手臂活動角度對服裝局部熱阻的影響

肖 平， 張昭華， 周 瑩， 劉佳鍇， 唐顥源

(1. 東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2. 東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051； 3. 同濟大學 上海國際設計創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

服裝具有保護人體免受外界傷害以及保持舒適的著裝微環(huán)境的功能，而服裝與人體皮膚表面之間的空氣層是影響服裝舒適性的直接因素[1-2]。一些極端環(huán)境下的工作人員如交警、高空擦窗員和空調維修員等，由于上肢活動頻繁使得衣下空間發(fā)生改變，從而影響了服裝的熱濕傳遞[3-4]。以往對防護服舒適性、防護性以及功效性的評估及研究大多數基于人體的站立姿態(tài)，不符合實際工作狀態(tài)[5-7]，因此，為保證各種條件下服裝對人體的防護，人體姿勢對于服裝的活動工效與熱濕舒適工效的影響需要進一步深入研究。

目前已有很多學者對衣下空氣層進行了研究。于淼等[4]通過掃描獲得相同款式不同面料性能的服裝空氣層體積發(fā)現，空氣層體積與面料經向密度及懸垂度顯著相關。Agnes等[8]采用三維掃描的方法定量評估了衣下間隙的厚度及服裝與人體表面的接觸面積發(fā)現，衣下空間的分布與服裝的寬松程度以及人體體型的凹凸性緊密相關；Joanna等[9]通過量化不同含水量服裝的衣下空間發(fā)現，織物含水量一定程度上影響了衣下空間的分布；Emel等[10]研究發(fā)現，人體動作對衣下空間的分布有顯著影響。由此可見，衣下空間的物理性狀受面料性能、服裝款式、服裝含濕量、人體動作及運動等因素的綜合作用。現階段關于空氣層的研究大都局限于站立姿態(tài)，而在實際工作狀態(tài)下，人體活動導致衣下空間改變[11-12]，隨之影響服裝的熱濕舒適性，因此，還需進一步研究討論有關人體姿勢與衣下空間分布，及其與人體散熱、散濕性能之間的關系。

本文通過三維掃描及后處理的方法，分析了不同上肢動作對衣下間隙體積以及接觸面積的影響。采用Newton暖體假人測試法，分析上肢動作對局部熱傳遞的影響，為功能防護服裝的改進設計提供參考，還可為建立著裝人體工作姿勢下的熱濕傳遞模型提供數據支持。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器和材料

1.1.1 三維掃描儀

采用HandyScan700型手持式三維激光掃描儀(加拿大Creaform公司)獲取假人裸體及著裝的三維數據。掃描精度為0.03 mm，分辨率為0.05 mm，通過掃描對象的反光點得到掃描對象的特征及數據，快速、準確地獲取三維模型。

1.1.2 出汗暖體假人

采用出汗暖體假人Newton測試服裝的熱阻，該假人可模擬人體皮膚溫度及出汗，共分為34個體段(見圖1)，每個體段都可獨立控制，從而得到各體段的局部熱阻及全身總熱阻。

為分析假人手臂動作對相關體段衣下間隙分布的影響，實驗提取了假人分區(qū)圖中上半身共12個體段進行局部數據提取與分析，結果如表1所示。

1.1.3 手臂支架

為確保每組實驗中手臂前伸角度的一致性，采用自制的手臂支架固定假人手臂(見圖2)。U形管安裝在支架上，假人手臂固定在U形管上，通過調整螺母松緊可自由調節(jié)U形管的高度。實驗中應用IP54型電子角度尺(伊萊科公司)測量手臂前伸角度，并用膠帶記錄支架底座及U形管的位置，確保每次實驗中假人手臂姿勢的一致性。

圖1 Newton出汗假人體段分區(qū)圖Fig.1 Segmentation map of Newton sweating manikin.(a) Front view; (b) Back view

表1 實驗選取的假人12個體段名稱Tab.1 Experimental name of 12 segments of manikin

圖2 手臂支架Fig.2 Holder of arms

1.1.4 實驗服裝及裝備

實驗參考交通警察的指揮動作，選用滌/棉交織的交警制服，其款式如圖3所示。服裝面料的厚度為0.33 mm，面密度為144.9 g/m2，經緯密度分別為73、53根/cm，透氣率為616.51 mm/s，熱阻為 0.129 clo。為模擬交警的真實工作狀態(tài)，腰間佩戴了裝有手電筒、警棍、對講機等工具的執(zhí)勤腰帶，總質量約為3.5 kg。服裝各部位的規(guī)格尺寸如表2所示。

圖3 服裝款式圖Fig.3 Sketch drawing of experimental garment.(a) Front view; (b) Back view

表2 服裝規(guī)格尺寸Tab.2 Specifications of garment

1.2 手臂動作

實驗參考交警的指揮動作，并結合假人的關節(jié)活動范圍，設計了6組手臂的前伸動作，如表3所示。表中：M0為參照姿勢，假人雙臂自然下垂；動作M1～M3為左臂不動，右臂每次在矢狀面抬高45°；M4～M5為在右臂保持135°的前提下，左臂依次上抬45°。

表3 手臂前伸動作Tab.3 Protraction angles of arms

1.3 測量與計算

1.3.1 衣下間隙體積

為得到假人體表與服裝之間的衣下間隙體積，分別掃描假人裸體及穿著交警制服后的三維模型，并應用逆向工程軟件(Geomagic Quality 2017)進行降噪、填充孔、對齊等處理，分別得到裸體及著裝假人的體積，則衣下間隙體積可根據下式計算：

Vair=Vclo-Vnake

式中：Vair為衣下間隙體積，cm3；Vclo為穿著服裝后的假人體積，cm3；Vnake為裸體假人的體積，cm3。

1.3.2 接觸面積百分比

服裝與皮膚之間的接觸面積百分比越大，服裝與人體之間的接觸程度越高。假設衣下間隙厚度在2 mm以內表示服裝與皮膚相接觸，則應用Geomagic 軟件的對齊與三維比較功能，可計算得到衣下間隙厚度小于2 mm的數據點個數占人體全身數據點個數的百分比為

式中：Acon為接觸面積百分比，%；i為衣下間隙厚度小于2 mm的數據點；N為假人掃描得到的全身三維數據點個數。

1.3.3 服裝熱阻

根據ASTM F1291—1999《利用暖體假人測試服裝熱阻的標準方法》，各體段的局部熱阻計算如下式所示：

式中：It為體段的局部熱阻，clo；Ts為體段平均溫度，℃；Ta為周圍環(huán)境溫度，℃；Q/A為面積加權熱通量，W/m2；K為單位常數，取6.45 clo。

各體段的有效熱阻根據下式計算得出：

Icl=It-Ia

式中：Icl為體段的有效熱阻值，clo；Ia為測量假人裸體所得的邊界空氣層熱阻，clo。

1.4 實驗流程

實驗在人工氣候艙內進行，溫度控制在(20±0.5) ℃，相對濕度為(50±5)%，風速為(1±0.1) m/s。三維掃描前需在假人及服裝表面貼置反光點，間隔2～10 cm，為保證衣下空間形態(tài)不發(fā)生改變，在一組動作的掃描實驗結束后，隨即進行該動作的熱阻測試。采用恒皮溫法，假人各體段的皮膚溫度均設定為(34±0.2) ℃。具體實驗步驟如下：

1)隨機選擇一種動作，應用角度儀確定手臂抬起角度，并用支架固定假人手臂。隨后用手持式三維掃描儀進行裸體掃描，掃描完成后，不改變手臂姿勢，立刻進行裸體熱阻測試，暖體假人熱阻測試重復3次以避免隨機誤差。

2)著裝假人的三維掃描。給假人穿上制服并佩戴好腰帶，按裸體掃描所確定的標記位置固定假人手臂，隨后進行三維掃描獲取著裝狀態(tài)下的假人模型。掃描完成后，不改變手臂姿勢，立刻進行著裝熱阻測試，并重復3次熱阻測試。

3)更換假人動作，重復上述步驟完成其余動作的三維掃描和熱阻測試。

1.5 統計分析

采用SPSS 22.0 進行統計分析。單因素方差分析和相關性分析用于確定手臂活動角度與局部衣下空氣層體積、接觸面積和熱阻的相關性，當顯著性水平p< 0.5時表明顯著相關。一元線性回歸分析用于確定局部衣下空氣層體積與熱阻以及接觸面積與熱阻的線性關系。

2 結果與討論

2.1 衣下間隙體積分析

各體段在5種手臂動作下的衣下間隙體積如圖4 所示?？煽闯觯共?ST)與中后背(MB)的空氣層體積最大，上后背(UB)的空氣層體積最小，這主要與體表的肌肉凹凸形態(tài)有關。當右臂從0°抬高到135°(M0～M3)時，右臂各區(qū)段的衣下間隙體積逐漸減少，而左臂的上抬動作(M4～M5)對右臂的衣下間隙體積影響不大。類似地，右臂的上抬角度對左臂各區(qū)段的衣下間隙體積影響不大，說明手臂動作的單側影響特征。隨著手臂動作從M0變化到M5，上后背(UB)與上中背(MB)的衣下間隙逐漸減少，而胸部(UC)與腹部(ST)的衣下間隙體積增加，由于實驗中手臂為矢狀面的向前運動，使服裝整體向前拉扯，后背部的衣下間隙體積被壓縮。

單因素方差分析的結果表明，手臂前伸角度對衣下間隙體積有顯著性影響(F(1.8, 19.7)=8.3;p=0.003)。各體段的衣下間隙體積與手臂動作的相關系數如表4所示。其中：左前小臂(LFF)與胸部(UC)的衣下間隙體積與手臂動作間未發(fā)現顯著的相關性；腹部(ST)呈顯著的正相關，說明隨著手臂運動角度的增加，腹部的衣下間隙體積增大；其他體段均呈顯著的負相關性，說明隨著手臂運動角度的增加，衣下間隙體積減少。

表4 衣下間隙體積與手臂動作的相關系數Tab.4 Correlation coefficient of air gap volume and arm motion

注：**p<0.01時顯著相關；*p<0.05時顯著相關。

2.2 接觸面積百分比分析

各體段在5種手臂動作下的接觸面積百分比如圖5所示?？煽闯觯虾蟊?UB)與胸部(UC)的服裝與人體接觸面積最大，這2個體段也是人體胸肌與肩胛骨的隆起區(qū)域，對服裝起支撐作用。總體上看，手臂各區(qū)段的前部比后部的接觸面積都要大(如RUAF>RUAB)，這與手臂的向前運動姿態(tài)有關。與衣下間隙體積的結果類似，手臂動作呈單側影響特征，即右臂從0°抬高到135°時，右臂各區(qū)段的接觸面積隨之增加，而對左臂的接觸面積無影響。隨著手臂動作從M0變化到M5，除胸部(UC)與腹部(ST)的接觸面積由于手臂向前運動而減少外，其余各體段的接觸面積均隨著手臂前伸角度的增加而增大，特別是上后背(UB)與中后背(MB)區(qū)域。

圖5 各體段的接觸面積百分比Fig.5 Contacting area proportion of body segments

進一步應用單因素方差分析發(fā)現，手臂前伸角度對服裝接觸面積百分比有顯著性影響 (F(1.9, 20.7)=8.83;p=0.002)。各體段的接觸面積百分比與手臂動作的相關系數如表5所示。其中：腹部(ST)與胸部(UC)的相關系數為負，但并不顯著，說明手臂的前伸運動減小了軀干前部的接觸面積；上后背(UB)與中后背(MB)的接觸面積百分比與手臂動作呈強正相關性(p< 0.01)，而RUAF, RUAB, LUAF, LUAB 和LFB幾個體段也呈正相關關系(p< 0.05)，說明隨著手臂前伸角度的增加，這些體段的服裝與皮膚之間的接觸面積也隨之增大。

表5 接觸面積百分比與手臂動作的相關系數Tab.5 Correlation coefficient of contacting area and arm motion

注：**p<0.01時顯著相關；*p< 0.05時顯著相關。

2.3 衣下活動空間分析

由上述分析可知，手臂活動具有單側影響特征，右臂的運動主要影響人體右側的衣下間隙分布，隨著手臂運動角度的增加，衣下間隙體積減少，而接觸面積百分比增加，因此定義人體的活動空間為

服裝與人體皮膚之間的活動空間與衣下間隙體積成正比，與接觸面積成反比。對涉及右臂動作的M0～M3進行回歸分析，得到右臂前伸角度(0°～135°)對人體局部體段活動空間的影響，結果如下。

右前上臂(RUAF)：

Sb=13.5-0.05Ab(R2=0.989,p=0.005)

右后上臂(RUAB)：

Sb=15.76-0.046Ab(R2=0.967,p=0.017)

右前小臂(RFF)：

Sb=9.46-0.04Ab(R2=0.944,p=0.029)

右后小臂(RFB)：

Sb=12.02-0.046Ab(R2=0.941,p=0.03)

上后背(UB)：

Sb=3.56-0.008Ab(R2=0.95,p=0.025)

式中：Sb為衣下活動空間，cm3；Ab為手臂前伸角度(°)。模型適用于現役交警制式襯衣(見圖3)衣下活動空間的預測。

上述體段的活動空間隨著手臂前伸角度的增加而顯著減少，其他體段未發(fā)現顯著性變化。總體上，上后背的活動空間最小，在服裝設計中可考慮增加背部褶裥或采用彈性面料的方法，以滿足手臂的向前運動。

2.4 服裝各體段局部熱阻分析

各體段在5種手臂動作下的局部有效熱阻如圖6 所示?？煽闯?，手臂動作對各體段的局部有效熱阻均有影響，呈現出非均勻的分布狀態(tài)。上后背(UB)的衣下空氣層體積小，接觸面積大，因此熱阻值最小，而腹部(ST)的衣下空氣層體積大，接觸面積小，因此熱阻值最大。相關分析結果表明，RUAF, LUAF, RUAB和UB幾個體段的局部熱阻與手臂活動角度間呈顯著的負相關性(p< 0.05)，說明隨著手臂運動角度的增加，局部熱阻減小。胸部(UC)與熱阻間呈顯著的正相關性(p< 0.05)，由于手臂前伸運動導致胸部的活動空間增加，因此胸部的局部熱阻也隨之增加。

圖6 各體段的有效熱阻值Fig.6 Thermal insulation of body segments

Mert等[6]的研究結果發(fā)現，有褶皺織物的散熱量大于等效均勻空氣層的散熱量，這是因為褶皺的谷區(qū)接觸或接近人體表面，導致散熱量增加?？梢姡孪麻g隙體積及接觸面積共同影響服裝的隔熱性能。應用多元逐步回歸分析，以衣下間隙體積與接觸面積百分比為輸入參數，以局部有效熱阻為輸出參數，得到的預測方程如下(R2=0.62,p< 0.001)：

It=0.297+0.001Vair-0.003Acon

可見，衣下空氣層體積越大，接觸面積越小的服裝，其有效熱阻越大。

3 結 論

應用三維掃描儀探測局部衣下間隙分布，為研究人體運動姿態(tài)對服裝衣下間隙分布特征提供了一種可行的方法。本文基于該方法，分析了特定作業(yè)動作對服裝活動空間及隔熱性能的影響，得出了以下結論：

1)手臂的運動方向影響衣下局部間隙分布，隨著手臂前伸角度的增大，軀干前部體段的衣下間隙體積增大，接觸面積減??；手臂各區(qū)段前部的接觸面積均大于手臂后部，而衣下間隙體積小于手臂后部。

2)手臂前伸角度顯著影響衣下間隙體積及接觸面積。除軀干前部體段外，手臂前伸角度與接觸面積呈正相關性，而與衣下間隙體積呈負相關性。

3)服裝與人體皮膚之間的活動空間可用衣下間隙體積與接觸面積之比表征，且右臂各體段的活動空間隨著右臂前伸角度的增加而顯著減少(p< 0.05)。

4)局部有效熱阻可用衣下間隙體積與接觸面積百分比來預測(R2=0.62,p< 0.001)，而衣下間隙體積與接觸面積受到服裝款式及人體活動姿勢的共同影響。

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