基于有限元分析的多材质文胸钢圈设计方法研究

摘要

女性胸部没有骨骼支撑，因此自然状态下的胸部可能产生下垂和变形，给女性造成尴尬与不便。穿着合体的文胸能很好地改善此现象，其中，具有合适形态的钢圈能对乳房起到重要的承托、保护和塑形作用，钢圈在文胸着装后会发生变形，理想状态下，钢圈变形后的形态应与人体乳房下缘轮廓线相吻合。然而现有的钢圈在形态结构设计上，主要依赖设计师经验估算，缺乏人体数据的支持和验证；在钢圈材质设计上，尽管开发出一批新材质钢圈，但是由于钢圈材质与结构形态不匹配，致使钢圈在着装后不合体，没有达到新材质钢圈设计和开发的目的。因此，研究针对不同材质钢圈的形态结构设计具有理论意义和现实价值。
　　本课题基于有限元理论对钢圈的受力变形过程进行数值模拟，利用有限元仿真得到钢圈在三维方向的受力，对适体钢圈变形后的三维位移进行反向求解，进而预测并构建适体钢圈的三维结构形态，形成了一种可量化的文胸钢圈设计方法；在该方法的基础上，构建针对不同材质的钢圈结构形态，从而丰富细化了文胸钢圈的设计与开发；最后，根据批量化生产的要求，构建了钢圈三维位移预测模型，简化了钢圈设计过程，节约因钢圈反复试体产生的人工成本。具体研究内容如下：
　　(1)文胸构成及文胸钢圈受力分析
　　在人体静态直立的状态下，对钢圈进行受力分析，建立了钢圈在水平方向和竖直方向受力的平衡方程，并通过验证性实验分析了文胸肩带、后比面料、后比拉力和钢圈材质等因素对钢圈受力变形的影响。
　　(2)基于逆向工程技术的钢圈三维模型构建
　　采用高精度扫描仪获取基本款钢圈的三维点云数据，利用逆向工程技术，提取并建立了基本款钢圈的三维模型，有效地表征了钢圈的特征形态，同时根据人体乳房下缘轮廓线的形态，建立了着装变形后的适体钢圈三维模型。
　　(3)基于有限元分析的文胸钢圈设计方法
　　将有限元理论引入钢圈设计中，从分割离散的思想出发，提出了一种基于ANSYS有限元分析的可量化的钢圈设计方法，获得了钢圈着装时的受力变形规律，在此基础上以人体乳房下缘轮廓线为基准构建了适体钢圈的几何模型；将有限元分析与计算机辅助设计技术相结合，为钢圈的结构设计及形态优化提供理论基础和科学合理的方法，实现了文胸钢圈的个性化定制。
　　(4)基于有限元法的多材质文胸钢圈的设计与验证
　　在上述方法的基础上，根据不同钢圈材质的力学特性，以钢圈材料的弹性模量和泊松比作为钢圈材质的主要表征参数，对钢圈的材质和结构形态进行配伍设计，最后利用3D打印技术实现钢圈结构的快速成型，并对设计的聚丙烯基本款钢圈的合体性和舒适性进行了实验验证。
　　(5)基本款钢圈三维位移预测模型研究
　　从文胸后比拉力对钢圈变形的影响入手，对文胸后比面料的拉伸性能进行测试和分析，建立了文胸后比在后比拉力作用下的拉伸形变量数学模型；通过基本款钢圈拉伸变形实验获得钢圈的变形规律，建立了基本款钢圈在后比拉力作用下钢圈关键点位移形变量的预测模型，进而能以人体形态、文胸后比尺寸和后比拉伸性能对钢圈三维形态进行预测，简化了基于有限元法设计钢圈时真人试体的过程，有助于提高生产效率，使基于有限元法的文胸钢圈设计和批量化生产成为可能。