动文胸研究用材料。
(2)拉伸位移的测量
为了能够测出运动文胸穿着后拉伸的位移变化，将运动文胸的肩带与后带相连处剪开，将后带沿中心处剪开，以便测量其拉伸的位移。位移的测量分为以下两个步骤所示：
1、将剪开后的运动文胸按照对应点贴合在软体假人的胸部，以便进行三维扫描建立运动文胸的模型以及测量运动文胸需要拉伸的位移大小。其中选取9个对应点作为运动文胸与人体胸部贴合时的参考点，包括2个对称的乳点A和A’，2个对称的胸下围中点C和C’，2个对称的肩带与肩膀接触的顶点D和D’，1个位于两个乳房中部且与乳点在同一条直线上点B,如图15(a)所示，2个对称的腋窝向下与下围织带接触点E和E’，对应的点如图15(b)所示。
2、将贴合好的运动文胸通过对肩带及后带的拉伸到对应的位置来测量位移的变化量，①首先对后带进行拉伸，其中将左侧肩带1及右侧肩带2贴着后背皮肤同时向中间拉伸，拉伸至后背中间位置3并左右侧后带连接上为止，测量左侧后带及右侧后带均需要向中间拉伸20mm。②将左右两侧肩带贴着皮肤向下拉伸，拉伸至肩带与后带相连接上位置，测得均需拉伸长度为30mm。
实施例：
(1)人体胸部及文胸点云数据的获取
通过三维人体扫描仪对软体假人进行扫描，首先得到人体点云数据。然后将剪开的运动文胸贴合在人体身上进行扫描，在对运动文胸进行扫描的时候要求假人人台放置的位置与之前扫描时的位置重合，以便运动文胸与人体模型装配时坐标的一致。
(2)对人体胸部及运动文胸点云数据的处理
将(1)中获取的点云数据保存为obj格式，导入到逆向建模软件中进行截取，截取出颈椎点一下，腰围线以上的区域，对保留的点云数据进行删除体外孤点，去除噪音点，封装后生成人体胸部的三角曲面片模型，再通过多边形工具中的简化，填充孔，删除钉状物，去除特征，平面裁剪操作生成光滑的人体胸部模型，最后通过精确曲面处理，探测轮廓线，其中包括构建颈围线，胸围线，腰围线部位进行划分，便于构建规则的曲面片，最后进行构造格栅，拟合曲面生成完整的曲面片模型；在对运动文胸的点云数据处理中，先删除掉除运动文胸外的人体点云数据，同样进行删除体外孤点，去除噪音点，封装生成运动文胸的三角面片模型，再通过多边形工具中的简化，填充孔，删除钉状物，去除特征，平面裁剪操作生成光滑的人体胸部模型，最后通过精确曲面处理，探测轮廓线，构造格栅，拟合曲面生成完整的曲面片模型。
(3)人体胸部实体模型的构建及各组织的划分方法
将上述(2)中的光滑的人体曲面模型通过三维建模软件保存为.x_t的实体模型格式。在对人体各组织的生成中，首先将人体胸部实体模型及去乳房的胸部实体模型导入到三维建模软件中，运用组合相减的方式从而得到人体乳房模型；将去除乳房的三维实体模型运用抽壳的方式分别生成皮肤层，脂肪层，肌肉层，骨骼组织结构，其中皮肤层为1.5mm，脂肪层5mm，肌肉层5mm。人体的总体装配图如图16所示。
(4)人体胸部及运动文胸有限元模型的建立
人体胸部结构的主要是由乳房，皮肤，脂肪，肌肉，骨骼组成。建立有限元模型是为了能够模拟出真实的效果，其中几何实体模型的建立以及模型材料参数对结果的精度影响较大。为了能够真实的模拟出运动文胸穿着过程中的人体压力及位移的变化，将人体的各部位组织模型进行了构建。将人体模型进行简化，如(3)中所示的实体模型，对各组织实体模型进行网格划分并赋予材料参数，几何特征从而生成有限元人体模型，分别对皮肤层，脂肪层，肌肉层赋予相应的材料，其中对胸肌的材料赋予区域如图17所示。图18为人体有限元网格模型的总体装配图。
人体及运动文胸有限元模型材料参数的设置如表1所示：
表1
对于人体各组织间及人体与运动文胸间的复杂接触关系设置如下表2所示：
表2
(5)约束条件的施加与求解
运用msc.marc进行有限元仿真，其求解器主要致力于非线性静力学求解，适合对于人体这种材料非线性的模型，通过加载肩带位移及后带位移约束来实现运动文胸对人体的压力，加载位置及方向如图19(a)(b)(c)所示，其它的约束为对人体6个自由度的固定，对运动文胸下围织带Y向位移的固定及乳房的重力添加。在分析工况中建立静力学分析，选择大变形且存在跟随力，求解方法选择牛顿拉夫森方法。创建分析任务，选取以上创建的载荷条件，分析工况，选取求解后需要输出的压力，位移参数，检查模型无错误后进行提交运算。最终计算出乳房的位移变化运动如图20所示，乳房压力变化云图如图21所示。
本发明一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，首先，对人体的点云数据通过逆向工程的方法获取后选取胸部的点云数据及后带与肩带剪开变形前的运动文胸的点云数据，并对胸部的点云数据进行预处理，获得曲面模型，通过人体胸部的曲面模型构建其实体模型，并通过布尔运算的方法获得乳房模型，通过抽壳的方法获得皮肤层，脂肪层，肌肉层，骨骼层，进而构建人体胸部及运动文胸的有限元模型，其中乳房为橡胶材料，密度为1000Kg/m3，Mooney-Rivlin系数为C10＝0.05Kpa，C01＝0.052Kpa，C11＝0.375Kpa，C20＝0.78Kpa，C02＝0.63Kpa；皮肤的弹性模量为200Kpa，泊松比为0.5；脂肪的弹性模量为25Kpa，泊松比为0.4；肌肉的弹性模量为800Kpa，泊松比为0.4；骨骼的弹性模量为1200Mpa，泊松比为0.2；运动文胸的弹性模量为0.527Mpa，泊松比为0.25。通过将变形前的运动文胸穿着在人体上并测量穿着过程中肩带及后带拉伸的位移，将获取的位移量施加在模型上作为运动文胸穿着过程的约束条件进行求解，从而获取运动文胸穿着过程中的人体的等效应力及乳房位移变化图。
Claims (5)
1.一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，通过非接触式扫描仪对人体上半身点云数据的获取，将软体假人模特进行扫描将上半身全部扫描，得到人体上半身的点云数据模型；
步骤2，对步骤1获得的人体上半身点云数据进行处理，截取需要构建胸部模型的点云数据进行预处理获得人体胸部模型的曲面模型；
步骤3，根据步骤2获得的人体胸部曲面模型生成胸部实体模型，利用该实体模型运用布尔运算构建出人体各组织的实体模型；
步骤4，构建人体胸部有限元模型；
步骤5，将运动文胸的后带及肩带进行剪开，将变形前的运动文胸贴在人体
胸部表面进行三维人体扫描，获取变形前的运动文胸点云数据，将运动文胸的点云数据进行处理生成曲面模型；
步骤6，获取运动文胸的弹性模量和泊松比；
步骤7，将剪开后的运动文胸穿着在人体胸部模型并测出肩带及后带需要拉伸的位移，将肩带及后带拉伸的位移作为有限元计算的约束条件进行求解计算，得到人体胸部及乳房的压力和位移值，从而根据该压力和位移值获得乳房及人体胸部的压力及位移的云图。
2.根据权利要求1所述的一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，将三维人体扫描的点云数据在逆向建模软件中进行截取，选取颈椎点以下，腰围线以上的区域；
步骤2.2，将步骤2.1截取的胸部点云数据进行统一，删除体外孤点，得到完整的人体胸部模型，并进行封装生成三角面片模型；
步骤2.3，将步骤2.2得到的三角面片模型进行简化，填充孔，删除钉状物，去除特征，平面裁剪操作生成光滑的人体胸部模型；
步骤2.4，对光滑的三角面片人体模型进行精确曲面处理，探测轮廓线，最后进行构造格栅，拟合曲面生成完整的曲面片模型。
3.根据权利要求2所述的一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，其特征在于：所述步骤3中人体各组织包括皮肤层、脂肪层、肌肉层、乳房组织及骨骼。
4.根据权利要求3所述的一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：
步骤3.1，将步骤2中得到的人体胸部曲面模型在逆向建模软件中删除乳房结构的三角曲面片，运用填充孔工具将删除部位进行填充，并将模型进行扩大0.01倍，保存为无乳房胸部曲面模型；
步骤3.2，通过无乳房胸部曲面模型生成无乳房胸部实体模型；
步骤3.3，将人体胸部实体模型及无乳房胸部实体模型导入到solidworks中，运用组合的方式删减去无乳房胸部模型从而得到乳房实体模型，并将乳房实体模型与人体胸部模型进行组合生成删减掉乳房后的实体模型；
步骤3.4，对删减掉乳房后的实体模型运用抽壳的方法，分别生成皮肤、脂肪、肌肉及骨骼。
5.根据权利要求4所述的一种预测运动文胸穿着过程中乳房压力分布的方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：
步骤5.1，将运动文胸的后带沿后中心线剪开，将北部肩带与后带交界处进行剪开，得到运动文胸未变形之前的实体；
步骤5.2，将步骤5.1中剪开的运动文胸展开按照穿着时对应的位置贴合在人体模型的胸部，进行三围扫描获取运动文胸的点云数据；
步骤5.3，将运动文胸的点云数据进行封装生成三角面片的曲面模型，通过删除钉状物、填充孔、去除特征的操作生成光滑的运动文胸模型；
步骤5.4，通过精确曲面处理，构建曲面片，构建格栅操作生成拟合曲面，得到完整的运动文胸曲面模型。
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