摘要
由于现代办公形式的影响，越来越多的工作者都成为“坐者”中的一员。从“人体工学”的角度来说，长时间保持坐姿会导致人体臀部因受力过久发生软组织的形变，从而引发一系列疾病，如褥疮、腰肌劳损等。结合大多数群体在休息时都选择或坐或卧的姿态，满足人体舒适度的弹性坐垫产品设计成为必然趋势。据了解，人体在坐姿姿态下臀部与不同材料的弹性坐垫接触会受到不同程度的压力，软组织也会发生不同程度的变形，垫类材料及结构的设计会直接影响人体臀部的舒适度。因此，本文将以缓解人体受压、提高舒适度为目的，从弹性坐垫垫内各层次材料选择及厚度尺寸两方面进行产品设计;利用有限元仿真的研究方法，向对弹性坐垫产品接触度需求不同的群体提供合适的弹性坐垫设计方案。 本文大体主要从四个方面进行探究: (一)选择坐垫适合的弹性填充材料，对各弹性材料进行力学性能分析及其相关仿真实验研究。首先结合课题研究背景、国内外研究现状及对目前市面已有的弹性坐垫产品进行调研分析，选择出本课题所采用的六种弹性填充材料-三种传统弹性材料:28kg/cm3中密度海绵、50kg/cm3高密度海绵、乳胶，三种新型弹性材料-TPEE、经编间隔织物、POE。而后对六种弹性材料进行力学性能测试，获得测试数据后利用有限元技术分别对六种弹性材料压缩实验过程进行仿真，将YEOH、LOW DENSTIY、OGDEN不同阶次等多种本构模型下仿真后的应力-应变数据与实际压缩实验数据进行对比，选择出各弹性材料拟合度最高的本构模型为LOW DENSTIY。最后对各弹性材料进行微元变形仿真实验研究，得出各弹性材料的变形量与材料厚度、施加压强三者之间的数学模型。 (二)分析对比臀部与各单一弹性材料坐垫接触后垫面的体压分布情况，为后续弹性组合垫各层次分布设计提供帮助。首先，建立人体坐姿状态下臀部软组织及骨骼的复合模型和弹性坐垫模型，人体臀部模型尺寸采取我国男性50百分位数据，坐垫模型尺寸大小为600 mm×600 mm;利用HYPERMESH软件对各模型网格划分，处理完成后导入ABAQUS中后进行有限元模型材料属性、边界条件及载荷等设置。而后分别对臀部模型与由28 kg/cm3中密度海绵、50kg/cm3高密度海绵、乳胶、TPEE、经编间隔织物、POE六种弹性材料填充的单一坐垫模型接触过程进行实验仿真。通过对比各个垫面人体体压分布情况发现:28kg/cm3的中密度海绵与乳胶垫面上的体压值较小，TPEE垫面与经编间隔织物垫面的体压值适中且均匀，50kg/cm3高密度海绵垫面体压值较大、POE垫面体压值最大。为验证仿真结果数据的有效性，使用体压测试仪进行数据验证，测试仪显示各垫面体压峰值数据相对误差均小于5％,证明该仿真实验方法具有可行性。最后为提供更有利的组合垫产品设计前的数据支撑，主观评价必不可少;主观评价结果显示:28kg/cm3中密度海绵、乳胶弹性坐垫接触感偏柔软，TPEE弹性坐垫、经编间隔织物弹性坐垫接触感适中，50kg/cm3高密度海绵弹性坐垫接触感较硬，POE弹性坐垫接触感非常硬，其中TPEE、经编间隔织物及POE的支撑性及透气性更好。但考虑到弹性材料的经济适用性，最终接触感偏柔软的弹性材料选择28 kg/cm3中密度海绵、接触感适中的弹性材料选择经编间隔织物、接触感较硬的弹性材料选择50kg/cm3高密度海绵、接触感非常硬的弹性材料选择POE。主观评价与客观数据相符，因此此部分结论可为后续组合垫的方案设计提供参考。 （三）基于用户对接触感需求不同，共设计出六种不同层次搭配的组合坐垫方案，并分析臀部与六种方案下的组合坐垫接触后垫面的体压分布情况。首先对组合坐垫产品需求进行市场调查问卷，问卷结果为大多数用户对坐垫性能需求为透气性好、多用性强等;在坐垫接触软硬度方面，不同用户需求差异较大，主要分为四种:偏柔软、适中、较硬、非常硬。因此组合坐垫的方案设计主要基于接触感的四种需求进行展开。结合前序已掌握的四种弹性材料的特性，共设计出六种不同层次搭配的组合坐垫方案，接着对臀部与六种方案下的弹性组合坐垫接触过程进行实验仿真并分析结果数据，结合材料的透气性后最终设计出符合四种接触感不同的弹性组合坐垫方案。为满足产品经济适用性得到最大化，对四种方案下组合坐垫的各层厚度展开设计;分析四种方案下组合坐垫各层次的变形量，最终得出适合中国男性50百分位这一特定群体使用四种方案时组合坐垫垫内各层次所需最小厚度尺寸。 （四）进行多用途弹性组合垫的产品设计优化。为了实现产品的多用途化，基于使用场景的不同，设计出三款弹性组合垫产品:茶道蒲团型组合坐垫、“无限魔方”百变组合坐垫、折叠型组合床垫。分别模拟仿真中国50百分位男性用户使用三种产品过程并分析垫面的体压分布情况。在折叠组合床垫产品设计部分，提供适合中国50百分位不同头颈形态男性的健康枕高，为未来枕垫产品设计提供参考。 综上，本课题利用有限元技术，通过分析弹性垫垫面人体体压分布情况，结合用户主观意愿，全面有针对性地提供符合中国50百分位男性、基于接触度不同需求的多用型弹性组合垫类设计方案，为未来弹性组合垫产品设计提供帮助。
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