基于人體工學(xué)的舒適性睡枕數(shù)值模擬與設(shè)計(jì)

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?；《?，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。基于此參數(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，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

圖2

2.2 睡枕模型建立

根據(jù)頭頸部生理曲線和文獻(xiàn)研究確定S型的睡枕形態(tài)更加符合人體頭頸部曲線，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。

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；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。