基于運動力學的登山服優化設計研究

吳麗華，董永鑫

（1.河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054035；2.江西服裝學院，江西 南昌 3302013、3.河北省服裝個性化定制技術創新中心，河北 邢臺 054035）

在“健康中國2030 規劃綱要”的全民運動時代浪潮中，登山運動越發受到關注。隨著登山運動的發展，人們對登山服的選擇更加注重性能的舒適，對實用效能的要求越來越高。但與國外品牌相比，國內登山服還有很大的優化提升空間。登山時人的運動幅度很大，登山衣的合體性和減少運動阻力是登山服設計的重點之一,尤其是衣身、袖子及褲片的結構設計。登山服的運動舒適性設計需要研究在登山活動時的肢體行為,獲得變化參數，根據參數調整設計服裝各部分的結構造型和放松量。本文在研究登山運動力學的基礎上進行登山服的優化設計實驗，并歸納出一些實用的設計思路，探索其優化設計方案，提煉設計原理，旨在為從業人員提供理論借鑒。

一、傳統登山服結構現狀分析

傳統登山服與夾克、沖鋒衣制版圖相似度達90%，最大的區別更多是因為環境、運動特性等因素下，制作材料不同。登山是在極端條件下進行的戶外運動，由于此項運動的特殊環境以及運動的需要，登山服的材料必須滿足防風、透氣的要求。它的主要設計特點如下：

（1）肩部、肘部和袖口添加了超厚面料，以增強其耐磨性。

（2）彈性內袋足以存放一公升的水瓶，拉鏈設計可妥善存放重要物品。

（3）由三到八塊布料制成手袖，用來滿足手臂的彎曲活動等，使其移動更舒適。

（4）為了在登山運動中的特殊環境下保持人體本身的體溫，下擺通常裝設有防風裙可以有效地防止寒風從登山服的底部進入。

（5）防水設計能迅速排水。胸前的拉鏈用布料覆蓋，以防止滲水。

（6）位于前拉鏈外的內置拉鏈袋，這樣打開口袋時，不需要拉開前拉鏈，非常適合放置一些經常使用的物品。

（7）防水腋下拉鏈提供更好的透氣性。

（8）調節用尼龍搭扣。

二、登山運動力學研究實驗及分析

1.實驗一

用一塊石膏或者一種可以貼在男性后背上的薄膜，將他的身體固定在一個模型上并進行測量，然后用衣服的力學原理，讓他做三個爬山的標準動作，之后用同樣的方法，把他的皮膚拉伸的模型拿出來，測量他的身體和模型。應用統計學軟件對上述數據進行分析，得到了皮膚靜態長度、動態皮膚拉伸圍度和長度方向的特征值[1]。試驗的基本情況如表1 所示。

2.實驗二

在人體各個部位的活動中，上肢和脊柱的機械要求更為復雜。上肢運動包括肩關節和肩胛骨的關節活動。首先，上肢以肩關節為中心（肩部和肩胛骨之間）旋轉，此時肩關節不移動；然后肩胛骨和鎖骨以胸骨為中心旋轉，肩關節向上移動[2]。這些運動部件的特性是登山服結構設計的基礎。

為使登山服的衣袖結構更加科學、合理，本文對登山服在攀巖過程中上、下肢的皮膚開展量、人體力學軸系變化進行了部分分析。之后選擇了非常具有代表性的6 種體位姿勢，以體表繪制方法對測試者上、下肢的皮膚開展量、人體力學軸系變化進行測量，并對其變化進行統計。結果表明，在腋下附近，肩膀和胳膊上的皮膚發生了明顯的拉伸變形。對整個人體運動時關節力學線的最大伸長率進行了分析，得出在腋后點附近的背寬線變化率為42%，在腋后附近的身片縱線變化率在25%以上，在臂根下的袖籠橫線變化率在30%以上，在肘部的橫線和縱線變化率在20%以上。對各斷面的斷面變化速率進行了分析，隨著距離腋下較近，節段的變化也較大。在結構設計時，應充分考慮到前、后腋點的橫向、縱向延伸和腋下底部的縱向延伸。

三、基于登山運動力學的登山服優化設計研究

1.確認研究對象

通過對登運動核心年齡組的人體測量，取得了北方地域部分25-35 歲和35-45 歲成年男性的24 個軀干部位的體型數據。使用統計分析軟件對這24 個軀干部位的體型數據進行分析，獲得成年男性的綜合體型數據。采用單變量回歸、二元線性回歸等方法，建立了人體各個部分的回歸方程。人體長度、周長方向、軀干各部分的體形變化規律在各個層次上進行了反映。最終，北方地域部分25-45 歲人群的體型數據，以達到中等體型(175-96-b)為研究對象。

2.統計匯總人體尺寸

本研究以上述中間環節為例，利用人體的動靜試驗，得到了人體24 個部位的大小和變化。運用統計分析、因子分析等方法對人體大小進行統計分析，獲取靜態人體數據的最大值、最小值、均值、標準差等信息，通過對人體關鍵尺度的測定，探討了人體各個重要運動參數對人體重要尺度的影響，為科學、合理地進行試樣結構設計提供了客觀依據。

（1）制版與樣衣開發

通過對登山服基本樣式的確定，對其主要結構的可變參數進行了深入的研究和探討，并通過對試驗樣衣的觀測試驗，得到了最大可能的參數取值區間。在此基礎上進行了正式的實驗，以尋求在靜態美感與動態舒適度兩個方面的最佳結合。通過三種結構參數的結合，為服裝的靜態和動態評價試驗打下基礎。

（2）對實驗樣品服裝進行主客觀評價

主觀評估以客觀的評估系統為依據。對試驗樣品進行了分析。采用小波分析與圖像處理相結合的方法，對圖像進行客觀評估，得出了小波標準偏差等客觀評估結果。服裝結果樣本通過Friedman 和Kendall的W.R 型聚類法對樣品服裝的評估數據keyi 進行了驗證，最后得出9 項動態評估指標和5 項靜態評估指標[3]。通過模糊綜合評判和偏相關分析，將模糊綜合評判與樣品的結構參數進行了對比。將實驗結果引入到登山服裝的結構設計中，根據各種服裝材料的性能，通過COL3D 虛擬軟件采用人體模型虛擬試穿，對所得的登山服進行了模擬仿真，以獲得更為合理的登山服。

3.基于運動力學的登山服優化設計結論

（1）登山服保溫性能優化設計

增加羽絨服的多層立體充絨結構。內里在普通登山服結構基礎上升級，由原來的3 層結構改為5 層結構，多加入了一層縱向充絨結構，通過此結構使填充的羽絨均勻分布在整件衣服各個合適部位中，絨量增加50%的同時，有效鎖定充絨在關鍵部位。這種多層次立體充絨結構，可全面地達到動態+靜止的保溫效果。如圖1 所示。

圖1 多層充絨結構示意圖

（2）登山服體溫調節功能優化設計

將航空技術材料運用于運動力學基礎上的登山服設計。在下擺內里、袖里、防風裙、貼袋等四個部位,添加航空用智能調溫材料PCM。PCM 在航空航天和高核心領域中得到廣泛應用，也是Mars 探測祝融的一種類似的溫度調節材料，每平方米布有100 萬多個自動調節溫度的儲能單元，每臺單元的精度小于3 微米，在高溫下進行雙向溫度調節、吸熱和儲能。即使在-35℃的極端環境中，高溫和低溫放熱和加熱也能保持31℃-33℃的體溫。

（3）登山服結構優化設計

在反復研究登山動作的前提下，同時結合三維虛擬仿真技術多次測試，并由專業登山樣衣測試后,發現袖插角180°最符合登山動作需求,因此運動力學基礎上的智能化登山服在設計中將袖插角從170°調整為180°，以增加手臂活動量，如圖2 所示。

圖2 袖插角調整示意圖

（4）登山服細節優化設計

在細節設計上也考慮得更加周全。防風裙前中留孔從開口17 cm 調整為7 cm，減小了下擺圍度,降低下擺透風風險，減少溫度流失；使用FITGO-TECH 調節系統，方便登山者佩戴手套時可以做到單手調節帽圍；采用肩部防滑帶的設計增強肩部與背帶的摩擦力，避免攀登過程中注意力分散，降低安全風險等。

（5）登山服輕量化優化設計

服裝輕重在戶外極端惡劣環境中至關重要，運動力學基礎上的智能化登山服經過多次模擬測試后得出最佳服裝長度，將運動力學基礎上的智能化登山服的衣長從90 cm 調為76 cm，同時增加下擺暗抽繩阻隔寒氣，在不降低保暖性能的基礎上，將產品重量降低。根據市場反饋登山服部分裝飾復雜無用、克重過高等問題做了適度的減法。簡化復雜的分割設計和非必要的功能性輔料裝飾；根據國家登山隊隊員提出的“只需要防小雨”的建議，取消了全壓膠工藝，改為局部壓膠以減輕衣服的重量。

（6）登山服安全保護性能優化設計

采用superflex 柔軟機械系統來保障戶外運動人員的安全。在衣服背部及下肢褲片植入superflex 柔軟機械系統，superflex 柔軟機械系統與智能手機相連,可以事先設定關聯人，輕拍植入部位，即可喚醒superflex 柔軟機械系統，達到自我使用與聯系外界雙重效果，定位精度能達到5 米。由于依托的是手機信號基站，布局范圍廣，不受搜救設備的限制，大大提高了戶外活動的安全性能。

在登山服的研制過程中，如何合理地設計出適合于登山的舒適結構，最大可能減少運動阻力，是目前影響登山服開發的一個重要因素。本文在登山運動力學研究基礎上研究登山服結構優化，提出相應的改進方案，旨在為從業人員提供生產借鑒。