折疊式嬰兒床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析研究?

楊昕妍 張仲鳳

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，長沙 410004 )

折疊式結(jié)構(gòu)是一種用時(shí)可以展開、不用時(shí)可以折疊收起的結(jié)構(gòu)。嬰兒車的設(shè)計(jì)對(duì)于安全性要求高。目前國內(nèi)小戶型住宅居多，折疊式嬰兒車的使用十分普遍，大多采用金屬和纖維布料組合設(shè)計(jì)，而有關(guān)木質(zhì)折疊式嬰兒床，特別是對(duì)紅木嬰兒床的設(shè)計(jì)與研究較少。本文以紅木為材料，基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論和力學(xué)分析及CMF設(shè)計(jì)三要素，設(shè)計(jì)了一款嬰兒床轉(zhuǎn)換為嬰兒車結(jié)構(gòu)的紅木產(chǎn)品，對(duì)嬰兒床的連接部位進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，確保其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)，美觀、舒適，為折疊式紅木嬰兒床[1]的設(shè)計(jì)提供參考。

1 折疊式結(jié)構(gòu)

1.1 折疊式結(jié)構(gòu)概念及分類

折疊式結(jié)構(gòu)為可展、可折疊結(jié)構(gòu)[2]。從產(chǎn)品使用角度來說，折疊式結(jié)構(gòu)可在有限的空間內(nèi)，通過優(yōu)化和改良結(jié)構(gòu)使產(chǎn)品功能達(dá)到最大化。根據(jù)家具材料特性，折疊結(jié)構(gòu)可分為剛性折疊結(jié)構(gòu)和柔性折疊結(jié)構(gòu)。柔性折疊結(jié)構(gòu)主要以材料性能支撐，在此不予贅述。剛性折疊結(jié)構(gòu)按照工藝和折疊方式可分為收啟式、組合式、螺旋式和插接式；收啟式和組合式在折疊結(jié)構(gòu)中使用最多，收啟式又分為平行式和軸心式兩種，組合式分為重疊式、套式和卷式三種。本文的嬰兒床設(shè)計(jì)將軸心式和平行式結(jié)合起來，展開為嬰兒床，折疊后為嬰兒車。

1.2 折疊式結(jié)構(gòu)體系及其計(jì)算方法

折疊結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)之前應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治鯷3]。拓?fù)浞治鲇址Q位相幾何學(xué)，主要研究空間在連續(xù)變化（如拉伸或彎曲，但不包括撕裂或粘合）下能夠維持不變的性質(zhì)。按照折疊結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系，大致可分為桿系折疊結(jié)構(gòu)、索桿系折疊結(jié)構(gòu)和板式折疊結(jié)構(gòu)[4]。桿系折疊結(jié)構(gòu)是指由剛性桿組成的折疊結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)可以是鉸接，也可以是剛接。而索桿系折疊結(jié)構(gòu)由剛性桿和柔性索組成。板式折疊結(jié)構(gòu)是折疊板與桿系結(jié)構(gòu)或折疊板之間的相互連接的一種組合結(jié)構(gòu)。本文力學(xué)分析分為兩部分，即嬰兒床展開時(shí)與嬰兒床折疊后。嬰兒床展開時(shí)結(jié)構(gòu)為一個(gè)整體，采用計(jì)算自由度方法判斷其約束是否足夠以確定其穩(wěn)定性。計(jì)算自由度W大于零，則該體系約束數(shù)量不足，不能限制所有運(yùn)動(dòng)方式，則體系為幾何可變，反之則為幾何不變體系；嬰兒床折疊為嬰兒車，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)使用到桿系結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。根據(jù)桿系結(jié)構(gòu)的拓?fù)浞治觯\(yùn)用Maxwell法則[5]。

b = 3j - k

式中， b為結(jié)構(gòu)桿單元總數(shù)，個(gè)； j為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，個(gè)； k為約束總數(shù)，個(gè)。

根據(jù)該法則推導(dǎo)出3 種幾何穩(wěn)定性算法。

1.2.1 整體法將桿系結(jié)構(gòu)看成由鉸接、剛接和鏈桿的約束組成：

T1= 3b - (3k1+ 2k2+ k3)

T2= m + k

式中，T1為桿系折疊結(jié)構(gòu)計(jì)算自由度；T2為桿系折疊結(jié)構(gòu)自由度；b為結(jié)構(gòu)的鋼片總數(shù)個(gè)；k1、k2、k3分別為鉸結(jié)點(diǎn)、剛結(jié)點(diǎn)、鏈桿總數(shù)（個(gè)）；k為多余約束數(shù),個(gè)。

1.2.2 簡化法

把結(jié)構(gòu)體系視作受鏈桿的約束組成，體系中復(fù)鏈桿先折合為單鏈桿，得：

T1= 2j - k3

1.2.3 混合法

T1= 3b + 2j - (3k1+ 2k2+ k3)

T1、T2是體系中各元素的函數(shù)關(guān)系，反映結(jié)構(gòu)行為特性，得：

當(dāng)T1＞0，則T2＞0，該體系為幾何不變； k=0 時(shí)為靜定結(jié)構(gòu)， k＞0 時(shí)為超靜定結(jié)構(gòu)；

當(dāng)T1=0，則T2=k,桿系折疊結(jié)構(gòu)體系k=0 時(shí)為靜定結(jié)構(gòu)， k＞0 時(shí)為不靜定結(jié)構(gòu)；

當(dāng)T1＜0，則k＞0,該體系有多余約束。

2 嬰兒床設(shè)計(jì)要素

普通嬰兒車一般針對(duì)0～3 歲嬰幼兒設(shè)計(jì)，由于嬰幼兒前三年生長變化快，這就要求嬰兒車的設(shè)計(jì)功能滿足不同成長階段的需求[6]。這款嬰兒床折疊后成為嬰兒車，在嬰兒哺乳期時(shí)可以躺著推動(dòng)，能坐時(shí)可以坐著推動(dòng)。其設(shè)計(jì)要素還包括顏色（Color)、材料(Material)、表面處理(Finishing)（即CMF）。下面從人機(jī)工程學(xué)及CMF設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行分析。

2.1 使用者人機(jī)工程學(xué)分析

2.1.1 嬰幼兒心理及生理基本特征

0～3 個(gè)月的嬰兒行動(dòng)方式主要靠父母托抱，心理十分依賴父母；3～6 個(gè)月的嬰兒會(huì)翻身、緩慢爬行，開始對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生好奇心；6～9 個(gè)月的嬰兒會(huì)坐[7]，能簡單表達(dá)喜怒情緒[8]；6～12 個(gè)月的嬰兒可手扶站立；7～16 個(gè)月可以做拍手游戲，站立，緩慢行走；10～21 個(gè)月嬰幼兒可以握筆、行走；17～30 個(gè)月嬰幼兒會(huì)跳躍；2 歲的幼兒已經(jīng)具備運(yùn)動(dòng)能力和簡單思考能力。3 歲之后的幼兒通常較少使用嬰兒車。嬰兒從出生到5 周歲的人體尺寸如表1 所示。這款嬰兒床采用5 歲幼兒身高數(shù)據(jù)，產(chǎn)品長度為110 cm，折疊后兩邊各55 cm。

表1 兒童人體尺寸Tab.1 Child body size /cm

2.1.2 父母心理及生理特征

嬰幼兒父母對(duì)孩子使用的產(chǎn)品均有較高要求,同時(shí)他們也是嬰兒床（車）的直接使用者，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮其身高尺寸。表2 為GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中部分立姿數(shù)據(jù)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)列出的47 項(xiàng)我國成年人人體尺寸數(shù)據(jù)，確定產(chǎn)品的總高度為1 680 mm，手功能高度為728 mm，所取數(shù)值與成人男女的平均身高值與手功能高相當(dāng)。

采用調(diào)查問卷法，在賣場對(duì)40 位預(yù)購買嬰兒車顧客進(jìn)行問卷調(diào)查，結(jié)果顯示，顧客對(duì)于嬰兒車的功能、安全性[9]、質(zhì)量關(guān)注度比較高，占比分別為20%、19%、17%，對(duì)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的關(guān)注度占11%，材質(zhì)、色彩各占7%，如圖1 所示。在折疊式嬰兒床設(shè)計(jì)中對(duì)于上述顧客的需求偏好給予了充分考慮。

表2 立姿人體主要尺寸Tab.2 Main body size of standing posture /mm

圖1 問卷調(diào)研結(jié)果 Fig.1 Questionnaire survey results

2.2 嬰兒床的CMF設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)，除了考慮使用者心理、生理特點(diǎn)，應(yīng)注重產(chǎn)品的顏色(Color)、材質(zhì)(Material)、表面處理(Finishing)三要素[10]。

2.2.1 顏色

乳兒階段是嬰兒的感知覺和認(rèn)知能力發(fā)展形成時(shí)期[11]。雖有研究表明，3 歲的孩童才能辨別橙、綠、紅等顏色，但在3 歲之前，帶有顏色的造型可潛移默化地影響嬰兒[12]。年齡越小的嬰兒越喜歡鮮艷明亮的色彩[13]，因此在兒童用品設(shè)計(jì)中，顏色的搭配會(huì)更鮮艷，產(chǎn)品造型會(huì)更活潑。

在實(shí)木家具設(shè)計(jì)中，基本色由木材特性所決定。要達(dá)到符合各年齡段孩子使用的產(chǎn)品造型標(biāo)準(zhǔn)，需額外增加一些軟裝設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品顏色更加豐富。多數(shù)寶寶比較喜歡紅色；綠色給人以健康、清新、環(huán)保、生機(jī)勃勃之感；黃色明度高，在兒童產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一般和藍(lán)色、橘色搭配較多； 粉色和藍(lán)色在嬰兒用品中使用廣泛，在中國，粉色代表女性，藍(lán)色代表男性，因此家長通常也會(huì)用這兩種顏色來區(qū)分寶寶的性別。其他顏色比如米色、黑色、紫色等一般都會(huì)作為輔助色進(jìn)行搭配[14]。本文嬰兒床的主色是紅木色，軟裝設(shè)計(jì)部分可選用淺黃色、米色等淺色搭配。

2.2.2 材料

嬰幼兒皮膚細(xì)嫩，嬰兒床用料需講究，實(shí)木材質(zhì)及天然木油的選擇相對(duì)環(huán)保。無異味、少刺激、對(duì)嬰幼兒健康無害的環(huán)保材質(zhì)[15]更受家長信賴。

這款嬰兒床完全采用紅酸枝木類。紅酸枝木密度高，鬃眼細(xì)小且密，防腐防蛀，不易開裂，硬度高，抗變形，并伴有酸香氣味，有助于凝神養(yǎng)心。木材本身含樹膠和沉淀物，表面有光澤，使用過程中會(huì)隨時(shí)間延長而形成包漿，觸摸手感溫潤如玉。收藏價(jià)值很高，用紅木制作的嬰兒床（車）可以作為傳家寶收藏。

2.2.3 表面處理

紅木表面處理工藝一般分為打蠟、生漆、白茬（白胚）[16]三種。打蠟又稱“包漿”，在表面形成一層保護(hù)膜，由于不斷受空氣氧化、人手撫摸等因素，木材表面會(huì)變得越來越光滑，具有防腐蝕、防酸防潮、耐高溫的特點(diǎn)；兒童在磨牙期時(shí)，紅木表面處理后細(xì)胞封死，不會(huì)對(duì)身體造成傷害[17]。

嬰兒床主要由桿狀材料和板材組成，板材運(yùn)用傳統(tǒng)拼接方式，無縫隙，有啟口。桿狀材料分兩類，較直的桿材用直木直接進(jìn)行打磨，較彎的桿材使用攢接的手法。木材經(jīng)過常規(guī)干燥后，表面采用上蠟工藝。表面處理質(zhì)量是確保產(chǎn)品安全使用的重要因素。

3 嬰兒床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析

3.1 嬰兒床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊式嬰兒床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1）床板為嬰兒床的剛體結(jié)構(gòu)，剛體上兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的垂線交點(diǎn)即為剛體轉(zhuǎn)動(dòng)中心，運(yùn)用軸心旋轉(zhuǎn)方法實(shí)現(xiàn)嬰兒床到嬰兒車的功能轉(zhuǎn)換，如圖2a所示；2）圖2b中連桿1 靠近端頭處有一凹陷滑坡槽，連桿2 圓形榫頭滑入其中即可固定。反之，將連桿1 水平向外輕拔，連桿2 榫頭滑出，嬰兒車即展開恢復(fù)成嬰兒床。圖2c、d為嬰兒床展開與折疊后形成嬰兒車的效果圖，圖2d中可見嬰兒落坐的白色軟凳。

圖2 折疊式紅木嬰兒床設(shè)計(jì)效果圖Fig.2 Design effect of mahogany crib

3.2 力學(xué)分析

嬰兒床展開時(shí)力學(xué)分析[18]，如圖3 所示。

圖3 嬰兒床力學(xué)分析圖Fig.3 Mechanical analysis of the crib

在平面體系內(nèi)，假設(shè)每個(gè)約束都使體系減少一個(gè)自由度，則根據(jù)自由度計(jì)算公式：

W = 3m - (2h + r )

式中， m為鋼片數(shù)，個(gè)； h為單鉸數(shù)，個(gè)； r為支座鏈桿數(shù)，個(gè)。

得： W = 3×2- (2×1+5)

∵W＜0

∴該體系為幾何不變體系

圖4 嬰兒床折疊為車力學(xué)分析圖Fig.4 Mechanical analysis of crib folding for stroller

嬰兒床折疊后力學(xué)分析：

已知：A、B、C 三點(diǎn)不在同一直線上，鋼片Ⅰ、鋼片Ⅱ有6 個(gè)自由度，相互垂直，且C點(diǎn)為連接兩鋼片的鉸。解：形成幾何不變體系[19]中的兩鋼片規(guī)則，必要條件是體系必須有一個(gè)鉸和一個(gè)鏈桿，形成兩鋼片規(guī)則的充分條件是這個(gè)連桿不能通過該鉸，由已知可知，符合兩鋼片規(guī)則。

∵ 鏈桿Ⅲ、鏈桿Ⅳ相互連結(jié)，形成一根鏈桿，與兩根支座鏈桿E、F形成不全平行也不全交于一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)

∴該體系為幾何不變體系

3.3 李克特量表法評(píng)價(jià)

采用李克特五點(diǎn)量表法[20]對(duì)該嬰兒床設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由5 名產(chǎn)品設(shè)計(jì)專業(yè)人員進(jìn)行打分，分別用分值1、2、3、4、5 為量化標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為安全性、舒適性、靈活性、美觀性、持久性。由表3 可知，安全性、持久性在五個(gè)評(píng)價(jià)要素中占比最高。

表3 李克特量表評(píng)分表Tab.3 Likert scale score sheet

4 結(jié)論

嬰幼兒使用的產(chǎn)品要求不同于普通產(chǎn)品，無論是選用材料還是內(nèi)外部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等均需充分考慮這一群體的特殊性，應(yīng)特別注重其安全性。本研究將力學(xué)分析融于嬰兒床設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決了紅木嬰兒床功能轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)問題。經(jīng)力學(xué)分析驗(yàn)證，紅木嬰兒床功能及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合嬰幼兒使用；運(yùn)用李克特五點(diǎn)量表法分析表明，這款產(chǎn)品安全性和持久性在五個(gè)評(píng)價(jià)要素中占比較高，符合預(yù)期。紅木嬰兒床可折疊作為嬰兒車，后期還可作為其他承載類家具使用，本研究既解決了紅木嬰兒床的功能轉(zhuǎn)換問題，又充分延長了紅木的使用周期，對(duì)于今后兒童家具的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。