陳順微，孫夢(mèng)情，鄧倩囡，馬曉晶，王雪琴，2

(1.浙江理工大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院、國(guó)際絲綢學(xué)院，杭州 310018；2.浙江省絲綢與時(shí)尚文化研究中心，杭州 310018；3.顧家家居股份有限公司，杭州 310018)

1 引言

睡枕影響著人們的睡眠質(zhì)量與生理健康。長(zhǎng)期使用不合適自己的枕頭，會(huì)損害人體頸椎的正常弧度，還會(huì)直接影響頸椎管內(nèi)容積的大小和局部組織的生理結(jié)構(gòu)是引發(fā)和加劇頸椎病的重要因素之一[1].相反選擇適合的枕頭有利于提高身體的舒適感，保護(hù)頸部與頭部，促進(jìn)和改善睡眠。海綿作為枕頭常用材料，具有成本低、價(jià)格便宜、制作方便、良好的彈性和柔軟性的特點(diǎn)。

本文遵循“以人為本”的設(shè)計(jì)理念[2]，對(duì)人體頭頸部參數(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)人體生理參數(shù)建立人體頭頸部三維模型，運(yùn)用abaqus有限元軟件進(jìn)行人體仰臥海綿枕時(shí)頸部的壓力分布和頸窩位移變化仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出符合人體工學(xué)的海綿枕型面。

學(xué)者Ren[3]等人通過(guò)壓力分布測(cè)試和數(shù)據(jù)分析研究枕高對(duì)頭頸部復(fù)合體生物力學(xué)的影響。賀石生[4]等人通過(guò)測(cè)量人體頭圍、頭寬數(shù)據(jù)探究成年人臥位狀態(tài)下的枕高。侯建軍[5]等人對(duì)人體側(cè)臥時(shí)頭部和頸肩部壓力分布測(cè)試、舒適感主觀評(píng)價(jià)及相關(guān)性分析,研究枕頭形狀對(duì)側(cè)臥睡眠舒適性的影響[6]。學(xué)者劉濤[7]通過(guò)Abaqus超彈性泡沫模型來(lái)模擬聚氨酯泡沫的力學(xué)特征分析基于壓力分布的座椅舒適性。

本文基于人機(jī)工程學(xué)理論，將通過(guò)抽樣調(diào)查法得到的成年女性人體的頭部、頸部相關(guān)尺寸參數(shù)應(yīng)用到乳膠枕的設(shè)計(jì)過(guò)程中?；诖藚?shù)，設(shè)計(jì)創(chuàng)建人體頭頸部模型。通過(guò)不同厚度乳膠枕在受到人體壓力時(shí)的有限元數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，得出乳膠枕的最佳枕型。

2 人體模型和睡枕模型

2.1 人體尺寸建立

人體尺寸數(shù)據(jù)是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，是進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)和人類(lèi)工效學(xué)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，其應(yīng)用幾乎涉及所有工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域[8]。學(xué)者張蕾[9]研究了90名不同身高、19-26歲成年女性的生理參數(shù),且對(duì)所測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性、均值與置信區(qū)間分析，將其分析結(jié)果作為本次研究中人體模型參數(shù)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)之一。根據(jù)該文獻(xiàn)人體參數(shù)測(cè)試，依據(jù)人體頭頸部生理曲線(xiàn)，結(jié)合63名成年女性的頭頸部參數(shù)抽樣測(cè)量，如圖1所示，選取測(cè)量數(shù)據(jù)50分位參數(shù)作為人頭模型參數(shù)如表1所示，制作女性頭頸三維模型如圖2所示。

表1 女性頭頸參數(shù)

圖1 頭頸部生理曲線(xiàn)

圖2

2.2 睡枕模型建立

根據(jù)頭頸部生理曲線(xiàn)和文獻(xiàn)研究確定S型的睡枕形態(tài)更加符合人體頭頸部曲線(xiàn)，結(jié)合50分位人體數(shù)據(jù)以及海綿受壓情況分析，設(shè)計(jì)適宜的受壓后S型海綿睡枕模型，如圖3所示。

(a)二維受壓S枕模型參數(shù)示意圖

(b)三維S枕模型圖3

3 “人-S枕”動(dòng)態(tài)仿真

3.1 仿真擬合實(shí)驗(yàn)

首先在abaqus軟件中采用低密度海綿的方法對(duì)海綿材料進(jìn)行壓縮仿真實(shí)驗(yàn)，將仿真結(jié)果與海綿壓縮實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行擬合如圖4所示，二者的擬合系數(shù)R2為99.9 %，驗(yàn)證海綿睡枕的仿真中采用此類(lèi)方法是準(zhǔn)確、有效的。

圖4 海綿泡沫壓縮仿真與實(shí)驗(yàn)值比較圖

對(duì)一位50分位的成年女性在使用 S型海綿枕時(shí)的仰睡狀態(tài)進(jìn)行3次人體壓力分布測(cè)試如圖5所示，分析女性頸部壓力的大致范圍。將S枕的壓力測(cè)試結(jié)果與在有限元軟件中進(jìn)行的“人-枕”仿真結(jié)果如(圖6所示)進(jìn)行比較，仿真應(yīng)力分布情況和應(yīng)力值與體壓測(cè)試結(jié)果大致吻合，證明該“人-枕”仿真方式是有效的、可行的。

圖5

圖6 仿真應(yīng)力模擬結(jié)果

3.2 不同厚度海綿S枕仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)研究設(shè)計(jì)得到的受壓后的海綿枕模型，建立不同厚度的海綿枕，進(jìn)行頸部應(yīng)力和位移仿真實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析頭頸部應(yīng)力以及頸窩位移動(dòng)態(tài)變化從而反求出最佳的海綿枕。因此每隔10 mm為一厚度步長(zhǎng)，共計(jì)5個(gè)海綿泡沫部件，進(jìn)行“人—S枕”有限元仿真實(shí)驗(yàn)。

3.2.1 頭頸壓力分布

建立“人—S枕”有限元應(yīng)力仿真實(shí)驗(yàn)如圖7所示。根據(jù)不同高度海綿枕仿真結(jié)果繪制海綿枕厚度與頸部應(yīng)力關(guān)系示意圖如圖8所示。

圖7 人-S型海綿枕應(yīng)力仿真模擬示意圖

圖8 海綿枕增加的厚度值與頸部應(yīng)力關(guān)系示意圖

由上圖可知隨著海綿枕厚度的增加，頸部應(yīng)力先減小后增大。頸部應(yīng)力與海綿枕增加的厚度值為多項(xiàng)式關(guān)系，將其進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合可得關(guān)系式(1)：

y=0.0045*x^2-0.275*x+14.05

(1)

由式1可知，取x為30.6 mm時(shí)，y值即應(yīng)力最小。海綿枕增加厚度<30.6 mm時(shí)，因受到海綿枕的緩解壓力的作用，頸部應(yīng)力隨海綿枕厚度的增加，緩壓效果的增強(qiáng)而逐漸減小。海綿枕增加厚度>30.6 mm時(shí)，因此時(shí)睡枕過(guò)高，人頭頸受到身體方向的牽制作用，向頸部?jī)A斜，重心向頸部偏移，因此頸部應(yīng)力隨海綿枕厚度的增加，傾斜角度的增大而逐漸變大。即從應(yīng)力仿真結(jié)果分析，海綿枕厚度應(yīng)增加30.6 mm，受壓后頸部所受應(yīng)力最小。

3.2.2 頸窩位移變化

建立“人—S枕”有限元頸部位移仿真實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。繪制海綿枕厚度增加與人體頸窩位移關(guān)系示意圖如圖10所示。

圖9 人-S型海綿枕位移仿真模擬示意圖

圖10 海綿枕增加的厚度值與頸窩位移的關(guān)系示意圖

由上圖可知，海綿枕增加的厚度值與頸窩位移成線(xiàn)性關(guān)系，關(guān)系式如式(2)所示：

y=0.056*x+18.6

(2)

由式(2)可知，當(dāng)海綿枕增加的厚度值與頸窩位移值相等即x與y相等時(shí)，海綿枕受壓后達(dá)到理想厚度，求解可知此時(shí)x為19.7 mm。即從位移仿真結(jié)果分析，海綿枕厚度應(yīng)增加19.7 mm，受壓后海綿枕厚度最適宜人體頸椎曲線(xiàn)。

4 討論

結(jié)合位移仿真結(jié)果與應(yīng)力仿真結(jié)果分析可知，海綿枕厚度增加19.7 mm時(shí)，受壓后海綿枕厚度最適宜人體頸椎曲線(xiàn)；海綿枕厚度增加30.6 mm時(shí)，受壓后頸部所受應(yīng)力最小。對(duì)此分析結(jié)果，可根據(jù)使用需求不同，海綿枕型面設(shè)計(jì)圖如圖11-12所示，圖中單位為毫米，數(shù)值取整數(shù)。

圖11 最適宜頸椎曲海綿枕型面設(shè)計(jì)圖

圖12 頸部應(yīng)力最小海綿枕型面設(shè)計(jì)圖

5 總結(jié)

通過(guò)建立“人-S枕”有限元仿真模型模擬人體仰睡海綿枕時(shí)的動(dòng)態(tài)頸部壓力與頸窩位移可以有效的反求出最適宜頸椎曲線(xiàn)海綿枕和頸部應(yīng)力最小海綿枕尺寸。該方法為基于人體工程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和以人為本、科學(xué)化定制寢具產(chǎn)品提供了更科學(xué)有效的模擬方式。不再依賴(lài)人體體壓實(shí)驗(yàn)，能夠更簡(jiǎn)便、快捷進(jìn)行人與產(chǎn)品之間的模擬實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)更優(yōu)良個(gè)性化的產(chǎn)品。