基于有限元法的橡膠文胸鋼圈結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于文胸設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于有限元法的橡膠文胸鋼圈結(jié)構(gòu)設(shè) 計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于女性胸部沒有骨骼支撐，因此自然狀態(tài)下的胸部可能產(chǎn)生下垂、晃動等現(xiàn)象， 給女性造成尷尬和不便。穿著合體的文胸可以很好地改善此現(xiàn)象，在這一過程中，具有合適 形態(tài)的鋼圈對乳房起到重要的保護、承托和塑形作用。
[0003] 鋼圈在文胸穿著后會發(fā)生變形，最為直觀的變化是鋼圈開口方向的增加。為了保 證鋼圈的合體性與舒適性，達到鋼圈的使用目的，就需要保證鋼圈在變形以后的形態(tài)與人 體乳房下緣輪廓線相吻合。
[0004] -般的鋼圈材質(zhì)為不銹鋼材料，但是由于這種材質(zhì)加工成的鋼圈材質(zhì)硬、剛度大， 鋼圈尖銳的兩端可能會刺痛乳房，對人體造成傷害?；谶@種現(xiàn)象，橡膠材質(zhì)的鋼圈應運而 生，用橡膠材料制作的鋼圈材質(zhì)柔軟堅韌，變形能力好，不會對人體造成傷害，并且在穿著 后仍可保持對乳房的支撐能力。
[0005] 盡管橡膠鋼圈具有以上優(yōu)勢，但是橡膠材料和不銹鋼材料的物理性能差異明顯， 即使是同一形態(tài)的鋼圈由于材質(zhì)的改變，其變形后的形態(tài)也大相徑庭；同時，現(xiàn)有的鋼圈結(jié) 構(gòu)一般為二維平面，在鋼圈變形量的計算上缺乏人體數(shù)據(jù)指導，通常由設(shè)計師經(jīng)驗估算，缺 乏理論依據(jù)。因此如果橡膠鋼圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計依然沿用現(xiàn)有鋼圈的設(shè)計方法，則鋼圈在穿著 后很難與三維的人體乳房下緣輪廓線相吻合，造成文胸塑形功能的減弱，這也是橡膠鋼圈 在推廣應用的一個重要瓶頸。
[0006] 有限元分析是利用數(shù)學近似的方法對真實的物理系統(tǒng)進行模擬和分析，在工程力 學問題中應用普遍，目前少有應用有限元方法輔助鋼圈結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究。對于鋼圈結(jié)構(gòu)來 說，由于鋼圈形態(tài)為非線性曲線，用普通方式求解鋼圈受力后的位移困難，而有限元方法可 以快速解決非線性幾何體的復雜施加條件，同時，有限元方法可以賦予鋼圈對象的物理屬 性，能夠較為真實的模擬橡膠材質(zhì)鋼圈的受力變形，因此有限元分析方法在解決橡膠材質(zhì) 的鋼圈結(jié)構(gòu)設(shè)計上是非常適用的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是:針對橡膠鋼圈在結(jié)構(gòu)設(shè)計上無法沿用過去經(jīng)驗、缺乏人體數(shù)據(jù) 指導以及橡膠鋼圈變形量難以估算的問題，提供一種基于有限元方法的橡膠鋼圈結(jié)構(gòu)設(shè)計 方法，使橡膠鋼圈在穿著后能夠符合人體乳房下緣輪廓線，進而提高文胸鋼圈著裝合體性 和舒適性。
[0008] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種在基礎(chǔ)橡膠鋼圈形態(tài)的基礎(chǔ) 上，結(jié)合人體胸部特點進行橡膠鋼圈設(shè)計的方法，包括以下步驟： 第一步、基礎(chǔ)橡膠鋼圈形態(tài)的獲取： 利用三維掃描設(shè)備獲取基礎(chǔ)橡膠鋼圈形態(tài)，在三維軟件中建立基礎(chǔ)橡膠鋼圈實體模 型;具體是： 步驟1、根據(jù)鋼圈形態(tài)劃分鋼圈關(guān)鍵點，將三維掃描得到的鋼圈的點云數(shù)據(jù)，導入逆向 工程軟件中，并測量鋼圈關(guān)鍵點的三維坐標。
[0009] 步驟2、將鋼圈關(guān)鍵點的三維坐標轉(zhuǎn)換為點群文件，導入到三維軟件中，設(shè)計鋼圈 寬度、厚度參數(shù)，建立基礎(chǔ)橡膠鋼圈三維實體模型。
[0010] 第二步、基礎(chǔ)橡膠鋼圈試體： 對基礎(chǔ)橡膠鋼圈進行真人試體，找到人體在文胸后比和肩帶拉伸感覺舒適時鋼圈所在 位置，利用三維掃描設(shè)備獲取鋼圈變形后的形態(tài)，標記此時鋼圈關(guān)鍵點位置，計算基礎(chǔ)橡膠 鋼圈變形前后關(guān)鍵點的三維位移。
[0011] 第三步、基于有限元法的基礎(chǔ)橡膠鋼圈變形仿真分析： 為了模擬鋼圈真實的受力變形過程，對基礎(chǔ)橡膠鋼圈模型進行有限元分析，通過對鋼 圈模型施加第二步得到的關(guān)鍵點的三維位移載荷，求得基礎(chǔ)橡膠鋼圈在X、Y、Z方向受到的 三維外力，并以此三維外力作為適體橡膠鋼圈在文胸穿著時的受力，為進一步求得理想的 橡膠鋼圈形態(tài)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ);具體是： 步驟1、基于有限元法的基礎(chǔ)橡膠鋼圈模型前處理： 步驟1.1、基礎(chǔ)橡膠鋼圈未受力的有限元模型的建立:將第一步中建立的基礎(chǔ)橡膠鋼圈 三維實體模型導入有限元軟件中，并構(gòu)建有限元模型。
[0012] 步驟1.2、設(shè)置鋼圈材料屬性:設(shè)置橡膠鋼圈的物理材料參數(shù)，主要的參數(shù)包括:彈 性模量Ex、泊松比Prxy和密度Density。
[0013] 步驟1.3、選擇基礎(chǔ)橡膠鋼圈結(jié)構(gòu)單元類型：為了更好的模擬鋼圈三維形態(tài)，選擇 適合構(gòu)造鋼圈實體結(jié)構(gòu)的八節(jié)點六面體單元。
[0014] 步驟1.4、劃分基礎(chǔ)橡膠鋼圈結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，形成鋼圈有限元模型。
[0015] 步驟2、施加基礎(chǔ)橡膠鋼圈關(guān)鍵點三維位移約束:將第二步中得到的基礎(chǔ)橡膠鋼圈 關(guān)鍵點的三維位移作為鋼圈的約束條件，施加在鋼圈的對應關(guān)鍵點上。
[0016] 步驟3、求解基礎(chǔ)橡膠鋼圈關(guān)鍵點三維外力:在有限元軟件中求解得到基礎(chǔ)橡膠鋼 圈三維外力。
[0017] 第四步、基于人體曲線的橡膠鋼圈變形后三維形態(tài)的獲?。?利用三維掃描設(shè)備對真實的人體進行掃描，提取人體乳房下緣輪廓線，并以此作為理 想的橡膠鋼圈著裝變形后的形態(tài)，建立橡膠鋼圈變形后的三維實體模型。
[0018] 第五步、基于有限元法的橡膠鋼圈變形仿真分析： 通過第三步得到的鋼圈三維外力，對第四步建立的橡膠鋼圈變形后的三維實體模型進 行有限元處理，施加橡膠鋼圈三維外力的負載荷，使鋼圈受到反方向外力而回到未受力狀 態(tài)，進而在有限元軟件中求得橡膠鋼圈各個關(guān)鍵點變形前后的三維位移。
[0019] 第六步、未受力的橡膠鋼圈形態(tài)的構(gòu)建： 根據(jù)第四步得到的橡膠鋼圈變形后的三維實體模型和第五步得到的橡膠鋼圈各個關(guān) 鍵點變形前后的三維位移，計算橡膠鋼圈未受力時關(guān)鍵點的三維坐標，進而在三維軟件中 建立理想的橡膠鋼圈未受力的三維實體模型，這種模型經(jīng)過制造加工便可形成文胸鋼圈實 物。
[0020] 本發(fā)明的有益效果 1、本發(fā)明區(qū)別于其他金屬鋼圈，立足橡膠的物理屬性，提供了一種具有數(shù)學和物理依 據(jù)的鋼圈結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，豐富和細化了現(xiàn)有鋼圈的設(shè)計。
[0021] 2、本發(fā)明從人體形態(tài)出發(fā)，將人體乳房下緣輪廓線作為文胸穿著鋼圈受力變形后 的形態(tài)，確保了文胸穿著時，鋼圈部位的合體舒適。
[0022] 3、本發(fā)明利用有限元方法對鋼圈的受力變形過程進行仿真模擬，使鋼圈的結(jié)構(gòu)設(shè) 計更加理性和可靠。
【附圖說明】
[0023]圖1為鋼圈受力分析不意圖； 圖2鋼圈八節(jié)點六面體單元示意圖； 圖3為本發(fā)明提供的一種基于人體形態(tài)的三維適體的橡膠鋼圈的設(shè)計方法流程圖； 圖4為鋼圈尺寸名稱示意圖； 圖5為鋼圈關(guān)鍵點的劃分示意圖； 圖6為鋼圈有限元模型網(wǎng)格劃分情況示意圖； 圖7為人體乳房下緣輪廓線示意圖； 圖8為鋼圈在文胸穿著后的變形趨勢的三視圖。
【具體實施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]本發(fā)明方法包括以下步驟： 第一步、基礎(chǔ)橡膠鋼圈形態(tài)的獲?。?利用三維掃描設(shè)備獲取基礎(chǔ)橡膠鋼圈形態(tài)，在三維軟件中建立基礎(chǔ)橡膠鋼圈實體模 型； 優(yōu)選地，在所述第一步中，基礎(chǔ)橡膠鋼圈形態(tài)的獲取的步驟為： 步驟1、根據(jù)鋼圈形態(tài)劃分鋼圈關(guān)鍵點，將三維掃描得到的鋼圈的點云數(shù)據(jù)導入逆向工 程軟件中，并測量鋼圈關(guān)鍵點的三維坐標。
[0026]步驟2、將鋼圈關(guān)鍵點的三維坐標轉(zhuǎn)換為點群文件，導入到三維軟件中，設(shè)計鋼圈 寬度、厚度參數(shù)，建立基礎(chǔ)橡膠鋼圈三維實體模型。
[0027]第二步、基礎(chǔ)橡膠鋼圈試體： 圖1為鋼圈的受力分析示意圖，（其中F1為肩帶拉力、F2為后比拉力、Gg為鋼圈的重力、 FN為乳房對鋼圈在豎直方向的壓力、F3為乳房對鋼圈在水平方向的壓力、N為文胸包條對鋼 圈的壓力）