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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN QUỐC TOẢN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ÁP LỰC CỦA QUẦN MẶC
BĨ SÁT LÊN CƠ THỂ NGƯỜI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MƠ PHỎNG SỐ VÀ THỰC NGHIỆM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT MAY

Hà Nội - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN QUỐC TOẢN

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ÁP LỰC CỦA QUẦN MẶC
BĨ SÁT LÊN CƠ THỂ NGƯỜI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
MƠ PHỎNG SỐ VÀ THỰC NGHIỆM

Ngành: Công nghệ Dệt, May
Mã số: 9540204

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT MAY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Phan Thanh Thảo
2. PGS.TS Đinh Văn Hải

Hà Nội - 2019


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 mơi 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 mơi trường có nhiệt độ cao… Bên
cạnh đó chúng ta cịn thiếu nhiều cơng 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 mơ 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 cơng
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 q trình mặc, quần áo ln 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 ngun liệu, kết cấu sản phẩm, tính tốn kích thước các chi tiết phù
hợp với mục đích sử dụng trang phục.

1


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 q trình sử dụng. Trong đó phương pháp mô
phỏng số và phương pháp đo trực tiếp sử dụng cảm biến đo áp lực được đề cập nghiên
cứu với u cầu đặt ra cần mơ phỏng hình dạng bề mặt và cấu trúc cơ thể người, xây
dựng mơ hình hành vi cơ học của vải, đây là dạng bài tốn mơ 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 thơng 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 tốn 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 khơng 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 cơng thức tính
tốn kích thước thiết kế quần bó sát đảm bảo tính tiện nghị áp lực.

2

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 tốn 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 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 mơ hình cấu trúc
3D cơ thể người kết hợp từ dữ liệu chụp cắt lớp CT và mơ hình bề mặt 3D từ dữ
liệu qt 3D. Mơ hình 3D kết hợp mơ phỏng cấu trúc phần đùi cơ thể người được
sử dụng làm cơ sở dữ liệu đầu vào cho bài tốn mơ phỏng quá trình tương tác cơ
học giữa cơ thể người và quần áo trong quá trình mặc.
Đã nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng số để xác định 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 tốn ABAQUS/Explicit để mơ 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 tốn 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 mơ 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 cơng mơ hình hình học để tính tốn áp lực của quần bó sát lên
phần thân dưới cơ thể người tạo tiền đề khoa học cho q trình mơ phỏng số q
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).

3


-

-

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 tốn ABAQUS/Explicit để tính tốn mơ 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 tốn kích thước 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 số 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 số

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, địi 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 tốn áp lực vải trên cơ sở cơng thức Laplace [2]. Ưu điểm của phương
pháp này là thiết bị đơn giản, dễ sử dụng. Nhược điểm: việc tính tốn áp lực trên cơ sở
công thức Laplace, mỗi loại trang thiết bị cần có cơng thức tính riêng và mất nhiều thời
gian để xác định các thông số vật liệu, thông số mơ hình tính tốn.
Phương pháp mơ phỏng số, hiện nay trên thế giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng
máy tính trong mơ 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 xây dựng mơ hình hành vi cơ học của vải, mơ hình hình học
cơ thể người và mơ hình hành vi cơ học của cơ thể người. 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 số ngày càng phát triển rộng trên thế giới bởi nó có nhiều ưu điểm
như: giúp tiết kiệm thời gian và kinh phí trong q trình xác định áp lực quần áo lên cơ
thể người. Mô phỏng số được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học như: tốn,
vật lý, cơ khí, năng lượng nhiệt, tự động hóa, điều khiển, cơng nghệ thơng tin… Đây là
cơng 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 mơ hình…
Ứng dụng mơ 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 mơ hình, thơng số mơ 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 thơng số đầu vào của bài tốn mơ phỏng như các đặc trưng cơ học
của vải để dự báo tính chất vật liệu, tối ưu hóa q 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 khơng thực hiện được thì phương pháp tốt nhất và thuận tiện nhất là nghiên
cứu trên mơ hình của nó.
Mơ hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu đối tượng bằng cách
thay thế đối tượng gốc bằng một mơ hình để nhằm thu nhận các thông tin về đối tượng
bằng cách tiến hành các thực nghiệm, tính tốn trên mơ hình [5].
Trước đây, để mơ 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
mơ hình do đó các kết quả nghiên cứu tuy có tính rõ ràng, tổng qt nhưng chúng có độ
chính xác không cao. Ngày nay, bên cạnh phương pháp giải tích, phương pháp mơ phỏng
được phát triển và ứng dụng rộng rãi. Đây là phương pháp mơ hình hóa dựa trên việc
xây dựng mơ hình số và dùng phương pháp số để tìm các lời giải, máy tính là cơng cụ
hữu hiệu để thực hiện việc mô phỏng số đối tượng nghiên cứu [5]. phương pháp mô
phỏng cho phép đưa vào mơ 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 mơ phỏng số đã được ứng dụng để nghiên cứu các đối tượng phức tạp như các hệ
thống lớn, các hệ thống có các thơng số biến thiên theo thời gian đem lại hiệu quả to lớn
trong nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất…

Mơ hình mơ 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 mơ hình ứng xử của các đối tượng tham gia vào quá trình.
- Xây dựng hệ phương trình vật lý mơ tả q trình, hiện tượng xảy ra

6


- Lựa chọn ngôn ngữ, công cụ, phần mềm để tiến hành xây dựng mơ hình mơ
phỏng. Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu của mơ hình mơ phỏng.
- Giải bài tốn bằng phương pháp số
- Kiểm định độ tương hợp của kết quả mô phỏng số.
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 tốn, dự đốn các trạng thái của đối tượng và giải các
bài toán điều khiển tối ưu. Do đó, phương pháp nghiên cứu mơ phỏng ngày càng được
ứng dụng rộng rãi. Khi tiến hành mô phỏng chúng ta phải xây dựng mơ hình mơ phỏng
trên máy tính. Mơ hình mơ phỏng là tập hợp các chương trình chạy trên máy tính gọi là
phần mềm mơ phỏng. Khi mô phỏng một đối tượng đơn giản, những chương trình này
có thể được viết bằng các ngơn ngữ lập trình thơng dụng như PASCAL, C++ hay VISUAL
BASIC… Khi mơ phỏng một đối tượng phức tạp, việc viết các chương trình mơ 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 mơ - đun tính tốn chuẩn,
người sử dụng chỉ cần lựa chọn các mô - đun tính tốn, nạp các thơng số cần thiết, nối

các mơ - đun theo một logic định trước, tiến hành chạy mơ phỏng và tính tốn, 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 mơ hình mơ phỏng ngắn; dễ
dàng thay đổi cấu trúc và thông số của mơ 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 mơ phỏng cũng có
những nhược điểm như: địi hỏi máy tính, phần mềm chun dụng, địi 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 mơ 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 mơ phỏng phải phản ánh đúng bản
chất của hệ thống thực không hay nói cách khác là kiểm chứng và hợp thức hóa mơ hình
mơ 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 mơ hình mơ phỏng đã xây
dựng mơ 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 mơ 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 thơng thường một số kết quả thu được từ nghiên cứu mô phỏng sẽ được đánh
giá bằng thực nghiệm.
1.1.2.3 Mô phỏng xác định áp lực quần áo quần áo mặc bó sát lên cơ thể người

7


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 mơ hình mơ phỏng áp lực quần áo mặc bó sát lên cơ thể
người với các giả thiết trong nghiên cứu như sau:

- Mơ hình cơ thể người bao gồm ba thành phần: xương, mô mềm và da. Xương được
coi là vật liệu tuyệt đối cứng và khơng chịu biến dạng trong q trình mặc, da và mô
mềm được giả thiết là vật liệu siêu đàn hồi.
- Chuyển vị của da và mô mềm được giả thiết là đồng nhất tại bề mặt liên kết giữa
da và cơ 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 n trong suốt q 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 q 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 Ω1 và các thành phần của cơ thể người
bao gồm da, mô mềm và xương tương ứng chiếm các miền 0 Ω2 , 0 Ω3 và 0 Ω 4 .

tiếp xúc giữa cơ thể người và quần

Hình 1.1. Hệ thống
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 Ω1 và tiếp xúc với miền t Ω2
của da, tương ứng với đó là các miền t Ω3 của mơ mềm và t Ω 4 của xương. Các ràng
buộc giữa cơ thể người và quần áo trong mơ hình được thể hiện như sau:
t 1

(1.1)
∅ ; t Ω3 ∩ t Ω 4 =
∅ (t ≥ 0)
Ω ∩ t Ω2 =
∅ ; t Ω 2 ∩ t Ω3 =
trong đó, ∅ là kí hiệu một tập rỗng ám chỉ rằng các miền không xâm lấn nhau. Điều
t
n
t n
kiện biên của các miền Ω được kí hiệu là Γ , bao gồm ba thành phần riêng biệt:
t

Γ n = t Γ nd ∪ t Γ nf ∪ t Γ cn

n = 1, 2,3, 4

8

(1.2)


trong đó, Γ d chuyển vị; Γ f là tải trọng; Γ c vùng tiếp xúc tiềm năng; ∪ biểu thị phép
hợp.
• Phương trình tổng qt
o Phương trình chuyển động
Nếu khơng 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:
∂tσ ji (x)

+ t q gi (x) =
ρ t ai (x), x ∈ t Ω n .
t
∂ xj

(1.3)

với n = 1,2,3; i = 1 đến 3 và j = 1 đến 3
Trong đó, tσ 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; ρ là khối lượng riêng của vật thể n và được
t
n
giả thiết là hằng số trong miền Ω ; và ai ( x ) là thành phần véc-tơ gia tốc thứ i của

một chất điểm 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 ε trên miền t Ω 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 các một thành phần của tenxơ
ứng suất Piola-Kirchhoff thứ hai có liên quan tới thành phần tenxơ ứng suất Cauchy
σ ij ( x ) ; và ε kl là các 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 tηij :

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:
t
=
V3 ( x ) V0

On t Γ1d

(1.7)

o Điều kiện biên về lực

9


Trong suốt quá trình mặc, cơ thể người đứng yên. Vì vậy, chuyển vị của xương
bằng khơng 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
(1.8)
q b = t ρ N trên đường ranh giới t Γ 4f
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 = ρ n g trên miền t Ω 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 Γ cn ∪ t Γ cn +1; n = 1,2,3

(1.10)

trong đó, qc1 là thành phần lực của lực tiếp xúc của q c 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
(1.11)
qc1 ≤ 0 trên đường ranh giới t Γ cn ∪ t Γ cn +1 ; n = 1,2,3
t

n

t

n

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 tốn bằng phương pháp PTHH
Áp dụng phương pháp PTHH 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 qt dựa trên ngun lý cơng 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 mơ hình cơ thể người trước đây được giả
thiết là tuyệt đối cứng thành mơ hình cơ - sinh học để mơ phỏng q trình tương tác cơ
học động trong q trình mặc quần áo.
• Phần mềm sử dụng trong mơ 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 tốn ABAQUS là một bộ phần mềm dùng để mơ phỏng cơng

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 mơ phỏng phi tuyến phức tạp.
ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mơ phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời kho
mơ hình vật liệu có thể mơ 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, chuyển vị), vẫn

10


có khả năng mơ phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt,
phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học mơi trường điện áp.
1.1.2.4 Xây dựng mơ hình 3D cơ thể người và quần áo
Có hai loại mơ hình được sử dụng nhiều trong nghiên cứu tính tốn áp lực quần
áo lên cơ thể người đó là mơ hình vật lý tương tự và mơ hình số. Mơ 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 mơ hình tương đương giống với q trình xảy ra trong đối tượng thực;
Mơ hình số (mơ hình mơ phỏng) được xây dựng theo phương pháp số tức là bằng các
chương trình chạy trên máy tính. 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 mơ phỏng q trình hoạt
động của đối tượng thực [8].
a. Mơ 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 thơng 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 mơ 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 mơ hình hóa gồm 2 lớp có tính chất hồn tồn khác nhau: lớp da trong và lớp
da ngoài. Lớp da trong dày 1mm, mô phỏng hệ thần kinh dưới da, lớp ngồi 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 mơ hình mơ 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 mơ hình sử dụng ống nhựa
PVC (4) có chu vi 462 mm, chiều dài 350 mm mơ phỏng khung xương, bên ngồi bọc
lớp mút (3) có bề dày 5mm mơ phỏng lớp mơ mềm cơ thể. Băng vải có chiều rộng 100
mm, có chu vi nhỏ hơn chu vi mơ hình và được lồng vào mơ hình. Tùy theo chu vi của
băng vải khi lồng vào mơ hình sẽ bị kéo giãn ở các mức độ khác nhau, chúng sẽ nén lên
bề mặt mơ hình những áp lực khác nhau. Áp lực này xác định được nhờ 4 cảm biến gắn
ở 4 góc mơ hình.

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

11


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

Mơ hình phần đùi được làm từ 2 lớp vật liệu: lớp bên trong bằng vật liệu cứng đại diện
cho phần xương, lớp bên ngồi 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 ngồi có độ dày 30 mm như
trong hình 1.3. Bán kính vịng đùi trên 91,1 mm, bán kính vịng đùi dưới 71,4 mm, chiều
dài mơ hình là 180 mm
Để mơ hình hóa phần đùi đều cần có 3 lớp vật liệu: lớp xương làm bằng vật liệu
cứng (trong các mơ 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 mơ phỏng phần da người.

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

b. Mơ hình mơ phỏng cơ thể người
Thơng thường, có hai loại mơ hình cơ thể được sử dụng trong nhiều nghiên cứu
thiết kế kỹ thuật y sinh [11]. Đó là mơ hình xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người,
thường gọi là mơ hình vỏ, mơ tả cấu trúc bề mặt cơ thể con người; Mơ hình thứ hai là
mơ hình cấu trúc được xây dựng từ ảnh chụp cắt lớp CT (mơ hình đặc) chứa các thơng
tin về các lớp bên trong cơ thể như xương, gân và các lớp mơ mềm.
Xây dựng mơ 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. Mơ 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
mơ hình mơ phỏng hình dạng, cấu trúc kích thước cơ thể trẻ em trên địa bàn thành phố
Hà Nội như trong hình 1.5. Mơ hình xây dựng được sử dụng để chế tạo ma-nơ-canh thiết
kế và làm mơ 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 mơ hình tốn 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 mơ phỏng tính tốn áp lực lên bề mặt mơ hình,
ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề mặt cứng khơng 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 khơng
được tính đến.

Xương
Mơ 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 mơ
hình cấu trúc cơ thể từ dữ liệu ảnh chụp. Cấu trúc được chia làm hai phần chính là xương

13


và mơ 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 mơ
hình khối cấu trúc cơ thể nhờ ứng dụng phần mềm SolidWorks như trong hình 1.6. Các
mơ hình khối sau đó được sử dụng làm dữ liệu phục vụ cho việc mơ 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. Mơ 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 mơ 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 mơ sâu
Lớp mơ bề mặt

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

c. Mơ 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. Mơ hình quần áo trong mơ 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 u cầu và mục đích sử dụng. Mơ 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 mơ 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 cơng cụ tạo hình của phần mềm chun dụng để thiết kế trên mơ hình khung lưới bề

14


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 mơ 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 lị xo để thu được mẫu thiết kế 2D từ bề mặt lưới mơ hình 3D như trong hình
1.8.
Trong nghiên cứu [1] nhóm tác giả đã xây dựng mơ hình tính tốn 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. Mơ phỏng quá trình mặc quần áo [1]

Tác giả Rong Liu và các cộng sự [15] đã xây dựng mơ hình 3D tất nén phân đoạn
để mô phỏng áp lực của vải lên cơ thể, mơ hình được chia làm bốn phần (phần đùi, gối,
bắp và mắt cá chân như trong hình 1.10. Dựa trên chu vi các vịng 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 mơ hình 3D tất nén trong ABAQUS
(a) Kích thước mẫu; (b) Phân đoạn tất nén [15]

15

1.1.3.5 Mơ hình ứng xử cơ học của cơ thể người và quần áo
Mơ 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. 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 mơ mềm [11]
Nhóm nghiên cứu

Bộ phận cơ thể

Jacob and Patil
1999

Xương bàn chân

- Mô đun Young's: E = 7300 MPa
- Tỉ số Poisson: 0,3

Mô mềm bàn
chân
Rong liu

Các thông số đo và giá trị đàn hồi của da

Mô mềm đùi và
bắp chân

- 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 mơ 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 sau
cánh tay
0,43 ±
0,10

Mặt trước
chân
0,40 ±
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. Khơng 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 tốn ABAQUS mơ 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 ngun liệu sử dụng trong mơ 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 thơng số mơ hình
vật liệu được sử dụng trong tính tốn 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)

Mơ đun
Young's

Mơ đun
Young's

Mơ 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

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 mơ hình hình học tất giống như
mơ hình bề mặt bàn chân đã được mơ hình hóa. Các loại vải dệt kim có đặc tính cơ học

17

khác nhau theo hướng canh sợi, vải sử dụng trong nghiên cứu được giả thiết dị hướng
và đàn hồi tuyến tính. Các thơng số cơ bản cần thiết trong tính tốn mơ 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 tốn ABAQUS để mơ phỏng áp lực của áo nịt ngực lên bề mặt cơ thể
người mặc. Nghiên cứu này sử dụng mơ 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 mơ 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 cơng
sự đã xây dựng mơ hình tốn học mơ 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 mơ phỏng tính
tốn áp lực lên bề mặt mơ hình, ma-nơ-canh ảo này được giả định có bề mặt cứng khơng
biến dạng trong q trình mặc, do vậy các tương tác cơ học giữa vải và các lớp mô mềm
cấu trúc bên trong cơ thể khơng 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 dị hướng trực
giao, cơ thể người là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng và đàn hồi tuyến tính. Hai loại vải

được mơ phỏng thơng qua các thơng số như mô đun đàn hồi E (Young's modulus), hệ
số Pốt xơng v, khối lượng riêng tấn/mm3; tác giả đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ
phỏng tính tốn áp lực quần áo lên cơ thể với các độ giãn khác nhau như hình 1.11.

Hình 1.11. Tính tốn 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 tốn 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:
mơ hình tương tác chéo kết hợp với điều kiện vật liệu là siêu đàn hồi đẳng hướng và
phương pháp mơ hình vật liệu được coi là siêu đàn hồi dị hướng. Mơ 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 đốn đặc tính biến dạng của mẫu vải thí
nghiệm và tính tốn 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 mơ phỏng tính tốn 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 tốn ABAQUS mơ phỏng tính tốn 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 mơ hình
cho phép dự đốn 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 cơng trình nghiên cứu trước đây.
Mặt trước

Mặt trước

Mặt
trong

Mặt
ngồi

Mặt
ngồi

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

Mặt trước

Mặt trước

Mặt
ngồi

Mặt
trong

Mặt
ngồi

Mặt
trong
Mặt sau

Mặt sau

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

Hình 1.17. Mơ phỏng sự phân bổ áp lực
trên 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 mơ 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. Mơ hình sử
dụng trong mơ phỏng tính tốn được xây dựng từ dữ liệu quét 3D cơ thể người gồm 3
thành phần chính là da, xương và mơ mềm. Da và mơ 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 vịng cổ chân như trong hình 1.19.

20


Áp lực (KPa)

Chuyển vi (mm)

Ngồi ra, nghiên cứu cịn xây dựng được mối quan hệ giữa áp lực và tính chất vật liệu
phần trên cùng của tất với các thông số như mơ đun đàn hồi, hệ số Pốt xơng (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 mơ phỏng quần áo trên mơ hình ma-nơ-canh
ảo theo thơng số kích thước cơ thể người mẫu thật. Phần mềm cho phép nhập các thuộc
tính cơ học của vải, mơ 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, khơng 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 tốn 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 cơng thức Laplace như sau:
(1.12)

Trong đó: P áp lực của vải lên bề mặt mơ hình (đơn vi tính hPa)
T lực kéo giãn của vải (đơn vi tính cN)
r bán kính mơ hình (đơn vi tính cm)
Trong nghiên cứu [27] tác giả và các cộng sự đã sử dụng định luật Laplace để
tính tốn áp lực quần áo lên cơ thể người. Việc tính tốn 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 mơ 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 cơng thức sau:

P=

2𝜋𝜋𝜋𝜋

(1.13)

𝐺𝐺1 𝑆𝑆

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

Trong đó: F là lực tiếp tuyến hay lực kéo giãn, đơn vị cN. F = a.ε 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 mơ hình khối trụ hồn tồn có thể tính
được. Việc tính tốn áp lực bằng lý thuyết nhằm so sánh với phép đo áp lực bằng thực
nghiệm và đưa ra phương án thiết kế sản phẩm đạt được áp lực mong muốn. Tuy vậy

22

phương pháp tính tốn bằng lý thuyết vẫn cịn nhiều hạn chế, cần nhiều điều kiện giả
thiết phi thực tế để tính tốn, 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 cơng thức
tính tốn áp lực trên mơ hình khối trịn xoay như trong hình 1.23.

Hình 1.23. Mơ hình tính tốn tổng qt 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.
𝑃𝑃
𝑡𝑡

=

𝜎𝜎𝜙𝜙

𝜎𝜎𝜃𝜃

(1.14)

r0
r −r
t
− 1). = E.t. 0
r
r0
r.r0

(1.15)

(r0 − r )
r.r0

(1.16)

𝑟𝑟1

+

𝑟𝑟2

Trong đó: P là áp lực của quần áo lên mơ hình; t là độ dày của vải; 𝜎𝜎𝜙𝜙 là ứng suất
theo phương dọc; 𝜎𝜎𝜃𝜃 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 cơng thức tính:
p = E.(

p = E.t.cos α .

Trong đó: Mơ đun đàn hồi E; Độ dày của vải t; Góc nghiêng α ; 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 cơng thức trên việc tính tốn lý thuyết có thể thực hiện được trên mơ
hình có bề mặt cứng tuyệt đối, không bị biến dạng dưới tác động áp lực của p.

23