点击右上方关注，解锁每天好文章

文 | 月臣说

编辑 | 月臣说

«——【·介绍·】——»

服装改变了身体与外部环境之间的热量和湿气流失，从而在保持热平衡方面起着至关重要的作用，如果制作得当，服装可以作为主体与寒冷气候之间的缓冲材料，提供良好的保护，寒冷保护服的设计应该使人在严寒和风雪中感到舒适。

服装设计旨在不妨碍四肢的运动，避免在活动中增加过多的重量和摩擦，另一方面，干燥的、不可运动的空气被困在服装下面，提供足够的热隔离，外衣应该采用一种特殊的方式制作，既避免过多的体热传递到环境中，又不会引起热应激。

«——【·寒冷保护夹克的关键材料属性·】——»

在设计寒冷保护夹克时，首先应该重点关注几个材料属性，如热隔离性、防水蒸气性能、对外部湿气的保护以及透气性，由于纺织材料通过在相邻材料层之间的空气中，抵抗传导热传递和辐射热传递，提供了对热流的阻抗。

所以材料选择是设计外衣服装以获得更好热保护的第一步，材料层之间形成的空气层，对传导和辐射的热流提供了屏障，穿着的人体复杂几何形状，使得在特定环境条件下研究材料层、衣物层、衣物类型、模型变体，或形成的空气层对整体绝热性的影响成为一个挑战。

除了宽松或紧身的衣服适合程度外，如夹克等单个外衣服装的长度，也可以通过缓冲热量释放到周围环境中，来显著影响总体舒适水平，讨论热舒适性时，应同时考虑个体的个人变量以及环境变量。

热舒适性被定义为对热环境满意的心理状态，它主要取决于热量和湿气在织物中的有利传递，自20世纪40年代以来，防水防护服装的生产发生了巨大变化，对穿着舒适性和热舒适性的要求越来越高，同时也观察到材料需求的增加。

材料要求轻巧、柔软，能够在保护不同气候环境下提供高性能，具有更好的透气性和相变能力，同时提供保暖效果而不增加体积，并以较低的成本提供更好的性能，当制作用于覆盖和保护上半身免受特定气候条件影响的外部服装时，必须考虑应用的特殊性，对材料的要求，人体工效学特定性以及设计。

寒冷保护服装中的一个重要要求是能够保持外部服装下的体内微气候干燥，为了实现这一目标，应选择合适的材料组合，以实现水蒸气分子的扩散和液态汗液蒸发到微气候之外，选择不当的材料会导致湿气逐渐穿透服装层，逐渐积聚，直到热绝缘性能明显下降。

人们在刮风下雨的天气或寒冷时倾向于穿长雨衣，寒冷时则穿长大衣，那么改变长度对保暖值的影响有多大呢？服装的热保温性能与合身度、服装长度，以及服装覆盖的身体表面积有关，层叠服装的热保温受到空气层的大小和分布的影响。

表面构型和层次排列影响单一服装单品，以及整体服装的热保温性能，结果是，整个服装的厚度、构型和长度增加，同时增加了可用于热交换的服装表面积，封闭空气层的体积，往往与整体合身度和长度的变化平行变化。

整体热阻包括边界空气层和服装，在静止的空气中最大化，外套和额外的空气空间，似乎主导着服装组合体的整体热性能，但是以往的研究没有量化外套长度，对整体保温效果的影响，由于服装内部的空气提供了超过60％的固有保温值。

因此通过结合3D身体扫描和逆向工程，来计算穿着着装人体复杂几何形状的方法，观察到了服装长度，对整体服装面积和体积增加的影响，将热保温值与着装人体几何形状的变化进行比较，以了解长度对整体热保温值的影响。

在最近的十年中，3D身体扫描提供了一种替代被广泛使用的体重指数的方法，通过非侵入性地识别身体体积指数，这是一种更复杂的用于健康风险评估的指标，3D扫描仪生成人体模型的多边形近似，因此可以在计算人体复杂几何形状方面具有巨大优势。

表面几何形状的变化，以及面料的堆叠可能导致形成衣着组合时，在面料层之间封闭额外的空气，或者不利地导致内部面料和空气层被压缩，虽然在传统工程中相当普遍，但CAD的逆向工程尚未应用于人体建模。

由于人体的干热损失既包括服装提供的阻力，也包括封闭微气候空气的效应，因此3D扫描重建，是量化整体着装模型面积和体积增大的必要程序，这是由于材料层和这些材料层之间形成的空气层。

实验研究涵盖了3D扫描和扫描准备，红外热成像也用于测试产生的夹克基部，和可附着模块之间的连接点，在进行扫描恢复和创建3D人体模型之后，通过与185厘米身高、胸围100厘米的成年男性人体尺寸相符的热模拟人体。

测量了所选服装组合的热保温值，因此符合扫描人体对象的身体尺寸，热传递速率由材料选择和材料层之间的空气层形成决定，因此精确的体积和面积计算是隐含的。

«——【·材料和服装项目选择·】——»

为了研究衣物组合的整体保温性能与长度的关系，需要构建和生产不同长度的夹克变体，为了进行研究，使用CAD Lectra Systemes构建了由模块化可附加部件的男士夹克，夹克采用Parka模型，有四个变体，配备可附加的长度模块。

它被构建为宽松的夹克，以便研究长度对最终热性能的体积和面积增加的影响，这是重要的构造参数，为了生产具有足够保护性的夹克，以应对更严峻的气候条件，需要测试材料以确定单位面积质量、空气渗透性、水蒸气阻力和热阻力。

单位面积质量根据ISO 3801标准确定，空气渗透性根据ISO 9237标准确定，使用Kawabata KES-F7 Thermo Labo II装置根据ISO 11092标准确定了水蒸气阻力和热阻力，材料测试的主要目的是检测能够提供抵御气温在−5°C以上，和6°C以下寒冷天气的夹克。

所选材料的热阻应在0.0387至1,6129 Clo的范围内，使用PTFE层压和紧密编织的织物，因为它们比没有层压的织物，具有更高的蒸汽传输速率在设计保暖外衣时，构建宽松的衣物非常重要，以便在衣物下方囤积足够的静止空气。

研究表明，与紧身衣物相比，宽松的衣物的保温性能降低了6-31%，该组装式夹克的外层是三层复合的斜纹布，外层由100%涤纶制成，中层是保护用聚氟乙烯膜和聚氨酯颗粒，内层靠近身体的也是100%涤纶。

在夹克的内部部分，添加了由平纹织物100%涤纶制成的内衬，透气性PTFE膜结合作为中层，具有防风性能的同时保持水蒸气透过性，从而实现向环境中的蒸发冷却，该夹克是用于适应高约184厘米的成年男性的，胸围范围为98至102厘米，腰围范围为80至83厘米，臀围范围为99至102厘米。

在研究的后期，选择了人体男性主题，以便根据上述选择的身体尺寸进行三维扫描，这与用于热绝缘研究的热模型的准确测量相对应，每种夹克变体比前一种长20厘米，夹克是组合式的服装单品，由上部主模块和四个可附加模块构成，用于延长长度。

由于夹克在遇水时会大大降低其热绝缘性能，因为热传导更为显著，所以夹克采用透气防水三层复合材料制成，同时使用防水胶带密封所有接缝，微孔PTFE膜作为中层，允许汗水从衣物内部微气候排出，但对液态水来说太小，无法进入夹克内部。

为了进行研究，基本的全身装备包括内裤、内衬、袜子、牛仔裤和男士衬衫，所有底层服装均采用100%棉制成，并进行测试，服装组合BE0是不加夹克的对照组合，而其他组合仅在基本组合上增加了夹克。

«——【·3D扫描和逆向工程·】——»

为了完全重建穿着衣物的复杂身体几何形状，进行了准确的3D扫描和3D CAD反向工程，从而实现对选择全身服装组合的面积和体积精确计算，身高185厘米，胸围100厘米的人体主体与热模型的身体尺寸相符，采用固定的站立姿势进行扫描，着装着制作的夹克变体，以模仿热模型的测量。

使用3D激光人体扫描仪Vitus Smart XXL和3D CAD系统Geomagic Design X软件，进行了对夹克的面积和总体积等衣物几何参数详细分析，在研究中，CAD系统被反向使用，从设计好的夹克中，提供准确和详细的几何数据。

通过穿着衣物的扫描，利用激光扫描三角化方法，通过八个激光二极管发射的光条照射到扫描表面，并由连接到四个扫描头的CCD相机记录，可以获取被扫描对象表面的信息，通过比较处理后的人体模型，可以对衣物项与身体之间形成的体积进行量化。

当测量由于夹克长度增加而导致的面积增加时，也是同样的做法，3D扫描提供的网格模型作为输出，除了定义形状的三角形的位置外，没有任何对象信息，通过将3D扫描生成的网格导入CAD软件中，可以提取扫描的形状，从而创建一个可由CAD工具编辑的实体模型。

表面质量表示的多边形网格生成，是通过扫描后处理完成的，从而实现精确的体积和表面积计算，扫描后处理基本上是扫描重建，以获得逼真的3D模型，也被称为逆向工程或建模，通过使用剩余的多边形，可以通过3D CAD软件进行扫描重建，恢复复杂的几何形状。

由于目前无法自动重新建模，人体复杂的几何形状是分阶段恢复的，采用Geomagic Design X软件导入和对齐多个扫描的.obj格式文件，然后进行处理和重建，第一步是获得一个合并的单一融合网格，通过多个阶段的手动重建，来恢复衣物复杂几何形状的许多表面特征。

因为扫描的穿着人体具有复杂的几何形状，许多表面和网格特征是不完整的或缺失的，应该使用剩余的多边形进行重建，一旦3D模型完成，就可以导出或保存供进一步使用，在案例中，需要获得精确的体积和面积计算。

«——【·结果·】——»

所选服装组合的热绝缘值，以有效绝缘和总绝缘绝缘表示，没有在基本服装衣物上，添加任何夹克的组合BE0被作为对照组合，组合BE1到BE4是通过在基本服装上，组合添加所选变种作为外套来形成的，这些基本服装是按照前面描述的常规穿着方式组合在一起的。

第一层服装由内裤、内衬和袜子组成，第二层服装由牛仔裤和经典男士衬衫组成，产生的夹克变种，被穿在基本服装组合之上作为外套的第三层，所有绝缘值是通过静止的热仿真模型在稳定的站立姿势下获得的，没有任何肢体运动。

每个热仿真模型试验持续20分钟，在此期间记录了240个单独的测量值，与裸体仿真模型测试相比，计算了整体服装组合的热绝缘增加量，对于服装组合的绝缘测量，裸体仿真模型测试是对整个身体进行的。

热绝缘增加百分比是与未添加任何夹克变种的基本服装组合，BE0进行比较计算的，观察到的数据表明，夹克的长度延伸将相应地导致热绝缘增加，因为更多的身体表面积被服装覆盖到。

«——【·讨论·】——»

由于热舒适性预测涉及到一系列参数，通常非常主观且复杂，因此对热绝缘的信息是必不可少的，De Dear试图创建第一个全球数据库，涵盖影响热舒适性的六个标识符组，基本标识符，热问卷特点，气候变量，计算的热舒适指数，个人环境控制和室外气象观测。

其中一个具有较高预估误差的最令人困惑热舒适参数是服装绝缘，特别是考虑到现场估计的情况，为了最小化误差程度，合理准确的热绝缘测量需要在受控气候室内进行热仿真模型测试。

«——【·结论·】——»

研究通过CAD逆向工程和热仿真模型测量，调查了外套长度，对组合服装综合热绝缘值的影响，外套长度的增加将显著增加三维人体模型的面积和体积，有效热绝缘值是通过静态人体模型获得，并由并行模型计算得出。

研究发现，外套长度对服装组合的三维模型，最终几何形状有巨大影响，通过扫描后处理和重建获得逼真的三维模型，增加作为外套穿着的夹克长度，导致面积增加10.4%至26.5%，总体体积增加22%至75.5%。

研究还表明，外套长度对三层服装组合的干热绝缘值有很大影响，有效热绝缘值增加超过25%，20厘米长度增加导致超过4%的额外增长，40厘米长度的进一步增加使有效热绝缘值增加了36.4%，而对于观察到的夹克变种最大长度增加60厘米，有效热绝缘值增加了41.7%。

了解经典服装的元素，及其对最终热绝缘特性的影响，可以为进一步发展具有自适应热绝缘特性的热保护和智能服装提供基础，应该进行动态测试，包括行走和风速的变化，以验证有效热绝缘值可能减小的可能性，因为通风的影响可能更加显著。

在其他各种织物类型和服装选择方面，关于长度增加对有效热绝缘的影响，还存在明显的证据缺失，当前的挑战是将3D扫描和热绝缘测量，与动态条件下的测试相结合，由于现有测量方法和3D扫描仪的性能的限制。

需要被测试对象保持静止且姿势准确，而且往往会限制扫描区域，目前还不可能对人体主体进行连续较长时间的行走扫描，并且不能了解由于肢体运动，或较高风速导致的服装微环境中空气层变化。

参考文献

1.Bouskill, L. M., Havenith, G., Kuklane, K., Parsons, K. C., & Withey, W. R. (2002). Relationship between clothing ventilation and thermal insulation. AIHA Journal, 63(3), 262–22. https://doi.org/10.1080/15428110208984712. [Taylor & Francis Online], [Web of Science ®], [Google Scholar]

2.BS EN 14058:2017. Protective clothing - garment for protection against cool environments. [Google Scholar]

3.Cheng, Y., Niu, J., & Gao, N. (2012). Thermal comfort models: A review and numerical investigation. Building and Environment, 47, 13–22. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2011.05.011. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]

4.Daanen, H., Hatcher, K., & Havenith, G.(2002). Determination of clothing microclimate volume. In: Y. Tochihara & T. Ohnaka, (eds.), Proceedings of the 10th International Confer-ence on Environmental Ergonomics 2002 September 23–27 (pp. 665–668); Fukuoka (Japan): Kyushy Institute of Design. [Google Scholar]

5.De Dear, R. J. (1998). A global database of thermal comfort field experiments. ASHRAE Transactions, 104(Pt 1B), 1141–1152. https://www.osti.gov/biblio/649444-global-database-thermal-comfort-field-experiments [Google Scholar]