多尺度下三维人体服装热湿传递仿真模型

The research objective of human-clothing heat and moisture transfer simulation is to develop a heat and moisture transfer and thermal regulation model in clothing and human body. The three-dimensional heat and moisture model can be used to describe the realistic properties of the human-garment system better. It has become hot and difficult problems in the world. However, there are some important research problems to solve during the model computation and simulation process, such as the model completeness, the simulation calculation and parameter setting. In order to solve the problems in the 3D human and clothing thermal simulation, a complex construction method of the 3D human model is presented that can be used to meet the needs of individual 3D human body model in the heat and moisture transfer simulation process, this method is concise and efficient. At the same time, based on the geometric balance, a heat and moisture transfer simulation model is reported. The physical properties, stress state, heat and moisture state and various external load constraint conditions of the garments will be coupled to the heat and moisture transfer balance equations. A time domain finite difference method is used to approximate numerical solution of the established equation of heat transfer model, it can obtain the better computational efficiency. Research of this study is important in the theory and has great value in the applications.

人体服装热湿仿真研究的目标是建立包括纺织品内部的热量和质量的物理传输模型以及人体在着装下的热湿生理调节模型，并利用计算机进行仿真计算。三维织物热湿仿真模型能更好的表示出三维人体-服装的真实感仿真性能，因此，成为国内外研究的热点和重点。然而，在三维织物热湿传输模型建立和仿真过程中，模型的完善、仿真计算以及参数设定等方面，都有很多问题尚待解决。本项目针对三维人体-服装热湿仿真研究中三维人体模型构造复杂和不适合多元化个体特点的问题进行研究，提出了简洁高效的三维人体构造方法；同时，提出了基于几何平衡的人体-服装热湿仿真模型，将服装的物理特性、受力状态、热湿状态和各种外载荷约束条件耦合到服装整体受力平衡和热湿传递平衡模型方程中，在数值求解过程中利用时间域上的有限差分方法来逼近所建立的热湿传递模型方程的数值解，得到更好的计算效率。该研究具有理论研究意义和实际应用价值。

随着科技的发展与人们对服装穿着舒适及功能性的不断追求，对于解释和理.解着装人体在热环境下生理现状的应用需求变得十分迫切，而与之密切相关的三维人体服装热湿传输仿真受到了国内外众多科研人员的关注。三维人体服装热湿传输仿真是利用计算机仿真技术对人体-服装-环境这三个因素的热湿动态交互构成的多耦合系统进行仿真计算，其中，服装的多种热湿传输现象、人体生理结构及热湿调节机理的多耦合特性等使得三维服装热湿的研究极为复杂，不仅需要扎实的数据建模、计算机仿真基础，还需要融合了纺织材料学、物理学、医学及运动生理学等领域的相关知识。三维服装热湿传输模型能够有效、真实的反应出人体-服装-环境下的综合特性（服装热湿舒适特性，人体热生理特性等），并广泛应用于体育健身、智能穿戴、医疗护理以及功能服装辅助设计等领域。近年来，由于三维服装热湿模型建模真实性、准确性等多方面要求的提出，如何构建服装热湿热湿模型以满足特定人体-服装-环境下的应用需求，以及有效地处理和利用热湿仿真模型数据进行人体-服装-环境下的综合特性分析成为当前的迫切任务。.本项目针对当前三维服装热湿传输仿真中的相关问题进行研究，主要工作包括：第一，重点分析了非均匀分布的三维人体几何结构与人体热生理调节机制对人体热湿性能的影响，建立了Grassmann空间下的人体热湿传输模型；第二，分析了服装热湿传输机制，尤其是服装热辐射传输机制，建立了集成的三维服装热湿传输模型，并将建立的三维服装热湿传输模型与人体热湿传输模型相结合，构成完整的着装人体热湿传输模型；第三，通过对日常运动中着装人体在服装-人体-环境下的综合属性的分析，提出了人体热生理舒适度评估方法以及热湿生理量化方法，实现了着装人体热湿体征变量的定量和定性分析，满足人们对于不同环境和活动级别下的热湿生理的理解和预测；最后，将理论模型应用于具体问题中，构建了基于三维服装热湿传输模型的应用平台，对个性化人体热环境下的综合指标进行了分析处理和预测。