乳房位移机理建模及其对运动文胸结构设计的影响研究

In current field of breast displacement and sports bra, experimental study was performed by measuring biomechanical data. However, the mechanism of breast displacement was scare, which generated obstacle concerning improvement of sports bra structure. For improving the influence of sports bra on the breast displacement, this project aims to investigate the mechanisms of breast displacement through viscoelastic dynamic model combined with fluid mechanics, and to further reveal the quantitative relationship between the sports bra structure and breast displacement. We have engaged in fundamental research on breast displacement and sports bra for a long time. And many breast displacement data in different support conditions have been flooded in our database but without any mechanisms involving breast displacement. The bead-chain model with Maxwell equation is employed in the project. For revealing the rule of breast displacement, the stress state of breast movement will be analyzed. The breast movement will be simulated before and after wearing sports bra, to clarify the improvement mechanism of sports bra. The sports bra structure parameters including the size and fabric structure parameters of cup, strap and under band related to breast displacement will be quantitatively studied in this project. Our study will provide the theoretical and experimental fundament for sports bra design.

目前乳房位移与运动文胸领域主要通过实验研究得到乳房的运动生物力学数据，缺乏理论研究，难以阐释乳房位移机理，极大地限制了该领域对运动文胸结构优化设计的深入指导。本项目拟通过粘弹动力学模型结合流体力学研究穿着运动文胸前后的乳房位移机理，揭示运动文胸结构与乳房位移的定量关系，从而提高运动文胸对乳房位移的改善功能。申请者长期从事乳房位移与运动文胸的基础研究，积累了不同状态下的乳房位移数据，但仍未深入探讨运动时乳房的位移机理。本项目中，申请者将利用基于Maxwell珠链模型的动态模拟方法进一步展开乳房位移机理的研究，考察裸胸状态下乳房的受力状态，揭示乳房位移的动态规律；模拟穿着运动文胸后乳房的位移过程，明晰运动文胸对乳房位移的改善机制；进一步揭示运动文胸结构参数对乳房位移的影响，由此确定运动文胸罩杯、肩带及下围的尺寸及织物结构与乳房位移的定量关系，为运动文胸的设计奠定理论与实验基础。

运动文胸对乳房位移的控制机理及运动文胸参数与乳房位移的定量关系尚不明确。首先，研究了裸胸状态下的乳房位移，将乳房软组织看作粘弹材料，采用由串联的胡克弹簧与牛顿粘壶组成的Maxwell模型描述乳房中的任意微元。其次，分析了乳房硬度与乳房位移的关系，揭示了影响乳房位移的本质。最后，明确了运动文胸面料参数与结构参数对乳房运动的影响。得出如下结论：（1）基于拉格朗日方法，建立了一个预测运动过程中女性乳房振动的理论模型，可以模拟乳房上的任何位置。整个乳房的位移由拉力、粘弹力和重力的联合作用形成。乳房被拉力拉起，被重力拉下，粘弹力则起着抵抗乳房变形的作用。预测结果与实测结果基本一致。该理论模型也可用于预测人体其他部位软组织的运动。（2）BP点向下5 cm处的乳房硬度与裸胸状态下的乳房位移显著相关（相关系数r > 0.97，p < 0.05），即BP点向下5 cm处的乳房硬度越大，裸胸状态下的乳房位移越小。（3）承托式运动文胸面料弹性模量与乳房位移呈显著负相关（相关系数r = -0.886，p = 0.019 < 0.05），即面料弹性模量越大，乳房竖直位移越小。面料弹性模量与乳房竖直位移的预测模型为ln（y）= -0.248*lnx+ln（64.289），r2 = 0.891。（4）文胸钢圈对乳房竖直位移有显著性影响，穿着有钢圈文胸时的乳房竖直位移、主观乳房位移及位移引起的不舒适感明显小于穿着有钢圈文胸时的数据。（5）无绳跳绳时产生的乳房竖直相对位移小于跑步，且无绳跳绳与有绳跳绳的运动学参数不同。（6）研发了一款运动假人，分为仿真模型和动力系统两部分。仿真模型由内部支撑、外部包覆材料及仿真乳房组成，乳房用特殊配比的硅胶灌注；动力系统由运动平台、电机和凸轮组成，根据躯干竖直方向运动轨迹参数方程设计凸轮轮廓。运动假人可以避免测试过程中因真人个体差异造成的影响，有助于形成文胸防震功能客观测试标准。