Nghiên cứu xác định áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm

MỞ ĐẦU
Trong những năm qua ngành Dệt May đã và đang có những bước phát triển
vượt xa khỏi những quan điểm sản xuất thông thường, những tiến bộ khoa học kỹ
thuật, công nghệ mới được áp dụng rộng rãi trong sản xuất đã mang lại cho người tiêu
dùng và xã hội nhiều sản phẩm tốt về chất lượng, đa dạng về chủng loại, đáp ứng nhu
cầu ngày càng cao của người tiêu dùng. Việc nghiên cứu sản xuất quần áo có hiệu
năng cao sử dụng trong môi trường đặc biệt được một số nhà khoa học nghiên cứu như
quần áo có tính chống thấm, kháng khuẩn; quần áo sử dụng trong môi trường có nhiệt
độ cao… Bên cạnh đó chúng ta còn thiếu nhiều công trình nghiên cứu khoa học về sản
phẩm may sử dụng trong lĩnh vực y tế, thể thao và chỉnh hình thẩm mỹ vv…
Do đặc điểm và yêu cầu sử dụng, các sản phẩm quần áo bó sát nếu mặc bó sát
quá sẽ gây ra tác động không tốt cho sức khỏe, giảm khả năng vận động của người sử
dụng, tuy nhiên mặc rộng quá sẽ làm mất đi tính thẩm mỹ, chức năng sử dụng, khả
năng chỉnh hình thẩm mỹ hoặc khả năng tạo áp lực của sản phẩm quần áo trong một số
lĩnh vực như y tế, thể thao, thẩm mỹ vv…
Áp lực của trang phục bó sát lên cơ thể người mặc là yếu tố rất quan trọng để
đánh giá độ vừa vặn và tính tiện nghi của trang phục. Do đó tác giả lựa chọn đề tài
“Nghiên cứu xác định áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người bằng phương
pháp mô phỏng số và thực nghiệm”. Mục đích nghiên cứu của luận án là xác định áp
lực và áp lực tiện nghi của trang phục sát lên cơ thể người nhằm tạo tiền đề cho việc
thiết kế kỹ thuật các sản phẩm may mặc thông dụng và chuyên dụng đảm bảo tính tiện
nghi áp lực như các sản phẩm yêu cầu tạo áp lực lên cơ thể: quần áo nâng cao thành
tích thi đấu của vận động viên, tăng khả năng hồi phục của người bệnh sau phẫu thuật,
trang phục chỉnh hình thẩm mỹ, tất nén chống giãn tĩnh mạch v.v...
Nghiên cứu này góp phần tạo ra một số loại hình sản phẩm khoa học và công
nghệ mới có hàm lượng chất xám cao, tăng hiệu quả kinh tế và năng lực sản xuất hàng
nội địa cho ngành công nghiệp Dệt May Việt Nam.
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA LUẬN ÁN
Trong quá trình mặc, quần áo luôn gây một áp lực lên cơ thể người. Áp lực này
có thể có tác dụng chỉnh hình cơ thể, đem đến cảm giác thoải mái tiện nghi khi mặc,
tăng cường khả năng vận động, phòng chống các bệnh giãn tĩnh mạch và hỗ trợ điều

trị sau phẫu thuật nhưng ngược lại cũng có thể đem đến cảm giác khó chịu cho người
mặc nếu giá trị áp lực vượt quá ngưỡng chịu đựng tối đa của con người. Việc xác định
áp lực của trang phục, đặc biệt là trang phục bó sát lên từng vùng cơ thể, là cơ sở cho
các nhà thiết kế lựa chọn nguyên liệu, kết cấu sản phẩm, tính toán kích thước các chi
tiết phù hợp với mục đích sử dụng trang phục.
Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp khác nhau để xác định áp lực của
trang phục lên cơ thể người mặc trong quá trình sử dụng. Trong đó phương pháp mô
phỏng số áp lực và phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến lực được đề cập nghiên
cứu với yêu cầu đặt ra cần mô phỏng hình dạng bề mặt và cấu trúc cơ thể người, mô

1


phỏng các đặc trưng cơ học của vải - đây là dạng bài toán mô phỏng dị hướng trực
giao khá phức tạp nhưng các kết quả mô phỏng đạt được khá chính xác, đảm bảo độ
tin cậy, khách quan và khoa học. Với phương pháp đo trực tiếp, phần lớn các hệ thống
thiết bị đều sử dụng cảm biến lực để đo áp lực của trang phục lên cơ thể người. Các
cảm biến lực được gắn trực tiếp vào giữa cơ thể người và trang phục hoặc giữa trang
phục và bề mặt ma-nơ-canh. Giá trị được hiển thị tại từng vị trí đo, từ đó ta có thể xây
dựng được biểu đồ áp lực của trang phục lên từng vùng cơ thể người mặc…do vậy cả
hai phương pháp là những vấn đề khoa học cần được nghiên cứu nhằm cung cấp cơ sở
dữ liệu quan trọng để thiết kế sản xuất các chủng loại trang phục thông dụng mặc bó
sát cơ thể và đặc biệt là thiết kế sản xuất các trang phục chuyên dụng như trang phục
chỉnh hình thẩm mỹ, thi đấu thể thao, tăng khả năng hồi phục của người bệnh sau
phẫu thuật, tất y khoa phòng chống và điều trị bệnh giãn tĩnh mạch v.v...
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
Nghiên cứu xác định áp lực và áp lực tiện nghi của quần mặc bó sát lên cơ thể
người bằng phương pháp mô phỏng số và thực nghiệm, ứng dụng tính toán kích thước
thiết kế kỹ thuật sản phẩm quần bó sát đảm bảo tính tiện nghi áp lực.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

-

Phần thân dưới cơ thể nữ thanh niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25 với các bộ
phận đặc trưng bụng, mông, đùi.
Vải dệt kim sử dụng may quần gen định hình thẩm mỹ.
Hệ thống đo áp lực của trang phục lên cơ thể người sử dụng cảm biến áp lực
được thiết kế với các tính năng cơ bản như sau: đầu đo sử dụng cảm biến lực
FlexiForce của hãng Tekscan Hoa Kỳ có dải đo từ 0 đến 4,4 N; thiết bị kết nối
với cổng USB máy tính qua bộ thu phát không dây. Phần mềm cho phép hiển thị
kết quả đo theo thời gian thực, sai số kết quả đo trong khoảng 10%.

4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
-

Mô phỏng số xác định áp lực của quần mặc bó sát lên cơ thể người.

-

Nghiên cứu thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người sử
dụng cảm biến lực.
Nghiên cứu thực nghiệm đo áp lực và xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát
lên cơ thể người.
Ứng dụng kết quả mô phỏng số áp lực và kết quả thực nghiệm xác định áp lực
tiện nghi của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể để xây dựng công thức tính
toán kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực.

-

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA LUẬN ÁN
-

Xác lập được cơ sở khoa học để tiếp tục hoàn thiện phương pháp mô phỏng số
và phương pháp thực nghiệm đo áp lực của trang phục bó sát lên cơ thể người.

-

Là cơ sở khoa học để nghiên cứu chế tạo thiết bị thương mại đo áp lực của
trang phục bó sát lên cơ thể người ứng dụng trong tính toán thiết kế và sản xuất
nhóm chủng loại trang phục này đảm bảo độ vừa vặn và tính tiện nghi trang
phục, góp phần nâng cao giá trị sử dụng, hiệu quả kinh tế và năng lực sản xuất

2


sản phẩm may mặc đáp ứng như cầu ngày càng cao của người tiêu dung Việt
Nam.
-

Là một đóng góp có giá trị trong việc phát triển, gia tăng tri thức khoa học trong
lĩnh vực thiết kế trang phục ở Việt Nam.

6. GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
-

-

-

-

Đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ thiết kế ngược để xây dựng mô hình cấu
trúc 3D cơ thể người kết hợp từ dữ liệu chụp cắt lớp CT và mô hình bề mặt 3D
từ dữ liệu quét 3D. Mô hình 3D kết hợp mô phỏng cấu trúc phần đùi cơ thể
người được sử dụng làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho bài toán mô phỏng quá trình
tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo trong quá trình mặc.
Đã nghiên cứu phương pháp mô phỏng số áp lực của quần gen định hình thẩm
mỹ lên phần đùi cơ thể đảm bảo độ chính xác, tin cậy, khoa học và khách quan.
Đã thiết lập hệ thống đo áp lực của trang phục lên cơ thể người sử dụng cảm
biến lực có giá thành hợp lý, thuận tiện sử dụng, có sai số nằm trong phạm vi
sai số cho phép về đo áp lực của trang phục lên cơ thể người.
Đã ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong
phần mềm tính toán ABAQUS/Explicit mô phỏng xác định áp lực của quần bó
sát lên phần thân dưới cơ thể người trong quá trình mặc.
Đã xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát lên phần thân dưới cơ thể người ứng
dụng xây dựng công thức tính toán kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính
tiện nghị áp lực cho đối tượng nữ thanh niên Việt Nam độ tuổi từ 18 đến 25.

VII. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN
-

-

-

-

Xây dựng được mô hình 3D kết hợp mô phỏng bề mặt và cấu trúc phần đùi cơ
thể người gồm ba thành phần chính: da, xương và mô mềm trên cơ sở dữ liệu
quét 3D cơ thể người và dữ liệu chụp cắt lớp CT phần thân dưới cơ thể.
Xây dựng thành công mô hình mô phỏng tính toán áp lực của quần bó sát lên

phần thân dưới cơ thể người tạo tiền đề khoa học cho quá trình mô phỏng số
quá trình mặc quần của con người là một quá trình tương tác cơ học động trong
đó hệ tiếp xúc bao gồm bốn thành phần (quần áo, da, mô mềm và xương) và bề
mặt tiếp xúc gồm ba bề mặt (giữa quần áo với da, da với mô mềm và mô mềm
với xương).
Thiết lập hệ thống đo áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người sử dụng cảm
biến lực là hệ thống đo trực tiếp áp lực của quần áo lên cơ thể người đầu tiên tại
Việt Nam để phục vụ công tác thu thập dữ liệu thực nghiệm thiết kế kỹ thuật
trong ngành May.
Ứng dụng thành công phương pháp phần tử hữu hạn được tích hợp trong phần
mềm tính toán ABAQUS/Explicit để tính toán mô phỏng áp lực, sự phân bố áp
lực của quần bó sát lên phần đùi cơ thể người, xây dựng phương trình tương
quan giữa áp lực của quần bó sát lên cơ thể người với độ giãn ngang của vải,
xác định khả năng biến dạng kích thước của cơ thể khi mặc quần bó sát. Kết
quả nghiên cứu thực nghiệm xác định áp lực tiện nghi của quần bó sát lên phần
thân dưới cơ thể là cơ sở khoa học xây dựng công thức tính toán kích thước

3


thiết kế quần bó sát có khả năng chỉnh hình cơ thể đảm bảo tính tiện nghi áp lực
trang phục.
VIII. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN
Luận án gồm 3 chương:
-

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan
Chương 2: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và bàn luận

4


CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN
1.1 Phương pháp mô phỏng xác định áp lực quần áo lên cơ thể
người
1.1.1 Khái quát chung về các phương pháp xác định áp lực của quần áo
bó sát lên cơ thể người
Để xác định áp lực của quần áo bó sát lên cơ thể người mặc, có thể sử dụng các
phương pháp sau:
-

Phương pháp đo trực tiếp

-

Phương pháp đo gián tiếp

-

Phương pháp mô phỏng

Với phương pháp đo trực tiếp, phần nhiều các trang thiết bị sử dụng cảm biến
đo áp lực để đo áp lực của quần áo lên cơ thể (các phần tử cảm biến được chèn vào
giữa cơ thể người và quần áo) [1]. Kết quả đo được thể hiện trên màn hình máy tính.
Phương pháp này có ưu điểm cho kết quả chính xác và kết quả hiển thị trực tiếp trong
khi đo, từ đó ta có thể lập biểu đồ phân bổ áp lực quần áo trên tất cả các vùng trên cơ
thể. Nhược điểm thiết bị phức tạp, giá thành cao, đòi hỏi phải có các cảm biến áp lực
kích thước nhỏ gọn và độ nhạy cao.
Phương pháp đo gián tiếp, sử dụng các dụng cụ thiết bị đo độ giãn của vải, lực

kéo giãn và tính toán áp lực vải trên cơ sở công thức Laplace [2]. Ưu điểm của phương
pháp này là thiết bị đơn giản, dễ sử dụng. Nhược điểm chính là việc tính toán áp lực
trên cơ sở công thức Laplace, mỗi loại trang thiết bị cần có công thức tính riêng và mất
nhiều thời gian để xác định các thông số vật liệu, thông số mô hình tính toán.
Phương pháp mô phỏng, hiện nay trên thế giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng
máy tính trong mô phỏng áp lực của quần áo lên cơ thể người [3,4]. Các nghiên cứu
đánh giá áp lực quần áo như thế nào là phù hợp với cơ thể người, tức là ngưỡng chịu
đựng tối đa cơ thể người khi mặc quần áo bó sát mà vẫn cảm thấy thoải mái. Về cơ
bản phương pháp này dựa trên mô phỏng vải, mô phỏng cơ thể người và mô phỏng sự
tương tác cơ học giữa quần áo và cơ thể người mặc. Kết quả áp lực quần áo lên cơ thể
người được thể hiện bằng biểu đồ màu sắc khác nhau, cũng có thể lượng hóa được giá
trị áp lực quần áo trên từng vùng cơ thể người mặc.
1.1.2 Mô phỏng số áp lực của quần áo lên cơ thể người
1.1.2.1 Vai trò của việc mô phỏng số áp lực quần áo lên cơ thể người
Mô phỏng ngày càng phát triển rộng trên thế giới bởi nó có nhiều ưu điểm như:
giúp tiết kiệm thời gian và kinh phí trong quá trình xác định áp lực quần áo lên cơ thể
người. Mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học như: toán, vật
lý, cơ khí, năng lượng nhiệt, tự động hóa, điều khiển, công nghệ thông tin… Đây là
công cụ đa dạng, linh hoạt và đặc biệt hiệu quả trong thiết kế, chế tạo sản phẩm,
nghiên cứu thử nghiệm, nghiên cứu hoạt động, tối ưu hóa mô hình…
Ứng dụng mô phỏng vào việc xác định áp lực quần áo lên cơ thể người có thể
đem lại những lợi ích cụ thể như sau:

5


+ Dễ dàng thay đổi cấu trúc của mô hình, thông số mô hình, cho kết quả chính
xác với sai số cho phép và thể hiện rõ được sự phân bố áp lực trên từng vùng cơ thể
người mặc.
+ Dựa trên các thông số đầu vào của bài toán mô phỏng như các đặc trưng cơ

học của vải để dự báo tính chất vật liệu, tối ưu hóa quá trình thiết kế sản phẩm.
+ Giảm yếu tố phụ thuộc vào đối tượng nghiên cứu, điều kiện cơ sở vật chất sử
dụng trong nghiên cứu.
+ Giúp chúng ta hiểu được quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và
quần áo, các yếu tố ảnh hưởng đến áp lực quần áo lên cơ thể người.
1.1.2.2 Lý thuyết chung về mô phỏng số
o Một số khái niệm
Khi nghiên cứu một đối tượng, có hai cách có thể được sử dụng là nghiên cứu
trên đối tượng thực và nghiên cứu trên mô hình thay thế của nó [5]. Các nghiên cứu
trên đối tượng thực mang lại kết quả trung thực và khách quan. Tuy nhiên, trong một
số trường hợp, khi nghiên cứu trên đối tượng thực đòi hỏi nhiều thời gian, chi phí, khó
thực hiện hoặc không thực hiện được thì phương pháp tốt nhất và thuận tiện nhất là
nghiên cứu trên mô hình của nó.
Mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu đối tượng bằng cách
thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình để nhằm thu nhận các thông tin về đối tượng
bằng cách tiến hành các thực nghiệm, tính toán trên mô hình [5].
Trước đây, để mô hình hóa đối tượng nghiên cứu ta thường sử dụng phương
pháp giải tích. Khi sử dụng phương pháp này, thường phải đưa ra nhiều giả thiết đơn
giản hóa mô hình do đó các kết quả nghiên cứu tuy có tính rõ ràng, tổng quát nhưng
chúng có độ chính xác không cao. Ngày nay, bên cạnh phương pháp giải tích, phương
pháp mô phỏng được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Đây là phương pháp mô hình
hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải,
máy tính là công cụ hữu hiệu để thực hiện việc mô phỏng đối tượng nghiên cứu [5].
phương pháp mô phỏng cho phép đưa vào mô hình nhiều yếu tố gần sát với thực tế
nên các kết quả thu được có độ chính xác cao. Nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ
máy tính, phương pháp mô phỏng đã được ứng dụng để nghiên cứu các đối tượng
phức tạp như các hệ thống lớn, các hệ thống có các thông số biến thiên theo thời gian
đem lại hiệu quả to lớn trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất…
Các mô hình nghiên cứu được xây dựng dựa trên phương pháp mô phỏng gọi là
mô hình mô phỏng. Mô hình mô phỏng được xây dựng phải đảm bảo hai tính chất cơ

bản là đồng nhất với đối tượng thực mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trước
và có khả năng sử dụng để nghiên cứu đối tượng. Để nghiên cứu mô phỏng một đối
tượng, thông thường ta cần thực hiện các nội dung sau [5, 6]:
- Xác định mục tiêu mô phỏng và đối tượng mô phỏng.
- Xây dựng hệ phương trình mô phỏng thể hiện các quá trình xảy ra bên trong
đối ttượng.

6


- Lựa chọn ngôn ngữ, công cụ, phần mềm để tiến hành xây dựng mô hình mô
phỏng. Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của mô hình mô phỏng.
- Chạy mô phỏng, kiểm chứng mô hình mô phỏng từ đó hợp thức hóa mô hình
mô phỏng.
- Xử lý kết quả mô phỏng để sử dụng.
Mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong cả quá trình thiết kế, xây dựng và hoạt
động của đối tượng cần nghiên cứu. Ở giai đoạn thiết kế, mô phỏng giúp người thiết kế
lựa chọn cấu trúc, các thông số của đối tượng nghiên cứu. Ở giai đoạn chế tạo, mô
phỏng giúp cho việc lựa chọn vật liệu và công nghệ chế tạo. Ở giai đoạn vận hành, mô
phỏng giúp cho người điều khiển tính toán, dự đoán các trạng thái của đối tượng và
giải các bài toán điều khiển tối ưu. Do đó, phương pháp nghiên cứu mô phỏng ngày
càng được ứng dụng rộng rãi. Khi tiến hành mô phỏng chúng ta phải xây dựng mô
hình mô phỏng trên máy tính. Mô hình mô phỏng là tập hợp các chương trình chạy
trên máy tính gọi là phần mềm mô phỏng. Khi mô phỏng một đối tượng đơn giản,
những chương trình này có thể được viết bằng các ngôn ngữ lập trình thông dụng như
PASCAL, C++ hay VISUAL BASIC… Khi mô phỏng một đối tượng phức tạp, việc viết
các chương trình mô phỏng như trên gặp rất nhiều khó khăn và mất thời gian. Trong
thực tế, người ta phát triển nhiều phần mềm mô phỏng chuyên dụng cho từng lĩnh vực
khoa học. Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng này thông thường bao gồm nhiều mô
- đun tính toán chuẩn, người sử dụng chỉ cần lựa chọn các mô - đun tính toán, nạp các

thông số cần thiết, nối các mô - đun theo một logic định trước, tiến hành chạy mô
phỏng và tính toán, xử lý các kết quả. Các phần mềm mô phỏng chuyên dụng ngày
càng phát triển và được sử dụng phổ biến do nó có nhiều ưu điểm như: thời gian xây
dựng mô hình mô phỏng ngắn; dễ dàng thay đổi cấu trúc và thông số của mô hình; dễ
gỡ rối, sửa chữa sai sót; các kết quả được xử lý tốt, thuận tiện cho việc sử dụng [5, 6].
o Ưu nhược điểm của phương pháp mô phỏng
Bên cạnh các ưu điểm được nói đến ở trên, phương pháp mô phỏng cũng có
những nhược điểm như: đòi hỏi máy tính, phần mềm chuyên dụng, đòi hỏi cao về việc
phân tích dữ liệu để xử lý kết quả mô phỏng. Đặc biệt, phương pháp mô phỏng chỉ cho
lời giải của từng bước tính, mỗi bước tính ứng với một điều kiện nhất định của mô
hình, do vậy muốn có kết quả chính xác phải tăng số bước tính lên đủ lớn (theo lý
thuyết là vô cùng lớn).
Một trong những vấn đề khó khăn nhất mà mô phỏng phải đối mặt là xác định
xem mô hình mô phỏng có phản ánh đúng bản chất của hệ thống thực không hay nói
cách khác là kiểm chứng và hợp thức hóa mô hình mô phỏng [5, 6]. Kiểm chứng là
chứng minh kết quả mô phỏng phù hợp với nguồn dữ liệu khác đã được thừa nhận.
Hợp thức hóa là chứng minh mô hình mô phỏng đã xây dựng mô phỏng được bản chất
các hiện tượng trong hệ thống thực giúp con người có hiểu biết sâu hơn về hiện tượng,
là cơ sở cho các nghiên cứu hệ thống. Có nhiều phương pháp để kiểm chứng và hợp
thức hóa mô hình nhưng phương pháp tốt nhất là đánh giá mức độ phù hợp giữa dữ
liệu đầu ra của mô phỏng với dữ liệu đầu ra của hệ thống thực [6]. Do đó thông thường
một số kết quả thu được từ nghiên cứu mô phỏng sẽ được đánh giá bằng thực nghiệm.

7


1.1.2.3 Mô hình mô phỏng xác định áp lực quần áo quần áo mặc bó sát lên cơ
thể người
Nghiên cứu quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo [7, 8] tác
giả và các cộng sự đã xây dựng mô hình mô phỏng áp lực quần áo mặc bó sát lên cơ

thể người với các giả thiết trong nghiên cứu như sau:
- Mô hình cơ thể người bao gồm ba thành phần: xương, mô mềm và da. Xương
được coi là vật liệu tuyệt đối cứng và không chịu biến dạng trong quá trình mặc, da và
mô mềm được giả thiết là vật liệu đàn hồi.
- Chuyển vị của da và mô mềm được giả thiết là đồng nhất tại bề mặt chung khi
chịu tác dụng nén gây ra bởi quần áo và chuyển vị này không truyền tới phần xương.
- Ứng xử cơ học của da và mô mềm được giả thiết là đàn hồi tuyến tính, dị hướng.
- Quần áo được coi là lớp màng mỏng đàn hồi tuyến tính nhưng dị hướng, ứng suất
theo chiều dày của vải được giả thiết là đồng đều.
- Cơ thể người đứng yên trong suốt quá trình mặc, trong khi đó ống quần sẽ di
chuyển dọc theo cơ thể từ chân lên tới phần thắt lưng, ma sát giữa cơ thể và vải được
bỏ qua.
- Luôn tồn tại sự trượt tương đối giữa vải và da, quá trình này liên quan tới sự phân
bố ứng suất tổng trong các vùng tiếp xúc.
• Phân tích quá trình tương tác cơ học giữa cơ thể người và quần áo
Hình 1.1 minh họa hệ tiếp xúc giữa cơ thể người và quần áo trong hệ tọa độ
không gian x(x1, x2 và x3). Hệ tiếp xúc gồm bốn thành phần (quần áo, da, mô mềm và
xương) và ba bề mặt tiếp xúc (giữa quần áo với da, da với mô mềm và mô mềm với
xương). Tại thời điểm ban đầu t = 0, quần áo bao phủ miền 0 1 và các thành phần của
cơ thể người bao gồm da, mô mềm và xương tương ứng chiếm các miền 0 2 , 0 3 và
0 4
 .

Hình 1.1. Hệ thống tiếp xúc giữa cơ thể người và quần áo [8]

Từ thời điểm t = 0, quần áo sẽ di chuyển từ chân tới thắt lưng cho vừa với cơ
thể, trong quá trình di chuyển quần áo sẽ chiếm miền mới là t 1 và tiếp xúc với miền
t
2 của da, tương ứng với đó là các miền t 3 của mô mềm và t 4 của xương. Các
ràng buộc giữa cơ thể người và quần áo trong mô hình được thể hiện như sau:

t
Ω1  t Ω 2 =  ; t Ω 2  t Ω3 =  ; t Ω3  t Ω 4 =  (t ≥ 0)
(1.1)
trong đó,  là kí hiệu một tập rỗng ám chỉ rằng các miền không xâm lấn nhau. Điều
kiện biên của các miền t n được kí hiệu là t n , bao gồm ba thành phần riêng biệt:

8


t

n = t nd  t nf  t cn

n = 1,2,3,4

(1.2)

trong đó,  d chuyển vị;  f là tải trọng;  c vùng tiếp xúc có thể xảy ra;  biểu thị
phép hợp.
• Phương trình tổng quát
o Phương trình chuyển động
Nếu không có điều kiện biên cho mỗi bề mặt tiếp xúc, các phương trình chuyển
động cho các vật thể là tách rời nhau. Đặt u(x) và a(x) lần lượt là trường chuyển vị và
trường gia tốc trong vật thể n. Phương trình chuyển động của vật thể đàn hồi n tại thời
gian t là:
t ji (x)
+ t q gi (x) =  t ai (x), x  t n .
t
 xj

(1.3)

với n = 1,2,3; i = 1 đến 3 và j = 1 đến 3
Trong đó, t ij ( X ) là các thành phần ứng suất Cauchy; t qgi ( X ) là thành phần thứ i

của véc-tơ lực khối t qg ( X ) của vật thể n;  là khối lượng riêng của vật thể n và được

t
n
giả thiết là hằng số trong miền  ; và ai ( x ) là thành phần véc-tơ gia tốc thứ i của

một phân tố trong vật thể n.
o Phương trình thuộc tính
Đối với vật liệu đàn hồi tuyến tính, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng
tuân theo định luật Hooke [29]
t s = c  trên miền t n
ij ijkl kl

n = 1,2,3; k = 1 đến 3 và i = 1 đến 3

(1.4)

Trong đó, cijkl là hệ số đàn hồi của vật liệu; sij là một thành phần của tenxơ ứng
suất Piola-Kirchhoff thứ hai có liên quan tới thành phần tenxơ ứng suất Cauchy
 ij ( x ) ; và  kl là một thành phần của tenxơ biến dạng Green-Lagrange để mô tả biến
dạng hình học phi tuyến, trong đó bao gồm cả hai thành phần tuyến tính và phi tuyến
t
eij và tij :
t

eij =

t

( t ui, j + t u j,i ) / 2

(1.5)

t
t
nij = uk ,i uk , j / 2

(1.6)

 t ui
Trong đó, ui , j =
.
X j
t

o Điều kiện biên về chuyển vị
Ống quần được mặc vào cơ thể từ dưới lên trên với vận tốc không đổi V0 theo
hướng x3:

V3 ( x ) = V0

t

On t 1d

(1.7)

9


o Điều kiện biên về lực
Trong suốt quá trình mặc, cơ thể người đứng yên. Vì vậy, chuyển vị của xương
bằng không theo phương x3. Các ràng buộc này đã gây ra một lực biên qb tác dụng lên
xương, được thể hiện theo phương trình sau:
t
q b = t  N trên đường ranh giới t  4f
(1.8)
trong đó, N là vector pháp tuyến đơn vị của một điểm cố định trên đường biên.
Trọng lực tác dụng lên bốn thành phần (quần áo, da, mô và xương) được thể hiện như
sau:
q ng =  n g trên miền t n , n = 1,2,3,4

(1.9)

với g là gia tốc trọng trường.
o Điều kiện biên về tiếp xúc
Đối với bề mặt tiếp xúc không ma sát, lực tại các điểm tiếp xúc x n thể hiện bằng
qcn tuân theo luật thứ ba của Newton:
t

qcn1 = − t qcn1+1 trên đường ranh giới t cn  t cn +1; n = 1,2,3
t

t

n
c1

(1.10)

n
c

trong đó, q là thành phần lực của lực tiếp xúc của q theo phương pháp tuyến
tại điểm tiếp xúc.
Điều kiện tiếp xúc cơ học là một ràng buộc đối với lực tiếp xúc pháp tuyến t qcn1 :
t n
qc1  0 trên đường ranh giới t  cn  t  cn +1 ; n = 1,2,3
(1.11)
Điều này có nghĩa là áp lực tác dụng lên vật thể n ngược hướng so với phương
pháp tuyến tại điểm tiếp xúc.
• Giải bài toán bằng phương pháp số
Một phương pháp số dành cho hệ tiếp xúc giữa quần áo và cơ thể đã được trình
bày bởi Zhang và các cộng sự năm 2003 [8]. Thủ tục mô phỏng bao gồm thiết lập công
thức tổng quát dựa trên nguyên lý công ảo, rời rạc hóa phần tử hữu hạn, tìm kiếm và
đặt các ràng buộc tiếp xúc, và giải phương trình tổng quát. Dựa trên các phương pháp
đã được phát triển trước đây, tác giả thay thế mô hình cơ thể người trước đây từ tuyệt
đối cứng thành mô hình cơ - sinh học để mô phỏng quá trình tương tác cơ học động
trong quá trình mặc quần áo.
• Phần mềm sử dụng trong mô phỏng số
Hiện nay, có rất nhiều phần mềm chuyên dụng được phát triển cho mô phỏng số
như ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA, SAP2000…Một trong những phần mềm được ứng
dụng nhiều ở Việt Nam hiện nay là ABAQUS.
Phần mềm tính toán ABAQUS là một bộ phần mềm dùng để mô phỏng công
trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó

từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp.
ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời
kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình,
trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt
thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất,

10


chuyển vị), vẫn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như
truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp.
1.1.2.4 Xây dựng mô hình 3D cơ thể người và quần áo
Có hai loại mô hình được sử dụng nhiều trong nghiên cứu tính toán áp lực quần
áo lên cơ thể người đó là mô hình vật lý tương tự và mô hình số. Mô hình vật lý tương
tự được cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với đối tượng thực nhưng các quá
trình xảy ra trong mô hình tương đương giống với quá trình xảy ra trong đối tượng
thực; Mô hình số (mô hình mô phỏng) được xây dựng theo phương pháp số tức là
bằng các chương trình chạy trên máy tính số. Ngày nay nhờ có sự phát triển của kỹ
thuật máy tính và kỹ thuật tin học, người ta đã xây dựng được các mô hình số mô
phỏng quá trình hoạt động của đối tượng thực [8].
a. Mô hình vật lý tương tự cơ thể người
Theo tài liệu [9] Dusan Fiala và các cộng sự chọn cơ thể người có kích thước
trung bình, các thông số: cân nặng 73,5 kg; lượng mỡ 14%, diện tích da 1,86 m2. Cơ
thể được chia thành 15 vùng có dạng hình cầu hoặc hình trụ. Các bộ phận có dạng hình
cầu: đầu; các bộ phận có dạng hình trụ: khuôn mặt, cổ, hai vai, ngực, bụng, hai cánh
tay, hai bàn tay, hai chân, hai bàn chân. Các phần trên cơ thể lại được chia thành nhiều
lớp đồng tâm với các đặc điểm vật liệu khác nhau. Hầu hết các bộ phận được chia
thành 3 lớp: lớp trên cùng là lớp da, lớp giữa là các mô và lớp dưới là hệ xương.
Để mô hình hóa cơ thể cần định nghĩa nhiều loại vật liệu khác nhau như vật liệu
có các tính chất giống với não, phổi, xương, cơ, chất béo và da. Trong nghiên cứu

phần da được mô hình hóa gồm 2 lớp có tính chất hoàn toàn khác nhau: lớp da trong
và lớp da ngoài. Lớp da trong dày 1mm, mô phỏng hệ thần kinh dưới da, lớp ngoài có
cùng độ dày chứa các mạch máu, hệ mồ hôi [9].
Để xác định áp lực lên bề tạo ra bởi sức căng theo độ giãn ngang, nghiên cứu
[10] sử dụng mô hình mô phỏng cơ thể người tại các khu có thiết diện ngang gần như
hình trụ (eo, bụng, đùi, tay…) như trong hình 1.2. Lõi của mô hình sử dụng ống nhựa
PVC (4) có chu vi 462 mm, chiều dài 350 mm mô phỏng khung xương, bên ngoài bọc
lớp mút (3) có bề dày 5mm mô phỏng lớp mô mềm cơ thể. Băng vải có chiều rộng 100
mm, có chu vi nhỏ hơn chu vi mô hình và được lồng vào mô hình. Tùy theo chu vi của
băng vải khi lồng vào mô hình sẽ bị kéo giãn ở các mức độ khác nhau, chúng sẽ nén
lên bề mặt mô hình những áp lực khác nhau. Áp lực này xác định được nhờ 4 cảm biến
gắn ở 4 góc mô hình.

Hình 1.2. Mô hình đo áp lực trang phục [10]

11


Tác giả và nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình thực nghiệm phần đùi cơ thể.

Mô hình phần đùi được làm từ 2 lớp vật liệu: lớp bên trong bằng vật liệu cứng đại diện
cho phần xương, lớp bên ngoài làm bằng vật liệu có tính đàn hồi cao và khả năng biến
dạng tốt đại diện cho phần mô của cơ thể. Lớp vật liệu bên ngoài có độ dày 30 mm
như trong hình 1.3. Bán kính vòng đùi trên 91,1 mm, bán kính vòng đùi dưới 71,4 mm,
chiều dài mô hình là 180 mm
Để mô hình hóa phần đùi đều cần có 3 lớp vật liệu: lớp xương làm bằng vật liệu
cứng (trong các mô hình là kim loại), lớp mô làm bằng mút mềm hoặc cao su và lớp
bọc ở bên ngoài làm bằng tấm nhựa tổng hợp để mô phỏng phần da người.

Hình 1.3. Bản vẽ thiết kế mô hình phần đùi cơ thể người

b. Mô hình mô phỏng cơ thể người
Thông thường, có hai loại mô hình cơ thể được sử dụng trong nhiều nghiên cứu
thiết kế kỹ thuật y sinh [11]. Đó là mô hình xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người,
thường gọi là mô hình vỏ, mô tả cấu trúc bề mặt cơ thể con người; Mô hình thứ hai là
mô hình cấu trúc được xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT (mô hình đặc) chứa các thông
tin về các lớp bên trong cơ thể như xương, gân và các lớp mô mềm.
Xây dựng mô hình 3D cơ thể người dựa trên các điểm ảnh rời rạc thu được từ
hệ thống quét 3D cơ thể người. Trong nghiên cứu [12] tác giả sử dụng các mặt cong
tham số B - Spline, sau đó chúng được ghép lại với nhau như hình 1.4.

Hình 1.4. Mô hình hóa 3D cơ thể người bằng các bản vá [12]

12


Theo tài liệu [13] tác giả đã sử dụng dữ liệu từ máy quét toàn thân 3D body
scanner của hãng [TC]² sau đó ứng dụng phần mềm thiết kế ngược Rapidform để xây
dựng lại mô hình mô phỏng hình dạng, cấu trúc kích thước cơ thể trẻ em trên địa bàn
thành phố Hà Nội như trong hình 1.5. Mô hình xây dựng được sử dụng để chế tạo manơ-canh thiết kế và làm mô hình thử sửa ảo, xác định mức độ vừa vặn quần áo, áp lực
quần áo lên cơ thể người cho các phần mềm thiết kế 3D như Lectra 3D Fit, Optitex…

Hình 1.5. Quá trình xây dựng bề mặt, làm mịn hóa bề mặt từ dữ liệu
quét 3D cơ thể người [13]

Trong nghiên cứu [8] tác giả và các cộng sự đã xây dựng mô hình toán học mô
tả các cơ chế tiếp xúc giữa cơ thể người với quần áo, nghiên cứu này sử dụng ma-nơcanh ảo của phần mềm thương mại để mô phỏng tính toán áp lực lên bề mặt mô hình,
ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề mặt cứng không biến dạng trong quá trình
mặc, do vậy các tương tác cơ học giữa vải và các lớp mô mềm cấu trúc bên trong cơ
thể không được tính đến.

Xương
Mô mềm

Hình 1.6. (a) hình ảnh chụp cộng hưởng từ MRI với 2mm/lớp cắt, (b) hình ảnh chụp mặt cắt
xương và các lớp mô mềm, (c) mô phỏng cấu trúc xương và mô mềm, (d) Mô hình 3D cấu trúc
chân gồm 2 thành phần là xương và mô mềm[15].

Ứng dụng công nghệ chụp cắt lớp CT, các nghiên cứu [14,15] đã xây dựng mô
hình cấu trúc cơ thể từ dữ liệu ảnh chụp. Cấu trúc được chia làm hai phần chính là

13


xương và mô mềm, để đơn giản hóa trong nghiên cứu thì các sụn khớp của xương
được hợp nhất là một. Các bề mặt ranh giới của thành phần xương và da đã được tái
tạo thành mô hình khối cấu trúc cơ thể nhờ ứng dụng phần mềm SolidWorks như trong
hình 1.6. Các mô hình khối sau đó được sử dụng làm dữ liệu phục vụ cho việc mô
phỏng tính toán áp lực của tất nén y tế phân đoạn lên phần chân cơ thể người.
Tác giả L. Dubuis và các công sự [16] tiến hành nghiên cứu xác định áp lực của
tất y tế lên thành tĩnh mạch vùng cổ chân. Mô hình hình sử dụng trong nghiên cứu
được xây dựng từ dữ liệu chụp cắt lớp CT bao gồm 3 thành phần chính là: lớp mô bề
mặt chủ yếu là mỡ và da; lớp mô sâu chủ yếu là cơ, gân và mạch máu; xương chày và
xương mác như trong hình 1.7.
Xương chày và
xương mác
Lớp mô sâu
Lớp mô bề mặt

Hình 1.7. Mô hình 3D cẳng chân xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT [16]

c. Mô hình 3D quần áo
Trong thiết kế quần áo ứng dụng mô phỏng 3D, công nghệ mô phỏng cho phép
tạo ra lớp quần áo có các đặc tính cơ học như độ rủ, độ giãn, độ đàn hồi, tính chất bề
mặt... như loại vải thật. Mô hình quần áo trong mô phỏng 3D được tạo ra từ chi tiết 2D
ghép lại với nhau hoặc mẫu 3D có hình dạng giống như cơ thể xong kích thước có thể
lớn hơn hoặc nhỏ hơn tùy theo yêu cầu và mục đích sử dụng. Mô hình quần áo 3D
thường được tạo nên bởi các bề mặt toán học hay lưới đa giác bao gồm các đa giác
phẳng, cách nhau bằng các cạnh, tự kết nối các đỉnh [17].

Hình 1.8. Quá xây dựng hình trải từ 3D sang 2D[17]

Tác giả Charlie C. L. Wang [12] đã sử dụng mô hình khung lưới bề mặt 3D cơ
thể người để tạo mẫu thiết kế 3D cho các chủng loại trang phục khác nhau trên cơ sở
sử dụng các điểm đặc trưng, các đường đặc trưng và khung lưới bề mặt cơ thể. Đồng thời
sử dụng công cụ tạo hình của phần mềm chuyên dụng để thiết kế trên mô hình khung lưới

14


bề mặt cơ thể người để dựng các đường, các mảng miếng chi tiết tạo nên các chi tiết của
mẫu thiết kế. Tiến hành trải phẳng bề mặt mô hình 3D cơ thể người thành bản vẽ 2D.
Tác giả đã áp dụng thuật toán làm phẳng bề mặt dựa vào quá trình giải phóng năng
lượng của hệ thống lò xo để thu được mẫu thiết kế 2D từ bề mặt lưới mô hình 3D như
trong hình 1.8.
Trong nghiên cứu [1] nhóm tác giả đã xây dựng mô hình tính toán áp lực quần
áo lên cơ thể người từ các mẫu quần áo 2D. Các chi tiết 2D quần áo được tạo ra từ
phần mềm CAD chuyên ngành sau đó được gán các đặc trưng tính chất cơ học như
một loại vải thật như hình 1.9.
Tay áo

Thân sau áo

Tay áo
Thân
trước
áo

Hình 1.9. Mô phỏng quá trình mặc quần áo [1]

Tác giả Rong Liu và các cộng sự [15] đã xây dựng mô hình 3D tất nén phân
đoạn để mô phỏng áp lực của vải lên cơ thể, mô hình được chia làm bốn phần (phần
đùi, gối, bắp và mắt cá chân như trong hình 1.10. Dựa trên chu vi các vòng chân, tính
chất cơ học vật liệu và áp lực định trước cho từng phần để tính kích thước và chu vi
từng phần tất nén.

Đùi

Gối

Bắp chân
Cổ chân

Hình 1.10. Cấu trúc mô hình 3D tất nén trong ABAQUS
(a) Kích thước mẫu; (b) Phân đoạn tất nén [15]

15


1.1.3.5 Mô hình thuộc tính cơ thể người và quần áo

Mô hình cơ sinh học trong các nghiên cứu [11, 19, 20], xương được giả định
không biến dạng trước những áp lực trang phục lên cơ thể người. Vì vậy coi xương là
vật liệu cứng tuyệt đối và không đàn hồi. Các mô mềm xung quanh xương được cho là
đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính. Bảng 1.1 giới thiệu thông số về xương
và mô mềm được sử dụng trong các nghiên cứu.
Bảng 1.1. Đặc trưng thông số của xương và mô mềm [11]
Nhóm nghiên cứu

Bộ phận cơ thể

Jacob and Patil
1999

Xương bàn chân
Mô mềm bàn
chân

Rong liu

Mô mềm đùi và
bắp chân

Các thông số đo và giá trị đàn hồi của da
- Mô đun Young's: E = 7300 MPa
- Tỉ số Poisson: 0,3
- Mô đun Young's: E = 1 MPa
- Tỉ số Poisson: 0,49
- Mô đun Young's: E = 0,02 MPa
- Tỉ số Poisson: 0,48
- Khối lượng riêng: W = 1,03 10-9 tấn/mm3

Weiss 1999

Mô mềm đùi và
bắp chân

- Mô đun Young's: E = 0,01 MPa
- Tỉ số Poisson: 0,49
- Khối lượng riêng: W = 9,37 10-10 tấn/mm3

Theo tài liệu [11] nhóm tác giả đã nghiên cứu và đưa ra báo cáo về thuộc tính
của da và mô mềm như trong bảng 1.2, 1.3 và 1.4.
Bảng 1.2. Thông số đàn hồi hồi của da sử dụng máy đo đàn hồi[11]
Nhóm nghiên cứu
Jemec et al.

Bộ phận cơ thể
Bàn tay và
cánh tay

Pedersen et al.

Cánh tay
(Người trẻ và
già)

Quan et al.

Cánh tay và đùi
(Người trẻ và

già)

Các thông số đo và giá trị đàn hồi của da
- Độ giãn nở: 1,76 mm (bàn tay); 2,22 mm (cánh
tay)
- Độ đàn hồi: 58% (bàn tay), 68% (cánh tay)
- Hiện tượng trễ: 0,21 mm (bàn tay);0,20 mm (cánh
tay)
- Độ giãn nở: 2,98 mm
- Độ đàn hồi: 90%
- Hiện tượng trễ: 0,18 mm
- Mô đun Young’s: 5,26 MPa (nữ),
4,8 MPa (nam)
- Mô đun Young’s: 3,52 MPa (tuổi 9–29),
4,77 MPa (tuổi 30–39),
6,98 MPa (tuổi 40–58)
- Độ cứng da cánh tay: 1,92 N/mm (người trẻ)
2,86 N/mm (người già)
- Độ cứng da đùi:
1,20 N/mm (người trẻ)
2,10 N/mm (người già)

16


Bảng 1.3. Hệ số ma sát của da tại 6 điểm giải phẫu[11]
Điểm giải
phẫu
Hệ số
ma sát

Mu bàn
tay
0,47 ±
0,12

Lòng bàn
tay
0,62 ±
0,22

Mặt trước
cánh tay
0,46 ± 0,10

Mặt trước
chân
0,40 ±
0,10

Mặt sau
cánh tay
0,43 ±
0,10

Mặt sau
chân
0,40 ±
0,09

Bảng 1.4. Hệ số ma sát của da với 5 loại nguyên liệu[11]
Nguyên
liệu
Hệ số
ma sát

Al
(aluminum)

Nylon

Silicone

Sock

Pelite
(polyethylene foam)

0,42 ± 0,14

0,37 ± 0,09

0,61 ± 0,21

0,51 ± 0,11

0,45 ± 0,07

Bảng 1.3 và 1.4 cho thấy các hệ số ma sát da tại các vị trí rất khác nhau và ma
sát của da với các vật liệu khác nhau. Trong tất cả các phép đo, hệ số ma sát da trong

khoảng 0,24 - 0,65 và giá trị trung bình cho tất cả các vị trí thử nghiệm với vật liệu là
0,41 ± 0,14. Không có sự khác biệt đáng kể ma sát giữa hai địa điểm giải phẫu đo.
Trong số năm nguyên liệu đo, Silicone có hệ số ma sát cao nhất, và Nylon cho hệ số
thấp nhất.
Tác giả Rong Liu và nhóm nghiên cứu [15] ứng dụng phương pháp phần tử hữu
hạn và phần mềm tính toán ABAQUS mô phỏng áp lực tất nén áp lực phân đoạn lên
phần chân cơ thể với các đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong
bảng 1.5.
Bảng 1.5. Đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong mô hình
tất nén [15]
Phân
khúc

Khối lượng
riêng
(W-tấn/mm3)

Mô đun
Young's
(E1 - MPa)

Mô đun
Young's
(E2 - MPa)

Tỉ số
Poisson
(V)

Mô đun

Đàn hồi trượt
(G12 - MPa)

Độ dày
của vải
(T – mm)

Mắt cá
chân
Bắp chân
Đầu gối
Đùi

1,3.10-10

0,2778

0,1968

0,2756

0,1741

1

1,1.10-10
0,96.10-10
0,85.10-10

0,2138

0,1498
0,1474

0,1500
0,1031
0,0957

0,3261
0,3766
0,3766

0,1101
0,0461
0,0400

1
1
1

Tác giả Yinglei [20] cùng các cộng sự nghiên cứu sự phân bổ áp lực trên da của
một tất nén áp lực phân đoạn bằng phương pháp mô phỏng số. Các thông số mô hình
vật liệu được sử dụng trong tính toán như bảng 1.6.
Bảng 1.6. Đặc trưng tính chất cơ học của nguyên liệu sử dụng trong mô hình
tất nén [20]
Vị
trí
Mắt cá
chân
Bắp chân

Khối lượng
riêng
(W-tấn/mm3)

Mô đun
Young's

Mô đun
Young's

Mô đun
Đàn hồi trượt

(E2 - MPa)

Tỉ số
Poisson
(V)

(G12 - MPa)

Độ dày
của vải
(T-mm)

(E1 - MPa)

2,1.10-10

0,237

0,157

0,218

0,100

0,75

2,0.10-10

0,235

0,101

0,235

0,093

0,75

17


Tác giả Ming Zhang và các cộng sự [21] nghiên cứu sự phân bố áp lực tất chân
với hai loại nguyên liệu là Nylon và Cotton. Sử dụng mô hình hình học tất giống như
mô hình bề mặt bàn chân đã được mô hình hóa. Các loại vải dệt kim có đặc tính cơ
học khác nhau theo hướng canh sợi, vải sử dụng trong nghiên cứu được giả thiết dị
hướng và đàn hồi tuyến tính. Các thông số cơ bản cần thiết trong tính toán mô phỏng
áp lực được thể hiện trong bảng 1.7.

Bảng 1.7. Tính chất cơ học của hai mẫu vải dệt kim[21]
Tất
chân
Nylon
Cotton

Mô đun
Young's

Mô đun
Young's

(E1 - MPa)

(E2 - MPa)

0,0446
0,061

0,061
0,0728

Tỉ số Poisson
(v)

Mô đun
Đàn hồi trượt
(G12 - MPa)

0,195

0,155

0,02
0,028

Độ dày của
vải
(T – mm)
0,5
0,85

1.1.3.6 Một số nghiên cứu về mô phỏng số áp lực quần áo lên cơ thể người
Trong nghiên cứu [22], tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và
phần mềm tính toán ABAQUS để mô phỏng áp lực của áo nịt ngực lên bề mặt cơ thể
người mặc. Nghiên cứu này sử dụng mô hình 3D cơ thể người được xây dựng từ dữ
liệu quét toàn thân 3D và giả thiết toàn bộ các phần của cơ thể là loại vật liệu đồng
nhất đàn hồi tuyến tính, kết quả mô phỏng cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tính toán
các tác động cơ học của quần áo lên cơ thể người. Một nghiên cứu khác [8] tác giả và
các công sự đã xây dựng mô hình toán học mô tả các cơ chế tiếp xúc giữa cơ thể người
với quần áo, nghiên cứu này sử dụng ma-nơ-canh ảo của phần mềm thương mại để mô
phỏng tính toán áp lực lên bề mặt mô hình, ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề
mặt cứng không biến dạng trong quá trình mặc, do vậy các tương tác cơ học giữa vải
và các lớp mô mềm cấu trúc bên trong cơ thể không được tính đến.
Theo tài liệu [3] các tác giả đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được
tích hợp trong phần mềm ANSYS để nghiên cứu áp lực của quần áo lên cơ thể người.
Với một số điều kiện giả thiết như: Vải là những tấm vật liệu đẳng hướng hoặc trực
hướng, cơ thể người là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính. Hai loại
vải được mô phỏng thông qua các thông số như mô đun đàn hồi E (Young's modulus),
hệ số Poát xông v, khối lượng riêng tấn/mm3; tác giả đã xây dựng thành công mô hình
mô phỏng tính toán áp lực quần áo lên cơ thể với các độ giãn khác nhau như hình 1.11.

Hình 1.11. Tính toán áp lực của quần áo bằng phần mềm ANSYS[3]

18


900 mm
6 - Mông
5 – Đùi 2

4 - Đùi 1
3 - Gối

2 - Bắp chân

1 - Cổ chân
0 mm
Dị hướng

Đẳng hướng

Hình 1.12. Tính toán áp lực của quần áo lên cơ thể người
bằng phần mềm ABAQUS [3]

Tác giả Takaya Kobayashi [1] đã nghiên cứu mô phỏng vải qua hai cách tiếp
cận: mô hình tương tác chéo kết hợp với điều kiện vật liệu là siêu đàn hồi đẳng hướng
và phương pháp mô hình vật liệu được coi là siêu đàn hồi dị hướng. Mô hình vật liệu
này được xây dựng qua phương pháp lớp vật liệu bốn điểm S4R bằng phần mềm
ABAQUS và đã đạt được kết quả khả quan trong việc dự đoán đặc tính biến dạng của
mẫu vải thí nghiệm và tính toán giá trị áp lực của quần áo, phân bố áp lực quần áo lên

từng vùng cơ thể người. Nghiên cứu cũng cho thấy kết quả mô phỏng tính toán áp lực
của quần tất lên cơ thể người phù hợp với kết quả đo bằng phương pháp thực nghiệm.
Trong nghiên cứu [23] tác giả cùng các cộng sự đã nghiên cứu sự phân bố áp
lực trên da của một tất nén áp lực phân đoạn bằng phương pháp mô phỏng số. Nghiên
cứu đã xây dựng mô hình 3D cẳng chân cơ thể từ dữ liệu chụp cắt lớp CT gồm 2 thành
phần chính là xương và mô mềm. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn được tích
hợp trong phần mềm tính toán ABAQUS mô phỏng tính toán áp lực của tất nén phân
đoạn lên phần cẳng chân cơ thể được minh họa trong hình 1.13 và hình 1.14. Dựa trên
các đặc trưng thuộc tính cơ học của vải và cơ thể người, nghiên cứu đã thiết lập mô
hình cho phép dự đoán và hiển thị sự phân bố áp lực trên da cho từng loại tất nén mà
không cần mặc thực tế.

Bắp chân

Bắp chân

Cổ chân

Bề mặt da
chân phí
dưới

Hình 1.13. Biểu đồ phân bố sức căng trên
bề mặt ống vải [23]

Cổ chân

Hình 1.14. Biểu đồ phân bố áp lực trên
bề mặt chân [23]

19


Kết quả nghiên cứu trên hình 1.13 cho thấy sự phân bố sức căng của tất nén áp
lực phân đoạn ở mỗi vị trí là khác nhau, khu vực cổ chân có áp lực lớn nhất. Hình 1.14
cho thấy sự chênh lệch áp lực dọc chân mang tất nén áp lực phân đoạn, áp lực phân bố
không đều trên các phần khác nhau của chân, áp lực lớn nhất tập trung ở khu vực mắt
cá chân và giảm đều đến vùng đầu gối. Điều này rất phù hợp với yêu cầu đặt ra của tất
nén áp lực và các kết quả công trình nghiên cứu trước đây.
Mặt trước

Mặt trước

Mặt
trong

Mặt
ngoài

Mặt
ngoài

Mặt
trong

Mặt sau

Mặt sau

Hình 1.16. Phân bố áp lực đo tại bốn mặt

của khu vực mắt cá chân [23]

Hình 1.15. Mô phỏng sự phân bố áp lực
trên mặt cắt ngang vùng mắt cá chân [23]

Mặt trước

Mặt trước

Mặt
ngoài

Mặt
trong

Mặt
ngoài

Mặt
trong
Mặt sau

Hình 1.17. Mô phỏng sự phân bổ áp lực
trên mặt cắt ngang vùng bắp chân [23]

Mặt sau

Hình 1.18. Phân phối áp lực đo tại bốn mặt
của mặt cắt ngang vùng bắp chân [23]

Quan sát mặt cắt ngang tại khu vực mắt cá chân trong hình 1.15 cho ta thấy áp
lực cao xảy ra ở những khu vực có bán kính nhỏ hơn, vị trí gần với xương như mắt cá
chân trước và gân Achilles. Phân bố này hoàn toàn đúng theo định luật Laplace. Để
kiểm chứng các kết quả trong mô phỏng, nhóm nghiên cứu tiến hành so sánh với giá
trị áp lực đo bằng cảm biến. Kết quả và sự phân bố áp lực ở chu vi mặt cắt ngang mắt
cá chân nằm trong phạm vi sai số cho phép. Hình 1.16 và 1.18 kết quả mô phỏng và sự
phân bổ áp lực đo trên mặt cắt ngang vùng bắp chân, chúng ta nhận thấy giá trị áp lực
tại bốn hướng điển hình cũng thỏa mãn với yêu cầu đề ra.
Trong nghiên cứu [24] Rui Dan và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp phần
tử hữu hạn để mô phỏng xác định áp lực của tất lên phần cổ chân cơ thể. Mô hình sử
dụng trong mô phỏng tính toán được xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người gồm 3
thành phần chính là da, xương và mô mềm. Da và mô mềm được giả thiết là vật liệu
đàn hồi tuyến tính, xương chày và xương mác giả thiết có dạng hình trụ. Nghiên cứu
đã thử nghiệm trên 6 mẫu tất với kích thước khác nhau, kết quả đã xác định được sự
phân bố áp lực, chuyển vị của 72 điểm trên mặt cắt ngang vòng cổ chân như trong hình

20


Áp lực (KPa)

Chuyển vi (mm)

1.19. Ngoài ra, nghiên cứu còn xây dựng được mối quan hệ giữa áp lực và tính chất
vật liệu phần trên cùng của tất với các thông số như mô đun đàn hồi, hệ số Poát xông
(Poisson), độ giãn đàn hồi, chiều rộng trên cùng của tất.

Hình 1.19. (a) Phân bố áp lực trên mặt cắt ngang vòng cổ chân, (b) Chuyển vị của 72 điểm
trên mặt cắt ngang vòng cổ chân [24]

Phần mềm chuyên ngành trong thiết kế sản phẩm may như V-sticher, Opitex,
Lectra 3D Fit [25, 26] giúp ta nhanh chóng mô phỏng quần áo trên mô hình ma-nơcanh ảo theo thông số kích thước cơ thể người mẫu thật. Phần mềm cho phép nhập các
thuộc tính cơ học của vải, mô phỏng áp lực trên từng vùng cơ thể như trong hình 1.20.
kết quả ch thấy phương pháp này chỉ mang tính chất dự báo và cho biết sự phân bố áp
lực tại các các vị trí trên cơ thể người mặc, không lượng tính được giá trị áp lực thực
tại các điểm.

Hình 1.20. Áp lực áo lên cơ thể người được thể hiện qua biểu đồ màu sắc [26]

1.2 Phương pháp và thiết bị đo áp lực của quần áo mặc bó sát lên
cơ thể người
1.2.1 Các phương pháp và thiết bị đo gián tiếp
Các phương pháp đo áp lực gián tiếp thường không hiển thị trực tiếp áp lực
trang phục lên bề mặt mà giá trị áp lực có thể được tính toán từ các kết quả đo. Theo
tiêu chuẩn XP EVN 12719 [2], đo lực xuất hiện của tất theo chiều ngang khi kéo giãn
đồng thời theo cả hai hướng ngang và dọc theo độ giãn cho trước. Sử dụng công thức
Laplace để chuyển lực đo được sang áp lực của tất lên cơ thể người mặc.

21


P = T/r
Hình 1.21. Áp lực lên bề mặt dưới sức căng T [2]

Giá trị ép nén (áp lực) được tính theo công thức Laplace như sau:
(1.12)

Trong đó: P áp lực của vải lên bề mặt mô hình (đơn vi tính hPa)
T lực kéo giãn của vải (đơn vi tính cN)
r bán kính mô hình (đơn vi tính cm)

Trong nghiên cứu [27] tác giả và các cộng sự đã sử dụng định luật Laplace để
tính toán áp lực quần áo lên cơ thể người. Việc tính toán áp lực quần áo lên cơ thể
người dựa trên một số điều kiện giả định như: Áp lực lên cơ thể tuân theo định luật
Laplace; Lực do vải tác dụng lên mô hình là đồng đều trên toàn chu vi; Giá trị các
thông số của vải như quan hệ giữa lực và độ giãn sau các chu kỳ lơi được biết trước;
Bán kính cong tại các vị trí khác nhau trên cơ thể người đã được biết trước. Theo định
luật Laplace, áp lực P phụ thuộc vào lực tiếp tuyến F và được xác định theo công thức
sau:

P=

2𝜋𝐹

(1.13)

𝐺1 𝑆

Hình 1.22. Mô hình áp lực lên hình trụ [27]

Trong đó: F là lực tiếp tuyến hay lực kéo giãn, đơn vị cN. F = a. b (a,b là hệ số
giãn hồi quy tương đối); G1 là chu vi khối trụ, đơn vị cm ; S độ rộng băng vải, đơn vị
cm; P áp suất, đơn vị hPa (1hPa = 100 Pa).
Với công thức (1.13) áp lực của vải lên mô hình khối trụ hoàn toàn có thể tính
được. Việc tính toán áp lực bằng lý thuyết nhằm so sánh với phép đo áp lực bằng thực

22


nghiệm và đưa ra phương án thiết kế sản phẩm đạt được áp lực mong muốn. Tuy vậy
phương pháp tính toán bằng lý thuyết vẫn còn nhiều hạn chế, cần nhiều điều kiện giả

thiết phi thực tế để tính toán, chỉ áp dụng được cho một số trường hợp nhất định.
Tác giả Seyed Abbas và các cộng sự trong nghiên cứu [3] đã xây dựng công
thức tính toán áp lực trên mô hình khối tròn xoay như trong hình 1.23.

Hình 1.23. Mô hình tính toán tổng quát áp lực của quần áo lên cơ thể người[3]

Xét trường hợp tổng quát, cơ thể người là một khối tròn xoay được tạo bởi
phương pháp xoay một đường cong 2D quanh 1 trục. Phủ ra ngoài cơ thể một lớp quần
áo bó sát có độ dày là t, khi đó vị trí mỗi điểm trên lớp quần áo sẽ được xác định bởi
các thông số: ϕ, θ, r0 như trong hình 1.23.
Trong đó: ϕ là góc tạo bởi bán kính cong tại mỗi điểm trên lớp quần áo và trục
tung; θ là góc xác định vị trí mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang; r0 bán kính
cong của mỗi điểm trong mặt cắt theo phương ngang.
Xét diện tích nhỏ ABCD trên lớp quần áo được tạo bởi hai mặt cắt đi qua trục
xoay và hai mặt cắt theo phương ngang. Khi lớp quần áo tác động một áp lực p vào
phía trong cơ thể, theo định luật 3 Newton, sẽ có một phản áp lực tác động ngược trở
lại lớp quần áo. Phản áp lực này sẽ sinh ra ứng suất σθ, σϕ theo phương tiếp tuyến với
đường cong kinh tuyến và đường cong vĩ tuyến.
𝑃
𝑡

=

𝜎𝜙
𝑟1

+

𝜎𝜃

(1.14)

𝑟2

Trong đó: P là áp lực của quần áo lên mô hình; t là độ dày của vải; 𝜎𝜙 là ứng
suất theo phương dọc; 𝜎𝜃 là ứng suất theo phương ngang; r1 là bán kính tại vị trí tính
áp lực theo phương dọc; r2 là bán kính tại vị trí tính áp lực theo phương ngang.
Khi cơ thể người có dạng khối trụ và dạng khối nón cụt ta có công thức tính:
p = E.(

r0
r −r
t
− 1). = E.t. 0
r
r0
r.r0

(1.15)

(r0 − r )
r.r0

(1.16)

p = E.t.cos  .

Trong đó: Mô đun đàn hồi E; Độ dày của vải t; Góc nghiêng  ; Kích thước của
quần áo trước khi mặc lên cơ thể r; Kích thước của quần áo sau khi mặc lên cơ thể r0.
Với những công thức trên việc tính toán lý thuyết có thể thực hiện được trên mô

hình có bề mặt cứng tuyệt đối, không bị biến dạng dưới tác động áp lực của p.

23


Trong nghiên cứu khác tác giả Thomas, S., Fram, P. [28], áp lực của băng vải
lên bề mặt mô hình hình trụ được xác định bằng cách đo lực theo chu vi vùng cho
trước cần thiết để kéo giãn mẫu tất tương ứng với cỡ thiết kế như trong hình 1.24.

Hình 1.24. Băng vải và đo giá trị kéo giãn băng vải[28]

Theo định luật Laplace, áp lực băng vải tỷ lệ thuận với sức căng của nó, và tỷ lệ
nghịch với bán kính cong của bề mặt được ép nén.
P=

F×n×4620
G×S

(1.17)

Trong đó: P là áp lực, đơn vị mmHg ; F sức căng, đơn vị Kgf; G chu vi, đơn vị
cm; n là số lớp vải; S chiều rộng băng vải (thông thường khi nghiên cứu, sử dụng băng
vải có chiều rộng 10 cm)
Nhận xét : Trên cơ sở công thức Laplace và việc sử dụng các dụng cụ thiết bị
đo độ giãn vải, lực kéo giãn, các thông số kích thước mô hình giả định hoặc mô hình
tái tạo cơ thể người ta dễ dàng tính toán áp lực lên từng vùng cơ thể. Nhược điểm
chính của phương pháp là độ sai số của kết quả tính trong một số trường hợp như sự
thay đổi bán kính cong mô hình do tác động áp lực lên bề mặt, các phần cơ thể không
hoàn toàn có cấu trúc đặc trưng như hình trụ hoặc nón cụt, sức căng hay lực kéo giãn
trên mặt không đồng đều do ma sát giữa bề mặt vải và da cơ thể.

1.2.2 Các phương pháp và thiết bị đo trực tiếp
Thiết bị đo AMI 3037 của hãng AMI Techno Co. Ltd Nhật Bản [29, 30]. Thiết
bị sử dụng đầu đo là cảm biến áp khí có đường kính 20 mm, độ dày 1 mm, khoảng đo
từ 0 đến 34 kPa, sai số trong phạm vi ± 0.03 kPa. Cảm biến được sử dụng đo áp lực
tiếp xúc giữa quần áo với bề mặt cơ thể người hoặc ma-nơ-canh. Hệ thống này có thể
cho phép thu thập dữ liệu 10 điểm đo và người quan sát có thể dự đoán được sự phân
bổ tổng thể áp lực quần áo bó sát lên cơ thể con người.

Hình 1.25. Đo áp lực của tất chân lên cơ thể người [30]

24


Thiết bị có thể đo áp lực của trang phục lên các vị trí khác nhau của cơ thể
người mặc với độ chính xác cao, sai số lặp lại kết quả giữa các lần đo thấp, kích thước
nhỏ gọn. Nhược điểm: thiết bị có giá thành cao, nhà sản xuất chỉ cung cấp thiết bị
đồng bộ, không cung cấp các chi tiết cấu thành chế tạo thiết bị.
Nghiên cứu của tác giả Tao Wu [31] đã thiết kế thiết bị đo áp lực băng nén lên
cơ thể người sử dụng cảm biến lực. Các cảm biến lực được gắn vào một chân giả, kết
nối với máy tính và hiển thị kết quả đo qua bộ phận xử lý tín hiệu (ADC-16) được
minh họa trong hình 1.26, cảm biến có phạm vi đo từ 0 đến 5 N/cm2, sai số nhỏ (trong
khoảng ± 0,5%). Cảm biến có kích thước lớn nên thiết bị chỉ phù hợp đo áp áp lực của
quần áo lên các mô hình giả định các bộ phận cơ thể người.

Hình 1.26. Mô hình thiết bị đo áp lực băng nén [31]

Tác giả Tsang Wai Hang [32, 33] đã sử dụng hệ thống đo áp lực quần áo bó sát
lên da cơ thể người. Áp lực tạo ra bởi quần bó sát được đo bởi cảm biến đặt bên trong.
Tác giả sử dụng hệ thống đo áp lực (Flexiforce system) của hãng Tekscan, hệ thống
gồm cảm biến, bộ phận xử lý tín hiệu được kết nối với máy tính nhờ phần mềm cho

phép kết nối 16 cảm biến với máy tính. Kết quả hiển thị bằng thông số và biểu đồ áp
lực cho tùng vùng đo như trong hình 1.27.

Hình 1.27. Hệ thống đo áp lực (Flexiforce system) của hãng Tekscan [32]

Hệ thống đo sử dụng cảm biến FlexiForce A201 có chiều rộng và chiều dài đầy
đủ tương ứng là 14 mm và 203 mm. Đầu nhận tín hiệu cảm biến có đường kính 9,53 mm

25