一種新型坐墊結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

摘 要：傳統(tǒng)坐墊主要為海綿墊、充氣墊和金屬彈簧墊等，這些坐墊都有各自的不足：海綿坐墊回收處理困難、透氣性差、材料流動性差、回彈力小;充氣墊體積大占空間、面內(nèi)穩(wěn)定性差、易漏氣、耗電;金屬彈簧墊笨重、有噪音、還有刺穿的風(fēng)險。熱塑性彈性體（TPE）是一種新型合成橡膠材料，具有高彈性、材料流動性好、抗老化、環(huán)保無毒、耐老化、可塑性、硬度范圍廣、觸感柔軟等優(yōu)點，認為是一種潛在的坐墊用材。論文借助計算機數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合生產(chǎn)工藝要求，設(shè)計出一種新型TPE坐墊。經(jīng)對比仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新型坐墊分散壓力的能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)海綿坐墊。最后，利用壓力分布測試儀對所設(shè)計的實物坐墊進行了力學(xué)性能測試，進一步驗證了新型坐墊優(yōu)良的減壓性能，認為論文的設(shè)計思路和方法，同樣適用于其它各種新型減壓產(chǎn)品，如肩墊、床墊、護具等。

關(guān)鍵詞：坐墊;TPE;有限元;減壓;鏤空;雙層

中圖分類號：TH122，TS02 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）21-77-04

Abstract： The traditional cushions are made from sponge， high pressure gas and metal spring， these cushions usually contain various shortcomings： the sponge cushions are difficult to recover， poor in permeability， poor in material fluidity and small in resilience; the inflatable cushions are large in volume， poor in-plane stability， easy to leak and consume electricity; the metal spring cushions are bulky， noisy and at risk of puncture. Thermoplastic elastomer （TPE） is a new type of synthetic rubber material. It has the advantages of high elasticity， good material mobility， anti-aging， environmental protection， non-toxic， aging resistance， plasticity， wide hardness range and soft touch. It is considered as a potential cushion material. In this paper， a new type of TPE cushion is designed with the help of computer numerical simulation technology and the requirement of production process. Comparing with the traditional sponge cushion， it is found that the new cushion has better ability to disperse pressure. Finally， the mechanical property of the cushion product is tested by using the pressure distribution tester， which further verifies the excellent decompression performance of the new cushion. The design ideas and methods of this paper are also applicable to other new decompression products， such as shoulder pad， mattress， protector， etc.

Keywords： Cushion; TPE; Finite element; Depressurize; Hollow; Double-layers

CLC NO.： TH122， TS02 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）21-77-04

引言

坐墊是指放在椅子或凳子上用于提高人體舒適度的墊子，為了減少臀部局部受壓過大，提高人體舒適感，坐墊內(nèi)部通常采用質(zhì)地柔軟的材料進行填充。傳統(tǒng)坐墊的芯材主要為海綿發(fā)泡體，如聚氨酯（PU）、聚乙烯（PE）等，這些海綿因具有生產(chǎn)成本低、重量輕等優(yōu)點而受人們的青睞。然而，海綿坐墊也有許多缺點困擾著人們：

（1）不可回收，為非環(huán)保材料。

（2）透氣性較差，不易通風(fēng)散熱;吸水性強，易滋生螨蟲和細菌。

（3）材料流動性差。受力后只能沿受壓平面的法向發(fā)生體積縮小變形，材料不能向四周流動，無法向四周傳遞作用力，受力區(qū)域的材料變形對其周邊非受力區(qū)影響較小，分散壓力的能力差。為了提高墊子向外分散壓力的能力，通常需要加大墊子的厚度，但過大厚度的墊子會導(dǎo)致體積過大，不僅占空間，受壓后還易產(chǎn)生面內(nèi)失穩(wěn)，使人體產(chǎn)生凹陷下沉和重心傾斜感，降低了人體舒適度。

（4）材料回彈力小，回彈速度慢。海綿被人體壓扁后，不能隨人體的坐姿變化而實時變形，對人體受壓部位沒有調(diào)節(jié)運動的機能。當(dāng)人體長時間坐在海綿坐墊上時，受壓部位的肌肉和血管就相當(dāng)于處在一種長時間靜止受壓狀態(tài)，易使人體出現(xiàn)疲勞和麻木感。為了提高坐墊的回彈性能，人們也發(fā)明了充氣墊和金屬彈簧墊，但這兩種墊子又有許多新的缺點，如充氣墊體積過大，面內(nèi)穩(wěn)定性較差，充氣過程較耗電，防漏氣和防漏電的工藝要求較高。而金屬彈簧墊較笨重，彈簧之間的金屬摩擦?xí)碓胍?，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，還會帶來金屬彈簧穿刺傷害的危險[1-4]。

基于當(dāng)前各類坐墊的不足，本文擬采用具有高強度、高回彈性的熱塑性彈性體（Thermoplastic Elastomer，TPE）作為坐墊的芯材，再結(jié)合優(yōu)良的力學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種輕質(zhì)柔軟、高效減壓、通風(fēng)散熱的坐墊。并通過實驗檢測，驗證產(chǎn)品的減壓效果。

1 坐墊減壓原理

當(dāng)人體與物體發(fā)生接觸時，會在骨頭突出位置，如股骨、膝蓋和肘部等部位產(chǎn)生集中受壓，如果這個壓力值過大或持續(xù)時間過長，就會使人感到麻木和疲勞。坐墊的功能就是用于分散和降低這些集中力，減輕人體疼痛感，緩解身體疲勞。

根據(jù)公式：平均壓力（S）=外力大小（F）/受力面積（A），可知，當(dāng)重力F大小不變，且臀部與坐墊的接觸面積A相同時，坐墊傳給人體的平均壓力S就為一定值。當(dāng)接觸面內(nèi)壓力分布較均勻（圖1）時，最大壓力峰值接近平均壓力S，此時坐墊分散壓力的能力（或減壓效果）較好。反之，如果接觸面內(nèi)壓力分布很不均勻（圖2），則壓力分布猶如陡峭的山峰，最大壓力將遠大于平均壓力，此時坐墊的減壓效果較差[5]。

2 新型坐墊設(shè)計要點

2.1 芯材選擇

TPE材料又稱人造橡膠或合成橡膠，其既具備傳統(tǒng)交聯(lián)硫化橡膠的高彈性、高強度、耐油性、耐老化各項優(yōu)異性能，同時又具備可注塑加工、環(huán)保無毒安全、硬度范圍廣、觸感柔軟、耐候性、抗疲勞性的特點[6]。綜合對比傳統(tǒng)海綿坐墊的優(yōu)缺點，認為TPE材料是一種潛在的減壓材料。

2.2 采用物理發(fā)泡輔助工藝

雖然TPE材料具有較好的柔性，但通常其材料密度較大（接近水的密度），是傳統(tǒng)海綿發(fā)泡體減壓材料的15～20倍，如果直接用TPE取代傳統(tǒng)的海綿發(fā)泡體，所生產(chǎn)的坐墊將是非常笨重的，這也是人們很少采用TPE材料來制作坐墊的主要原因之一。為了降低材料密度，在保證材料基本力學(xué)性能不變的情況下，對TPE材料制備過程適當(dāng)滲入一些氣體發(fā)泡劑，使TPE材料內(nèi)形成許多致密的小氣孔，從而可降低材料的密度[7～8]。經(jīng)綜合試驗對比發(fā)現(xiàn)，控制發(fā)泡孔隙率在30%以內(nèi)，材料的高回彈力學(xué)性能沒有明顯降低，而產(chǎn)品重量和用材成本卻可直接降低近30%。

2.3 基本結(jié)構(gòu)的設(shè)想

TPE是一種高彈性材料，也就是人們常說的體積不變性材料。如果用TPE制成傳統(tǒng)的實芯墊子，不但自重大，而且當(dāng)其局部受壓時，還將因材料自身體積不可壓縮性，而形成材料向周邊流動變形的現(xiàn)象。外界壓力越大，材料流動現(xiàn)象越明顯。當(dāng)受壓過大，還會導(dǎo)致墊子局部材料堆積而隆起，不但影響美觀，還有可能把墊子外層織物擠破。如果坐墊外表材料嚴格限制了內(nèi)部TPE芯材的移位，則受壓的TPE材料就會因沒有足夠的流動空間而無法變形，此時TPE芯材就會變得結(jié)實而堅硬，無法達到減壓和緩解疲勞的效果[9～10]。

基于以上原因，需對TPE坐墊進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為了最大程度地減輕產(chǎn)品重量，設(shè)計中對TPE坐墊采用六邊形蜂窩狀的“鏤空”結(jié)構(gòu)，很多研究證明，此類結(jié)構(gòu)具有較好的承力能力[11～13]。為了防止材料變形后蜂孔內(nèi)的氣體無法排出，導(dǎo)致局部壓力增大，設(shè)計中把墊子制成了兩層錯位的蜂窩結(jié)構(gòu)（圖3），這樣所有蜂孔內(nèi)的空隙都是貫通的，任何一個蜂孔發(fā)生變形后都可以快速地向周圍蜂孔進行排氣，從而排除了受壓后的“困氣”現(xiàn)象。這種雙層蜂窩結(jié)構(gòu)不僅可以通風(fēng)散熱，提高孔隙率，降低墊子自重，還可以使TPE材料變形后能及時流入這些預(yù)留的“鏤空”空間，從而避免了因材料流動困難而局部隆起影響美觀，或局部變得結(jié)實堅硬的問題。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果

根據(jù)刻模難度及TPE材料注塑成型工藝要求，初步控制單層蜂孔深度在15mm以內(nèi)，蜂孔最小壁厚不小于1.5mm。為了防止坐墊蜂孔擴張變形后出現(xiàn)壓穿現(xiàn)象，控制蜂孔直徑不大于單層蜂孔深度，即蜂孔直徑控制在15mm以內(nèi)。為了最大程度地減輕坐墊重量，蜂孔直徑應(yīng)盡可能的大，同時，為了防止使用過程出現(xiàn)局部壓穿，蜂孔直徑又不能設(shè)計得太大。綜合這些因素考慮，對坐墊上下兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)特征，在上層結(jié)構(gòu)（與人體接觸的面）的六邊形增加了內(nèi)部連接壁，如圖4所示，使每個六邊形平分成三個孔徑更小的棱形。同時，設(shè)上層結(jié)構(gòu)的高度和壁厚略小于下層結(jié)構(gòu)（圖5），這樣可最大程度地提高結(jié)構(gòu)孔隙率（可達65%以上），最終設(shè)計的結(jié)構(gòu)質(zhì)量僅為實芯結(jié)構(gòu)的1/4左右。

設(shè)計過程中采用有限元分析方法對坐墊壓力分布進行模擬分析，并根據(jù)分析結(jié)果再進一步優(yōu)化坐墊尺寸和孔徑特征，最終可得到較為理想的坐墊結(jié)構(gòu)[14]。圖6為分析過程的有限元模型，坐墊芯材置于兩層織物之間，用一個人體臀部模型直接壓在坐墊上，為了防止大腿部位過度分散壓力，設(shè)大腿軸線與坐墊平面有約15度的夾角，人體重量設(shè)為75kg，直接附在臀部模型上。圖7為計算得到的TPE坐墊壓力分布圖，圖中顏色越紅，表示該區(qū)域的壓力值越大，相鄰兩種顏色過渡區(qū)域的面積越小，表明該處的壓力梯度越大。

為了進一步說明問題，對臀部坐在同等厚度的海綿墊上和直接坐在硬板上（木質(zhì)結(jié)構(gòu)）兩情況進行了仿真分析，其分析結(jié)果分別見圖8和9所示。

可見，TPE坐墊壓力峰值最低，最大值為0.156MPa，壓力分散效果最佳。硬板的壓力峰值最大，最高值達0.675MPa，分散壓力效果較差。海綿坐墊分散壓力的效果介于TPE坐墊和硬板之間，最大壓力峰值為0.263MPa，可見TPE坐墊分散壓力能力明顯高于傳統(tǒng)海綿坐墊[15]。

3 產(chǎn)品檢測

3.1 測試儀器

美國SPI公司生產(chǎn)的Tactilus壓力分布測試儀（圖10）可對各種類似坐墊的柔性結(jié)構(gòu)進行分布壓力測試，該儀器主要包括柔性織物傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線和電腦信息采集系統(tǒng)。試驗時，先把傳感器放于人體與墊子之間，當(dāng)墊子受力發(fā)生變形后，柔性傳感器可隨墊子表面一起發(fā)生變形，這樣可確保人體與墊子表面之間時刻保持合理接觸狀態(tài)。通過數(shù)據(jù)傳輸線與電腦信息采集系統(tǒng)連接，可對測試儀上的每個傳感器壓力值進行實時監(jiān)測，并在電腦屏幕上以圖形化的形式展現(xiàn)出人體壓力分布云圖。

3.2 測試方法與結(jié)果

圖11為TPE坐墊芯材實物圖，實際實驗中，由一體重約65kg的人員坐在墊子上進行測試。圖12為分別采用TPE坐墊和同等厚度的海綿塊測得的壓力分布對比圖，可見，TPE坐墊的壓力峰值（23kPa）明顯低于海綿材料的（38kPa）。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型高效減壓坐墊，主要包括以下幾個要點：

（1）采用高彈性人工合成橡膠TPE材料。

（2）引入物理發(fā)泡輔助工藝，用于降低材料的密度。

（3）采用雙層錯位六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，不但可減輕結(jié)構(gòu)重量，還可通風(fēng)散熱、增加材料自由流動的空間。

（4）經(jīng)計算機仿真分析和實驗測試，證實了新型坐墊有較好的減壓效果。

（5）本文的設(shè)計思路和方法，同樣適用于其它各種減壓產(chǎn)品，如肩墊、床墊、護具等。

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