基于人體工學的舒適性睡枕數值模擬與設計

陳順微，孫夢情，鄧倩囡，馬曉晶，王雪琴，2

(1.浙江理工大學 紡織科學與工程學院、國際絲綢學院，杭州 310018；2.浙江省絲綢與時尚文化研究中心，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量與生理健康。長期使用不合適自己的枕頭，會損害人體頸椎的正常弧度，還會直接影響頸椎管內容積的大小和局部組織的生理結構是引發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，保護頸部與頭部，促進和改善睡眠。海綿作為枕頭常用材料，具有成本低、價格便宜、制作方便、良好的彈性和柔軟性的特點。

本文遵循“以人為本”的設計理念[2]，對人體頭頸部參數進行研究，根據人體生理參數建立人體頭頸部三維模型，運用abaqus有限元軟件進行人體仰臥海綿枕時頸部的壓力分布和頸窩位移變化仿真實驗，設計出符合人體工學的海綿枕型面。

學者Ren[3]等人通過壓力分布測試和數據分析研究枕高對頭頸部復合體生物力學的影響。賀石生[4]等人通過測量人體頭圍、頭寬數據探究成年人臥位狀態下的枕高。侯建軍[5]等人對人體側臥時頭部和頸肩部壓力分布測試、舒適感主觀評價及相關性分析,研究枕頭形狀對側臥睡眠舒適性的影響[6]。學者劉濤[7]通過Abaqus超彈性泡沫模型來模擬聚氨酯泡沫的力學特征分析基于壓力分布的座椅舒適性。

本文基于人機工程學理論，將通過抽樣調查法得到的成年女性人體的頭部、頸部相關尺寸參數應用到乳膠枕的設計過程中。基于此參數，設計創建人體頭頸部模型。通過不同厚度乳膠枕在受到人體壓力時的有限元數值仿真實驗，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

人體尺寸數據是一項重要的基礎數據資源，是進行工業設計和人類工效學應用的前提和基礎。隨著社會的發展與科技的進步，其應用幾乎涉及所有工業設計領域[8]。學者張蕾[9]研究了90名不同身高、19-26歲成年女性的生理參數,且對所測得的參數進行了相關性、均值與置信區間分析，將其分析結果作為本次研究中人體模型參數設計的重要數據之一。根據該文獻人體參數測試，依據人體頭頸部生理曲線，結合63名成年女性的頭頸部參數抽樣測量，如圖1所示，選取測量數據50分位參數作為人頭模型參數如表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

圖1 頭頸部生理曲線

圖2

2.2 睡枕模型建立

根據頭頸部生理曲線和文獻研究確定S型的睡枕形態更加符合人體頭頸部曲線，結合50分位人體數據以及海綿受壓情況分析，設計適宜的受壓后S型海綿睡枕模型，如圖3所示。

(a)二維受壓S枕模型參數示意圖

(b)三維S枕模型圖3

3 “人-S枕”動態仿真

3.1 仿真擬合實驗

首先在abaqus軟件中采用低密度海綿的方法對海綿材料進行壓縮仿真實驗，將仿真結果與海綿壓縮實驗值進行擬合如圖4所示，二者的擬合系數R2為99.9 %，驗證海綿睡枕的仿真中采用此類方法是準確、有效的。

圖4 海綿泡沫壓縮仿真與實驗值比較圖

對一位50分位的成年女性在使用 S型海綿枕時的仰睡狀態進行3次人體壓力分布測試如圖5所示，分析女性頸部壓力的大致范圍。將S枕的壓力測試結果與在有限元軟件中進行的“人-枕”仿真結果如(圖6所示)進行比較，仿真應力分布情況和應力值與體壓測試結果大致吻合，證明該“人-枕”仿真方式是有效的、可行的。

圖5

圖6 仿真應力模擬結果

3.2 不同厚度海綿S枕仿真實驗

根據研究設計得到的受壓后的海綿枕模型，建立不同厚度的海綿枕，進行頸部應力和位移仿真實驗，通過分析頭頸部應力以及頸窩位移動態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，共計5個海綿泡沫部件，進行“人—S枕”有限元仿真實驗。

3.2.1 頭頸壓力分布

建立“人—S枕”有限元應力仿真實驗如圖7所示。根據不同高度海綿枕仿真結果繪制海綿枕厚度與頸部應力關系示意圖如圖8所示。

圖7 人-S型海綿枕應力仿真模擬示意圖

圖8 海綿枕增加的厚度值與頸部應力關系示意圖

由上圖可知隨著海綿枕厚度的增加，頸部應力先減小后增大。頸部應力與海綿枕增加的厚度值為多項式關系，將其進行二次多項式擬合可得關系式(1)：

y=0.0045*x^2-0.275*x+14.05

(1)

由式1可知，取x為30.6 mm時，y值即應力最小。海綿枕增加厚度<30.6 mm時，因受到海綿枕的緩解壓力的作用，頸部應力隨海綿枕厚度的增加，緩壓效果的增強而逐漸減小。海綿枕增加厚度>30.6 mm時，因此時睡枕過高，人頭頸受到身體方向的牽制作用，向頸部傾斜，重心向頸部偏移，因此頸部應力隨海綿枕厚度的增加，傾斜角度的增大而逐漸變大。即從應力仿真結果分析，海綿枕厚度應增加30.6 mm，受壓后頸部所受應力最小。

3.2.2 頸窩位移變化

建立“人—S枕”有限元頸部位移仿真實驗，如圖9所示。繪制海綿枕厚度增加與人體頸窩位移關系示意圖如圖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系，關系式如式(2)所示：

y=0.056*x+18.6

(2)

由式(2)可知，當海綿枕增加的厚度值與頸窩位移值相等即x與y相等時，海綿枕受壓后達到理想厚度，求解可知此時x為19.7 mm。即從位移仿真結果分析，海綿枕厚度應增加19.7 mm，受壓后海綿枕厚度最適宜人體頸椎曲線。

4 討論

結合位移仿真結果與應力仿真結果分析可知，海綿枕厚度增加19.7 mm時，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，受壓后頸部所受應力最小。對此分析結果，可根據使用需求不同，海綿枕型面設計圖如圖11-12所示，圖中單位為毫米，數值取整數。

圖11 最適宜頸椎曲海綿枕型面設計圖

圖12 頸部應力最小海綿枕型面設計圖

5 總結

通過建立“人-S枕”有限元仿真模型模擬人體仰睡海綿枕時的動態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力最小海綿枕尺寸。該方法為基于人體工程的產品設計開發和以人為本、科學化定制寢具產品提供了更科學有效的模擬方式。不再依賴人體體壓實驗，能夠更簡便、快捷進行人與產品之間的模擬實驗，設計更優良個性化的產品。