（计算机软件与理论专业论文）三维服装cad中数值仿真方法的研究.pdf

三维服装c a d 中数值仿真方法的研究摘要摘要目前，三维服装c a d 已经成为数值服装仿真和计算机辅助设计的热点课题，是多种学科交叉的一门新兴的研究领域，它涉及流体力学、计算机辅助几何设计、数学、动态力学、材料科学、热生理学、运动生理学、心理物理学、神经心理学等多学科。三维服装c a d 不仅是科学家的兴趣所在，还涉及老百姓衣着根本的问题。世界各地都有研究机构和企业都在积极投资进行科学研究，中国是一个服装生产大国，本领域的研究发展促进了科学技术的进步。本文是在国家自然科学基金项目“三维服装动力模型研究”、“移动图形计算中的若干关键问题研究与应用”，和广东省自然科学基金“三维c a d 设计中若干计算机几何应用基础问题研究”，广东省科技计划项目攻关“新一代三维服装c a d 系统”四个项目下支持下研究完成的。本文针对三维服装c a d 中急切需要解决的4 个基本问题进行研究，包括功能性三维服装c a d 中的数值人体模型、人体热湿交换的数值模拟模型、织物中热湿传递的二维模拟数值解、三维服装c a d 中热湿传递的三维数值模拟模型。本文的创造性研究成果主要有：( 1 ) 提出了功能性三维服装c a d 仿真模型，讨论了构造三维着装人体模型对计算过程的影响及所遇到的技术难点，并以着装状态下服装热湿舒适性分析预测为例，通过模拟”人体一服装一环境”之间的动态热湿交换来预测系统内相关温度与湿度的动态分布。( 2 ) 提出了一个人体与外界环境的热湿交换的数值模拟模型，考虑到人体形状对热湿交换过程的直接影响，我们用真实人体扫描得到的三维非结构化网格构造了一个人体几何模型，来模拟人体表面与外界环境空气流动进行的热湿交换，该数值人体模型更接近于真实的人。利用g a a g g e2 - n o d e ( 热核s c o r e s h皮肤s k i n 两点) 模型来描述皮肤表面的每一个细胞与外界环境的热调节过程，通过模拟我们得到皮肤和外界环境的动态的温度和湿度分布，并应用到我们研发的三维服装c a d 中。( 3 ) 提出了织物动态热湿传递的二维动态模拟模型。首先建立t - - 维几何纤维模型，假设纤维是各向异性的。然后利用毛细现象以及质量、能量守衡定律推导出新的数学模型。利用时问有限差分方法来求解偏微分方程。模拟结果表明新方法相当精确，且容易实现。它能描述织物中热湿传递的物理机制，提供传递的详细信息。( 4 ) 提出了织物中热湿传递三维动态模拟新模型，利用多元b 形式的l和w 递归曲面创建一个人体模型，并修改t 2 5 点热湿生理模型。我们结合这三e - 维服装c a d 中数值仿真方法的研究摘要种模型实现了智能三维服装c a d 系统，模拟结果表明模拟系统具有一定的理论基础，其应用范围比较广。总之，本文针对三维服装c a d h h 数值仿真方法的研究和应用方面，尤其是热湿传递的二维、三维数值模拟模型方面做了一些初步性的探索。不仅在计i 算机辅助几何设计及偏微分方程数值解方面提出了自己的新的研究思路和见解，而且可以应用到其它很多领域。这不仅为三维智能服装c a d 提供了新的模拟仿真方法，而且为汽车、居室、航空及航天的舱室热舒适研究亦有一定意义。关键词：人体模型，热生理模型，被动系统，热湿舒适性，功能性服装c a d着装数值人体模型，动态热湿交换，多元b 形式i i三维服装c a d 中数值仿真方法的研究a b s t r a c ta b s t r a c ta tt h ep r e s e n tt i m e ，3 dg a r m e n tc a dh a sb e e nak e yp o i n ti nn u m e r i c a lg a r m e n ts i m u l a t i o na n dc o m p u t e ra i d e dd e s i g nf i e l d i ti san e wr e s e a r c hf i e l do fm u l t i - s u b j e c ti n t e r s e c t i o ns u c ha sh y d r o d y n a m i c s 、c o m p u t e rg e o m e t r yd e -s i g n ，m a t h e m a t i c s ，d y n a m i cm e c h a n i c s ，m a t e r i a ls c i e n c e ，t h e r m p h y s i o l o g y , s p o r t sp h y s i o l o g y , p s y c h o p h y s i c s ，n e u r o p h y s i o l o g ya n ds oo i l3 dg a r m e n tc a di sn o to n l yt h es c i e n t i s t si n t e r e s t ，b u ta l s or e l a t e st op e o p l e sd r e s s i n gf i m d a m e n t a l i t y t h e r ea r er e s e a r c hi n s t i t u t i o na n di n d u s t r i a lc o m m u n i t i e sw h i c ha r es oa c t i v e l yi n v e s t i n go ns c i e n t i f i cr e s e a r c hi na l lo v e rt h ew o r l d c h i n ai sab i gg a r m e n tp r o d u c tc o u n t r y , s ot h ep r o g r e s s e so ft h i sf i e l dw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ys t r o n g l y t h et h e s i si ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls e i -e n c ef o u n d a t i o no fc h i n ah a m e d ”r e s e a r c ho n3 dg a r m e n td y n a m i cm o d e l ”，”r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ns e v e r a lk e yp r o b l e mi nw i r e l e s sg r a p h i c sc o m p u t a -t i o n ，t h en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fg u a n g d o n gp r o v i n c en a m e d ”r e s e a r c ho ns e v e r a lc o m p u t e rg e o m e t r i cb a s i cp r o b l e mi n3 dc a dd e s i g n ”，a n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to ft a c k l ek e yp r o b l e mo fg u a n g d o n gp r o v i n c en a m e d n e wg e n e r a t i o n3 dg a r m e n tc a ds y s t e m ”t h e r ea r ef o u rp r o j e c t si na l li nt h i sd i s s e r t a t i o n ，4b a s i cp r o b l e mo ne d g eo fs o l u t i o n sa r ei n v e s t i g a t e d ，w h i c hi n c l u d e sn u m e r i c a lm a n i k i n si n3 df h n c t i o n a lg a r m e n t sc a d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm a n i k i no fh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g e ，2 dt r a n s i e n th e a ta n dm o i s t a r et r a n s f e rs i m u l a t i o nt h r o u g hf a b r i c ，d y n a m i ct h e r m a lc o r n f o r tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo n3 dg a r m e n tc a d t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , af u n c t i o n a l3 dg a r m e n t sc a ds i m u l a t i o nm o d e li sp r o p o s e d t h e nw ed i s c u s st h eh a r dt e c h n o l o g ya n dt h ei m p o r t a n tp a r to ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np l a y i n gd u r i n gt h ep r e d i c t i o np r o c e s so ft h et h e r m a la n dm o i s t u r ea n a l y s i si nah u m a n - b o d v - e n v i r o n m e n ts y s t e m w bp r e d i c tt h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri nah u m a n _ b o d v e n v i r o n m e n tb yan u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a s e ，a n dw eg o tt h er e l a t e dd y n a m i cd i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n dm o i s t u r ei nt h es y s t e m w ep r e s e n tan u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h eh e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g eb e -t w e e nt h eh u m a nb o d ya n di t ss u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tc o n s i d e r i n gt h a th u -m a i lb o d ys h a p ea f f e c t sd i r e c t l yo nt h e r m a la n dm o i s t u r et r a n s f e rp r o c e s s ，w ec o n s t r u c t e da n dm e s h e dam o r er e a l i s t i cg e o m e t r i cf i g u r eo fh u m a nb o d yf r o mt h es c a n n e dd a t ao far e a lp e r s o nw i t hu n s t r u c t u r e d3 dc e i l s w es i m u l a t e dt h eh e a ti i i三维服装c a d 中数值仿真方法的研究a b s t r a c ta n dm o i s t u r et r a n s f e rf r o n lt h es k i ns u r f a c et os u r r o u n d i n ga i rf l o wi nt h ee n v i -r o n m e n t g a g g e st w o - n o d em o d e li su s e dt od e s c r i b eh u m a nt h e r m o r e g u l a t i o no ft h eb o d y w h i c hi si n t e r f a c e dw i t he x t e r n a le n v i r o n m e n to ne v e r ys u r f a c eo ft h ef i n i t ev o l u m ec e l l so ft h es k i n t h r o u g ht h es i m u l a t i o n w ec a ug e n e r a t et h e3 dd y n a m i ct e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dm o i s t u r ed i s t r i b u t i o no nt h es k i ns u r f a c ea n di nt h ee n v i r o n m e n t ，a n dw ea p p l yi tt oo u rr e s e a r c h i n g3 dg a r m e n t sc a ds y s t e m 。，ep r e s e n tan e wa l g o r i t h mt os i m u l a t e2 dt r a n s i e n th e a ta n dm o i s t u r et r a n s -f e rb e h a v i o rt h r o u g hf a b r i c ，a n de s t a b l i s h e dat h r e e d i m e n s i o ng e o m e t r i cf i b e rr o o d e lf i r s t ，h o w e v e rt h ef i b e r sa r ea n i s o t r o p i ct h en e wm o d e li sd e d u c e db yt h el q f l a s sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o nl a w a n dc a p i u a r yp h e n o m e n o nw eu s ef i n i t e -d i f f e r e n c et i m e d o m a i nt os o l v et h ep a r t i a ld i f i e r e n t i a le q u a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h en e wm e t h o di sr e l a t i v e l ya c c u r a t ea n de a s i l yi m p l e -m e n t e d i td e s c r i b e st h ep h y s i c a lm e c h a n i s m so fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri nf a b r i c p r o v i d i n gd e t a i l e di n f o r m a t i o no ft h et r a n s f e r r i n gp r o c e s si nf i b r o u sm e d i a ，ep r e s e n ta3 dd y n a m i cm o d e lo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r t h em a n i k i ni sc r e a t e da n dm e s h e db yr a t i o n a lwr e c u r r e n c ec u r v e sa n dr e c u r r e n c es u r f a c e si nm u l t i v a r i a t eb f o r m ，a n dw em o d i f i e d2 5p o i n th e a ta n dm o i s t u r ep h y s i o l o g ym o d e l ，ei n t e g t a t et h e s et h r e em o d e l st os i m u l a t em a n st h e r m a lc o l n f o r t ，a n dt h ei n t e g r a t e dm o d e lh a sb e e nr e a l i z e di nt h es y s t e mo fo u ri n t e l l i g e n t3 dg a r m e n tc a d t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h es i m u l a t i o ns y s t e mh a st h et h e o r e t i c a ib a s i c s ，w h i c hc a nb eu s e de x t e n s i v e l ya n dw i d e l y i nc o n c l u s i o n ，w ed i s c u s st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nn u n l e r i c a ls i m u l a -t i o nm e t h o di n3 dg a r m e n tc a d ，d os o m ep i l o ts t u d ye s p e c i a l l yi n2 da n d3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r t h en e ws i m u l a t i o nm o d e ln o to n l yb r i n gf o r w a r dan e wr e s e a r c hi d e aa n dt h i n k i n gi nc o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i cd e s i g na n dn u m e r i c a ls o l u t i o no fp a r t i a ld i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，b u ta l s oc a na p p l yt om a n yo t h e rf i e l d i tn o to n l yp r e s e n t san e ws i m u l a t i o nm e t h o df o r3 dh l t e h i g e n tg a r m e n tc a d ，b u ta l s ot h e r ei sac e r t a i ns i g n i f i c a n c ef o rt h e r m a lc o m f o r tr e s e a r c ho nc a r ，h o u s e ，a v i a t i o na n ds p a c e s h i pc a b i n k e y w o r d s ：f u n c t i o n a lg a r m e n t sc a d ，n u m e r i c a lc l o t h e d m a n i k i n ，h e a ta n dm o i s t u r ee x c h a n g e ，h u m a nb o d y , t h e r m - p h y s i o l o g i c a lm o d e l ，p a s s i v es y s t e m ，t h e r m a la n dm o i s t u r ec o m f o r t ，m u l t i v a r i a t eb f o r mi v三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论第1 章绪论随着计算机辅助设计技术的快速发展和广泛应用，服装c a d 系统技术也日新月异，给服装产业带来了前所未有的生机。而作为服装领域的另一重要分支，服装的舒适性的研究一直在进行，功能服装c a d 系统作为服装的舒适性理论的实际应用，已成为服装和计算机辅助设计领域的热点课题。服装舒适性的数值模拟，是我们正在研究开发的功能服装c a d 系统中的非常基础性的功能。然而，当今世界上的数值模拟方法有一些不足且可以改进，例如日本东京大学工业研究所，s m u r a k a m i s k a t 0 等人提出的c t m 模型，认真分析其特点，不难发现其人体模型过于简单，近似于一个封闭的茶壶且假设人体表面具有统一温度和出汗系数的缺点，我i f i n 以改进，提出了改进的热湿舒适性的数值模拟模型，这一课题已初步完成，其身体表面的温度分布以及湿度分布的模拟效果比较好。我们还发现该模型没有考虑衣服的传热，实际上仅仅考虑裸体状态下与外界的热交换，其热湿传递模型还处在一维的模型下进行的，于是我们探索着装状态下的人与外界交换的数值模拟模型，以便解决着装的热湿模拟这一难题，找出二维、三维热湿传递模型。本课题是多学科交叉的产物，涉及计算几何、流体力学、热生理学等学科的知识，相对比较复杂，加之本人能力有限，只是对其中的几个问题进行了研究。1 1 论文选题背景及意义服装c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术，即计算机辅助服装设计技术，是当代计算机科学和技术应用于服装行业的现代化产物，它参与服装企业从服装设计师的创意形成、服装效果图的绘画，到服装样衣板型绘制，到工业板型的修改和确认，工业化工艺处理( 如：推板，排料等) ，再到生产工艺过程的规范和管理等的各个环节，极大地提高了服装企业的生产技术水平和生产效率及效益 1 ，2 】。七十年代后期，伴随着计算机硬件技术和c a d 技术迅速发展，衍生于计算机辅助飞机设计技术的第一套服装工艺设计系统在美国诞生，开创了服装c a d 技术的新纪元。随后在8 0 年代初，第一套微机服装c a d t 艺系统在美国 手工操作已经被计算机辅助设计的机械化所代替1三雏服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论诞生，使服装c a d 的系统成本迅速下降，从而为服装c a d 的广泛应用奠定了基础。之后，款式设计系统、样板制作系统等相继问世并得到服装业的认可。在以后的近二十年中，世界上许多国家和地区，如美国、法国、加拿大、日本、瑞士、英国、西班牙、中国 、中国香港、中国台湾等国家和地区相继研制出各自的服装c a d 系统。它们根据服装行业的需求，结合计算机的最新技术对服装c a d 系统进行创新和完善，为服装业提供实实在在的产品，在全世界服装企业内得到应用。经过二十年的技术积累，平面服装c a d 技术已全面成熟。然而，随着人们对生活品质的重视，着装个性化成为人们普遍关注的主题，加上服装设计师对立体裁剪的钟爱，三维服装c a d 技术受到了越来越多的关注。从8 0 年代中期，在发达国家的科研院所和大学就开展了这方面的研究，由于三维服装c a d 技术需要面临一系列高难度问题( 如：纺织面料的自然空间造型，人体曲面和服装立体曲面的相对关系，服装曲面与平面样板的相互转换等) ，因此在很长一段时间内，三维服装c a d 技术都停留在实验室和科技论文上。直到最近一二年里，些国际著名服装c a d 公司开始投入资金进行商品化开发，一些著名的大学和科研机构也开始直接面向市场需求启动商业产品发展计划，出现了一片生机勃勃的景象。预计不久将会有三维服装c a d 系统投放市场。国家在实施”八五”计划期间，曾经投资并组织有关大学和院所联合攻关，但由于技术和管理等各方面问题而未能取得进展，造成在三维服装c a d 技术方面大大落后的局面。那么如何跟踪国际服装c a d 尖端技术，把具有尖端科技水平的项目与商品化系统的开发有机结合在一起，已经成为摆在我国政府及相关企业面前的重要课题。据不完全统计，在我国注册的各类服装企业有6 - 8 万家o ，应用服装c a d 系统的企业7 1 n 5 。从调查对象分析，国有大中型纺织企业具有坚实的应用基础，但是由于亏损等原因，部分以前的信息化先进企业工作进展不大，甚至陷于停顿，但在2 0 0 0 年后需求有明显增长。许多外资、合资企业投资大，应用水平较高，可是数据统计不全。许多民营企业近几年发展迅速，重视服装c a d 技术的应用，但是，大多数小型企业还是空白。从行业看，化纤企业投入较大，效益明显。棉纺、纺机企业“七五”、计算机应用研究所开发的中成c a d 系统等 主要集中在扭浙一带、广东的东莞。2三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论“八五”成果显著，“九五”因亏损等因素影响一度下滑，最后又有回升。服装企业是出口创汇大户，数量多，发展快，但主要应用局限于服装c a d ，其它方面继续开展。随着科技的发展，越来越多的企业接受了服装c a d 技术，服装c a d 的应用体现了明显的行业特点，例如服装设计和排料，自动排版、剪裁等c a d 技术。具有我国自主版权的软件占大多数，在前一阶段得到大面积推广，普遍投资不大，但经济效益显著。国内已经有多种软件产品，占有很大市场份额，有的已经达到国际先进水平o ，而价格远低于国外同类产品，在国际市场上具有竞争力。而在欧美国家服装c a d 的普及率高达7 0 8 0 ，在中国香港和台湾地区也达到3 0 5 0 。相比之下，我国的普及率偏低，因此潜在的市场空间巨大。同时，在国际国内服装市场一体化，服装企业竞争激烈的形势下，国内服装企业需要在经营管理、技术提高、市场拓展和人才储备等方面进一步提高自身能力，取得竞争优势，而引进具有高附加值的先进技术和设备成为服装企业成功的重要战略举措之一。所以，从整体上看，未来若干年内的服装c a d 市场将会出现较为繁荣的态势吼现介绍几种世界上较为先进的，并已用于纺织品辅助设计的c a d 系统：( 1 ) 荷兰n e d g r 印h i c s 公司为机织物( 多臂、提花) 、印花织物、地毯设训与生产提供多种c a d c a m 系统，可满足不同用户的要求，全球大约有5 0 个国家6 0 0 多个公司使用其1 5 0 0 多个系统。( 2 ) 美国的i n f od e s i g n s 司开发的机织物和印花c a d c a m 系统以w i n d o w s 9 5 n t 作为平台，操作简单，其c a d 系统有与多种纺织机械相连的接1 3 程序。( 3 ) 苏格兰纺织学院t 拘s c o t w e a v e 系统，最初是为苏格兰织物的生产提供设计工具，该c a d 系统现发展到可以用于多臂和提花机织物的设计，并可用于生产。( 4 ) s o p h i s 公c a d c a m 系统，由于网络的使用，可以做到客户、代理商、生产厂家联机设计纺织品。( 5 ) d i l a n 公司的j a c qc a dm a s t e r 系统专用于提花织物的设计与生产。计算机应用研究所开发的中成g a d 系统等。3三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论( 6 1c o m p u t e rd e s i g n 公司用于印染的u 4 i a 系统可用于印花图案的分色、拼接等。( 7 ) 日本b p d a n 公n 的c h e c k m a k e rc a d 系统。( 8 ) 德国e a t 公司的c a d 系统可用于机织、针织、染整等生产领域。目前，国内也有不少高等院校、科研机构和纺织厂，开发相应的纺织服装c a d 系统，较为成功的有中山大学计算机应用研究所开发中成服装c a d 系统、浙江丝绸工学院z i s 素织物的c a d 系统、纺织科学研究院的c a d 系统、天津纺织研究所的c a d 系统、上海毛麻纺织科研所与上海十一毛联合开发的c a d 系统等，并有一部分已在纺织厂中使用。由于受到纺织技术发展滞后的影响，因此国内的开发的一些c a d 系统相对于国外的纺织品c a d 系统来说，虽然价格便宜、用于专业设计的功能较强，但在设计与生产相结合、智能化、集成化、网络化方面还远远落后于国外同类系统，还无法有效地进行推广应用。1 2国内外服装舒适性研究现状服装热湿舒适性是指在热湿环境条件下，显著影响人体舒适的服装的综合散热、散湿性能。人体散热的途径主要有传导、对流、辐射和蒸发，但在热环境或运动条件下，人体主要是靠蒸发散热来维持热平衡，它占人体总散热量的7 5 以上。在人体蒸发散热的同时，必然引起服装与皮肤间微气候区的湿度上升，使人体产生不舒适感，这又阻碍了皮肤表面汗液的进一步蒸发。服装作为人体与环境间的防护层，它应能使热量快速散发又不引起衣内微气候湿度过度增加，因此在热湿条件下，服装的综合散热、散湿性能对人体热平衡起着重要作用，研究、确定服装热湿舒适性能的评价方法对提高服装研究的水平和指导人们科学地选择服装都具有重要意义。1 2 1服装舒适性的概念人体生活在外界不断变化的环境中，不断与外界进行能量交换，而人体需要恒温的生活环境，这与外界千变万化的环境形成了矛盾，因此人体需要服装4三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论的辅助来维护人体的健康。服装面料的热舒适性能即指服装面料对人体与外界热能交换的调节能力，当外界气候寒冷时，需要服装面料具有较好的保温性能以御寒；当外界气候炎热时，则需要服装面料具有较好的散热性能，这些均与服装面料的热舒适性能有关。随着对服装面料保温性能研究的发展，一些高附加值的保暖服装也相继问世，特别是近年来出现的保暖内衣，发展势头强劲，其服装面料一改过去曾经风行的消极保温的金属镀膜，使用特殊的保暖纤维远红外纤维，在纺织加工过程中添加远红外吸收和发射物质，使纤维能够吸收和发射远红外线，从而具有积极的保温功能，同时还具有保健功能。目前此类服装己形成多个品牌，但对于其质量及性能的评价标准仍在完善之中【”7 ，“1 1 9 。湿舒适性能是服装面料的舒适性能较重要的另外一个方面。人体在不停地向外排出水汽和分泌物，因此服装面料的吸湿和散湿性能是人体保持舒适的一个重要因素。特别是在炎热的夏季或做剧烈运动时，人体大量出汗，此时服装面料的吸湿散湿性能不仅能使服装保持干燥，而且能防止人体产生湿感。服装面料的湿舒适性能也可以维持人体热舒适性，如果人体排出的水汽不能很快通过面料散发出去，就会有闷热感。服装面料的湿舒适性能主要取决于面料纤维特性( 纤维种类、细度、表面特性) 、纱线特性( 纱线结构) 、面料组织特性( 编织结构、厚度、密度、含气性等) 。服装面料吸湿散湿的途径是从面料的空隙散发汽态或液体水分。面料的空隙指纤维和纱线之间的空隙，可依靠面料纤维的吸湿散湿性能吸湿并向外界散发汽态或液体水分，也可依靠面料纤维与纱线之间形成的毛细管传递液体水分。当人体正常散发汽态水分时，水分量较少，一般服装面料可满足其要求，而当大量出汗时，对面料的吸湿散湿性能提出了更高的要求【3 ，1 1 2 】。对于一般室内工作人员，以前美国的着装标准为07 1 o c l o ，但现在已改为0 5 0 7 c l o 。因为靠出汗散热，潮湿的皮肤容易引起人们在心理上的不适。一般来说，穿着的服装每增n o 1 c l o ，相当于环境温度提高了0 6 。c 。研究表明，当人的新陈代谢率高于2 2 5 w 时，服装每增加0 1 d o ，相当于环境温度增加1 2 。c 。( 新陈代谢率指人体在单位时间内释放出的能量) 吼常用服装的热阻值如表1 1 、1 - 2 。影响热舒适性的因素还有很多o ，如人在工作时的运动量、劳动量、空气流速、平均辐射温度，人体热湿传递的过程等等。一般来说，过厚的服装穿着对人体的舒适会有影响。高温高湿的人、衣小气候，会使体内热发散不畅而影响新陈代谢。同时，不适的压力容易造成人体的疲劳感吼表1 3 表示不同状态的日本学者弓削冶提供测量数据5三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第l 章绪论表1 1 ：常用服装的热阻僮c l o服装( 男)d o ( 男)服装( 女)d o ( 女)汗衫o 0 9短内裙0 1 3长袖内衣o 1 0长袖内衣0 1 0长内裤o 1 0乳罩加短裤0 0 5长袖衬衫o 2 2薄衬衫02 0薄马夹0 1 5薄连衣裙02 2后裤子0 3 2厚短裙02 2薄绒线衫o 2 0厚绒线衫0 3 7薄外套0 2 2薄外套0 1 7表1 2 ：常用服装组合的热阻值c l o服装组合方式( 男)c f o ( 男)服装组合方式( 女)c l o ( 女)衬衫与裤子o 5 1 一o 6 5连农裙和衬衫0 3 2 0 7 3针织衫与裤子o 4 8 - 0 7 6绒线衫和裙子o 4 0 0 6 8绒衣与裤子0 6 一o 7 5衬衫、绒线衫和裙子o 4 2 一o 8衬衫、绒线衫和裤子o 8 1 0 9 0衬衫、外套与裙子0 4 5 0 8 0衬衫、外套与裤子0 8 9 10 0衬衫与裤子o 5 1 0 8 2绒线衫和裤子o5 8 0 8 9人体产热量。根据研究，安静时穿2 7 c l o 的服装，如以3 6 女m 肺的速度步行时，服装就可以减到1 6 d o ：如以9 7 k m h 批j 速度前进，服装就可减n z 2 c l o 。一些专家反复实验了服装材料性质与这种材料制成的服装其微气候之间的关系。他为合理地设计女套衫提供了参考依据。实验用的材料如表1 4 ，七种化纤织物都选用白色，服装款式一律为圆领开襟七分袖衣衫吼。如日本的水梨氏、弓削冶等6三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论表l 一3 ：不同状态时的人体产热量状态1 4 时消耗的能量( 千卡)睡眠4 5静坐7 0缝纫8 0扫除1 6 0步行( 6 k m h )2 3 0急走( 8 5 k m h )4 1 01 2 2 服装舒适性的发展过程世界上关于服装舒适性的研究已有几十年的历史，很多学者都对此进行了较深入的探索和研究，取得了相应的成果，建立了一系列的标准，这些标准主要是对热环境下人体的热应力等级和耐受时间进行评价，其中i s o9 9 2 0 9 5 重点提出了服装热阻的测量和计算方法，而对服装蒸发阻力的概念只作了解释，预测公式也是通过热阻的估计得出的。到目前为止，研究人员仍没有找到一种有效的方法定量地区分和评价服装的热湿舒适性，仍用冷热感觉标尺对服装的舒适性进行评价和研究。实际上，在热湿环境条件下，穿不同服装时，人体的冷热感觉差异是很小的，此时，造成人体感觉不舒适的主要因素是出汗导致的湿闷感觉。因此，在热湿环境条件下，服装湿传递性能对舒适性的影响变得更重要。西北纺织工学院曾与上海第二军医大学合作，通过对1 0 余万张中国人体各部位皮肤中神经元切片的研究，以及西北纺织工学院与第四军医大学合作通过对人体神经元感觉传导的研究，证明不同的神经元感觉不同的刺激，影响人体不同舒适感觉的因素是不同的，机理也不同，为此我们提出了服装热湿舒适性的湿闷评价体系，这是热湿条件下服装热湿舒适性评价的理论基础。在评价热舒适性时，早有叙述的第四个环境因素必须加以考虑，即把皮肤表面和环境中发热体包围层相互之间交流的热辐射，可以看作是一表面温差的函数。与对流不同，由于辐射是能量的电磁波传递的一种形式，它能够在真空中进行。许多情况下，辐射能量来自一个点辐射源，如同太阳或一个辐射体。人体产生的热量，在确定他在给定环境中是否舒适时，同样必须加以考虑，热舒适性一个重要特征，是皮肤表面和服装对人体热量的产生相适应的环境之间7三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论表1 4 ：服装材料的性质名称维尼轮波纹格子呢灯芯绒鸟眼纹织物直贡呢组成维尼轮2 0 0醋酯3 0醋n s o醋酯5 0醋酯5 0粘胶6 0尼龙1 0粘胶2 0粘胶5 0粘胶5 0厚度i t l i n0 4 30 8 50 5 40 5 50 6 7表现比重o 4 1o 3 2o 5 3o 5 3o 5 2含气量6 8 47 7 36 1 56 2 96 3 5通气性5 3 31 1 7 82 9 22 9 52 2 5保湿性4 3 34 9 13 8 74 1 14 2 3吸湿性6 51 0 49 89 99 2的热交换。概括地计算热量的产生，几乎靠全部想象的人的活动情况。热量产生的l 幅度大致从坐下来休息时的1 0 5 瓦( 9 0 千卡4 , 时) 到相当于中等强度工作产生的3 5 0 瓦，平均一个人到疲劳前仅能支持大约1 小时所产生的热量可达7 0 0 瓦。最后，对青年人达到平均的最大工作强度时约达1 2 0 0 瓦，但此种情况只能支持大约6 分钟。人的热舒适性与新陈代谢率有着密切关系，如表1 5 ，显然，在给定的环境里不可能只有一个服装系列能对大幅度的热量产生进行调节；除非是微气候控制的、空气调节的服装系列，或灵敏的保温服装系列。在这里他们的保温性靠附加热量或强制通风，或者和穿着与热量产生的功能相适应，开些大孔来进行调节。如果人类环境按照现在的水准继续受污染，这样一来的服装系列的存在使2 1 世纪幸存的人们穿用它，可能是必不可少的。在计算热舒适时利用一个可调的干球温度( a l 6 ) ，用关系式来把对流和辐射效应结合在一起。a 瓦6 ：t , + m i t t( 1 1 )z热湿环境条件f ，人体湿闷感觉与衣内的湿度、温度、人体出汗量、汗液蒸发速率等因素有关，这些因素受人体与环境间的湿传递的影响。人体与环境。美国马萨诸塞州纳蒂克美国陆军环境医学研究所提供的数据8三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第l 章绪论表1 5 ：新陈代谢率活动量新陈代谢率( w m 2 )新陈代谢率( m e t l躺着4 608坐着、休息5 81 o经常立着( 办公市、寓所)7 01 2站着、轻微活动量9 31 6站着、中等活动量1 1 62 0步行( 2 k m h 11 1 01 9步行( 3 k m h )1 4 02 4步行( 4 k m h 11 6 52 8步行( 5 k m h 12 0 03 4间的湿传递过程一般为皮肤表面蒸发、扩散、服装对汗液的吸附、服装内表面的凝结、毛细效应、服装表面的蒸发及扩散、对流等。这些过程在湿传导过程中是串联的，这些湿传导过程分别符合ab k i c e l e v 方程、k e l v i n 方程、f i c k 方程、c l a p e y r o n c l a u s i u s 方程、s o l e t 热流质量流效应、d a f o u r 质量流热流效应和物理心理转换的f e r r y - p o r t e r 定律及w e b b s 定律，这些物理量对湿传导的影响大部分是非线性的乘除关系，小部分是线性的乘除关系。尤其在热湿条件下，已近凝结及蒸发边界，部分效应已趋饱和，非线性更趋明显。如果其中部分指标确定是线性的，在使用非线性拟合中，其指数值会自动趋向1 ，而避免了人为强制规定其指数值提高热舒适性是我们服装c a d 研究的一个主要问题，多年来科学研究者在热湿领域取得了很大成绩，但是，对于服装热湿的研究仍然处在较低的水平，不能令客户满意，目前，我们依然不能通过客户穿上衣服而及时的测出用户的舒适程度。人类经济飞速发展的同时，我们的精神需要越来越强烈，人类的着装不仅仅是用来抵御风寒，这就为研究者提出了更高的要求。综上所述，找到一种快速模拟人体着装的模型势在必行。热湿传递性能是影响纺织品和服装穿着舒适性的最关键因素之一，也常是决定某些特殊功能性服装使用性能的主要因素。但是人们长期以来并未以一种科学的、系统的评价方法来论述服装对人体生理、心理上的各种影响因素，只9三维服装c a d 中数值仿真方法的研究第1 章绪论是近五十年来，人们才懂得去研究热湿传递的一些理论h ，。1 9 6 5 年美国著名服装生理学家r ，f g o l d m a n 将服装的热阻与透湿指数结合起来，提出了服装蒸发散热效能指数。对于热湿问题的研究大多局限于试验阶段，科学工作者积累了丰富的经验和数据，例如，f a n g e r 在1 9 6 7 年一所做的大量实验为基础，建立了考虑人体、服装、环境三方面六个因素的热舒适方程、舒适图和七点标尺系统【3 5 】。从7 0 年代后期开始，世界范围内关于纺织品和服装舒适性的研究进一步活跃。这一时期人们逐步认识到人体一服装环境是一个不可分割的系统，它与服装穿着热湿舒适性有着密切的联系。h o u g h t e n 6 1a n dy a g l o u1 9 2 3 ，n i s h ie t出【7 】1 9 6 9 和1 9 7 5 ，o l e s e ne ta 1 1 9 8 3 ，r o h l e sa n dn e v i n s1 9 7 1 ，b u s c h1 9 9 2 ，d ed e a re ta 1 1 9 9 1 ，m a l l i e k1 9 9 4 ，o s e l a n d1 9 9 4 ，s c h i u e re ta l1 9 8 8 ，d ed e a ra n ds c h i l l e r1 9 9 8 在上个世纪最后二十年里，科学工作者通过对热舒适的调查和测量建立了非常重要的热