老年人助起椅側(cè)向穩(wěn)定性仿真及研究

[摘" " 要]本研究以提高助起椅側(cè)向穩(wěn)定性為目的，以解決老年人助起椅安全性不足的問題。通過對助起椅進行實驗與仿真，驗證了仿真模型的可行性，并利用仿真軟件研究側(cè)傾角和扶手高度對助起椅側(cè)向穩(wěn)定性的影響。通過參數(shù)優(yōu)化，提高了助起椅側(cè)向穩(wěn)定性，為老年人助起椅穩(wěn)定性研究提供了理論指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]老年人助起椅;側(cè)向穩(wěn)定性;仿真運動

[中圖分類號]TB472 [文獻標志碼]A

近年來，隨著老齡化的進程加快，幫助老年人完成起立動作的助起椅也應(yīng)運而生[1-2]。作為老年人家具，功能性和安全性是最重要的設(shè)計原則[3]。在老年人助起椅的研究中，有學(xué)者對助起裝置進行研究[4-5];也有學(xué)者對老年人起立動作產(chǎn)生的軌跡進行分析[6-7];還有學(xué)者對助起椅各部件進行探究[8-10]。關(guān)于助起椅的設(shè)計研究，大部分學(xué)者都較為注重功能性，很少關(guān)注安全性。由于老年人助起椅的助起功能，以及其使用人群的特殊性，在使用過程中會產(chǎn)生不少安全隱患。側(cè)向穩(wěn)定性是家具在外加荷載條件下所具有的抵抗側(cè)翻的能力，其能夠反映側(cè)翻的難易程度[11]。因此提高助起椅側(cè)向穩(wěn)定性，使其在使用過程中不輕易發(fā)生側(cè)翻是助起椅安全性設(shè)計的重要內(nèi)容。本研究進行側(cè)向穩(wěn)定性實驗對仿真模型驗證，通過仿真軟件研究了椅腿與地面?zhèn)葍A角和扶手高度對側(cè)向穩(wěn)定性的影響，進而進行參數(shù)優(yōu)化，提高了助起椅的側(cè)向穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 材料

木制扶手椅材料為松木，尺寸為：長70mm×寬70mm×高150mm;11021砝碼;J14001條形彈簧測力計。

1.2 研究方法

參考GB/T10357.2—2013《家具力學(xué)性能試驗 第2部分：椅凳類穩(wěn)定性》，對助起椅進行受力分析，如圖1所示。其中，F(xiàn)1為側(cè)向水平力，P1為施加在座面板上豎直向下的壓力，P2為老年人手臂對扶手施加的壓力，A為座面板與水平面角度，B為椅腿內(nèi)側(cè)與水平面角度，H為扶手距離地面高度，S為P1至右椅腿內(nèi)側(cè)的距離。根據(jù)圖1，設(shè)計側(cè)向穩(wěn)定性實驗，在距離扶手椅座面右邊緣15mm、后邊緣15mm處施加大小為2N、方向豎直向下的壓力，對右扶手內(nèi)側(cè)緩慢施加水平力，直至椅子左側(cè)兩腿翹起發(fā)生側(cè)翻。

2 側(cè)向穩(wěn)定性仿真

2.1 仿真模型建立

以老年人扶手椅為參考，建立助起椅模型（長480mm×寬500mm×高900mm），所用材料為松木，賦予材料屬性，其彈性常數(shù)見表1[12]，密度為0.435g/cm3;設(shè)置接觸為剛性接觸，添加引力。參照GB/T 10357.2—2013《家具力學(xué)性能試驗 第2部分：椅凳類穩(wěn)定性》，施加壓力、拉力，在座面板后端面安置旋轉(zhuǎn)馬達，方向為逆時針，旋轉(zhuǎn)基準為座面板前端面下沿，執(zhí)行角度為30°，時長為5s。

2.2 仿真研究方法

采用控制變量法，研究側(cè)傾角B與扶手高度H對側(cè)向穩(wěn)定性的影響。以B=90°、H=220mm為助起椅初始形態(tài)，先保持H不變，改變B的大小。以1°為一個梯度進行仿真，記錄B在80°～90°內(nèi)11個角度狀態(tài)下使椅子發(fā)生側(cè)翻的F1。再改變H的大小，以5mm為一個梯度進行仿真，記錄B為80°和90°兩種狀態(tài)時，H在570～600mm內(nèi)7類高度下的F1。

3 結(jié)果與分析

3.1 側(cè)向穩(wěn)定性對比

仿真與實驗的側(cè)向穩(wěn)定性對比見圖2，仿真與實驗側(cè)向穩(wěn)定性的變化趨勢相同：隨著A增大，F(xiàn)1相應(yīng)減小，助起椅側(cè)向穩(wěn)定性隨之減弱。A在0°～5°，曲線最陡，仿真和模擬側(cè)向穩(wěn)定性變化量最大;A在5°～30°，曲線變化勢態(tài)變緩，側(cè)向穩(wěn)定性變化量減小。仿真模擬值與實驗平均值的最小誤差為6.45%，最大誤差為10.00%，平均誤差為8.36%，誤差均低于15%[13]。仿真與實驗仿真模型有效，可用于實際參考。

3.2 側(cè)傾角對側(cè)向穩(wěn)定性的影響

比較不同B時，使助起椅發(fā)生側(cè)翻的F1的仿真值，得出B與F1的函數(shù)關(guān)系，如圖3（a）所示。當(dāng)H一定時，F(xiàn)1隨B的增大而減小，助起椅側(cè)向穩(wěn)定性減弱，且B每增大1°，F(xiàn)1減小5～6N。助起椅側(cè)向穩(wěn)定性隨B的增大而減弱，根據(jù)圖2，分析使椅子發(fā)生側(cè)翻的力矩作用，以椅子右前腿與地面的接觸點為支點，得到側(cè)翻力矩公式。

P1S=F1H （1）

當(dāng)B減小時，S增大，此時F1應(yīng)相應(yīng)增大。反之同理。

3.3 扶手高度對側(cè)向穩(wěn)定性的影響

比較B為80°和90°兩種狀態(tài)，不同H時，使助起椅發(fā)生側(cè)翻的F1的仿真值，得到H與F1的函數(shù)關(guān)系，如圖3（b）所示。當(dāng)B一定時，F(xiàn)1隨H的增大而減小，助起椅側(cè)向穩(wěn)定性減弱，且H對側(cè)向穩(wěn)定性的影響隨著B的減小而減弱。B為90°時，H每升高5mm，F(xiàn)1減小0.2～0.3N;B為80°時，H每升高5mm，F(xiàn)1減小0.8～0.9N。助起椅側(cè)向穩(wěn)定性隨H的升高而減弱，原因見公式（1），H增大，P1S的值不變，則F1的值減小。同時，H對側(cè)向穩(wěn)定性的影響隨B減小而增大。

3.4 側(cè)向穩(wěn)定性優(yōu)化

若要助起椅側(cè)向穩(wěn)定性滿足安全需求，老年人起身所產(chǎn)生的側(cè)向水平力應(yīng)小于椅子所能承受的側(cè)向水平力。在老年人起立過程中，雙手所產(chǎn)生的最大壓力為300N[14]，則可認為老年人對扶手施加的F1不超過150N。在初始狀態(tài)時，椅子所能承受的F1為122～124N，小于150N，助起椅容易發(fā)生側(cè)翻。根據(jù)B、H對F1的影響關(guān)系，B為調(diào)控F1的主要因素，H為次要因素。當(dāng)F1為150N時，對應(yīng)的B約為85°，H為580～600mm。優(yōu)化后得到老年人助起椅的最佳側(cè)傾角B為85°，以10mm為梯度，滿足150～180mm等3個身高范圍的扶手高度H分別為580mm，590mm和600mm。此時老年人助起椅側(cè)翻時的側(cè)向水平力約為149～151N，側(cè)向穩(wěn)定性較直立狀態(tài)提高21%～22%。

4 結(jié)論

本研究利用實驗驗證了老年人助起椅側(cè)向穩(wěn)定性仿真的可行性，并采用仿真軟件對助起椅的側(cè)向穩(wěn)定性進行了研究。結(jié)果表明：仿真模型可用于實際參考;側(cè)傾角B與扶手高度H對助起椅的側(cè)向穩(wěn)定性均有不同程度的影響，B對側(cè)向穩(wěn)定性的影響程度大于H，且隨著B的減小，H對側(cè)向穩(wěn)定性的影響增大;優(yōu)化后的助起椅B為85°，扶手高度與老年人身體尺寸對應(yīng)，此時助起椅側(cè)向穩(wěn)定性提高20%～21%，符合安全需求。

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作者簡介

陳強輝（1996—），男，江西上饒人，在讀碩士研究生，主要研究方向為家具設(shè)計與制造。