一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法技术

本发明专利技术公开了一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法。本发明专利技术该方法是对棕床垫进行分层得床垫层，建立棕床垫模型，对棕床垫模型施加人体载荷后做受力变形分析，测定棕床垫模型中对应的各床垫层的挠度值，根据各床垫层的挠度值变化对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化结构，按棕床垫轻量化结构制作出轻量化棕床垫，将压力分布传感器放入轻量化棕床垫的床垫层之间，在轻量化棕床垫上放置载荷源，检测各床垫层间的压力分布。通过本发明专利技术可降低棕床垫的总体密度，节省床垫材料用量，降低生产成本，并且能够保证产品的品质，本发明专利技术还可以检测设计出的棕床垫轻量化结构是否合理。

Design and test method of a lightweight structure of brown mattress

【技术实现步骤摘要】
一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法
本专利技术涉及棕床垫领域，特别是一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法。
技术介绍
棕床垫的材质包括山棕、椰壳等，均属于植物纤维弹性材料。CN90100464.2公开了一种植物纤维弹性材料的生产方法可用于生产棕床垫，棕丝(棕纤维)经卷曲后用气流吹成呈三维分布状后喷胶，使棕丝之间节点粘合得到棕丝弹性片材，然后将棕丝弹性片材码叠，得到呈层状的棕丝弹性材料，棕丝弹性材料再通过加乳胶粘接、压制成片、热压定型、硫化等工艺即可制作出棕床垫。从目前国内外对植物纤维弹性材料制作的床垫的研究情况看，床垫的研究者绝大多数都是从床垫的舒适性着手，试图建立人体与床垫设计的关联关系。这些研究基本上都是基于功能的需求出发，很少有针对床垫结构与成本的关系进行研究，由于没有科学的理论指导，产品在开发的时候都是基于经验值进行判断，床垫结构很多时候并不是最优化设计。为满足床垫的耐久使用指标，目前棕床垫在制作时，一般都是尽可能的叠加棕丝片材材料，放大安全使用系数。而这实际上会造成棕床垫使用的材料过剩，增加棕床垫的生产成本。因此，有必要提出一种优化棕床垫结构的设计方法。现目前，对本优化棕床垫结构的设计方法所设计出的结构，并无对应的检测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法。采用本专利技术方法可以指导棕材料床垫的轻量化结构设计，将棕床垫设计为分层结构，并对床垫密度进行设计，使床垫实现轻量化。通过本专利技术设计，可降低棕床垫的总体密度，节省床垫材料用量，降低生产成本，并且能够保证产品的品质。通过本专利技术方法可以检测棕床垫轻量化结构的应力分布，根据应力分布可判断棕床垫轻量化结构的设计是否成功。本专利技术的技术方案：一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，该方法是对棕床垫进行分层得床垫层，建立棕床垫模型，对棕床垫模型施加人体载荷后做受力变形分析，测定棕床垫模型中对应的各床垫层的挠度值，根据各床垫层的挠度值变化对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化结构，按棕床垫轻量化结构制作出轻量化棕床垫，将压力分布传感器放入轻量化棕床垫的床垫层之间，在轻量化棕床垫上放置载荷源，检测各床垫层间的压力分布。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述压力分布传感器为美国传感器产品公司生产的型号为TACTILUS的压力分布传感器，该压力分布传感器通过对应软件配合使用，可通过二维和三围的图形方式实时显示压力变化。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述载荷源优选为对棕床垫模型施加人体载荷的大小和重量。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述建立棕床垫模型，对棕床垫模型施加人体载荷后做受力变形分析的方法是优选用ANSYS软件建立材料模型、床垫模型和施加人体荷载。具体是先建立床垫的材料模型，再采用有限元求解的方法，设置床垫尺寸，用材料模型建立床垫模型，在床垫模型上施加人体荷载，对施加人体荷载后的床垫模型做受力变形测试，即可得到相应的挠度值；所述床垫尺寸为长2000mm、宽1000mm和厚120mm；所述人体荷载的质量为80kg,面积为1700mm×400mm；其中，限元法是求解某一特定问题的数值解的一种方法，有限元方法先将结构的结构件切割成若干个单元，描述每一个单元的行为，然后将单元重新用节点连接，这个过程产生一组联立代数方程组。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述床垫层的厚度为10-180mm。每一床垫层的厚度为均匀。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述床垫层的厚度为20-130mm。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述床垫层的厚度为30-100mm。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述床垫层的挠度值是指在床垫层受力中心所在平面，以受力中心为圆形设定半径为14mm的圆形测定区域，测定区域内得到的挠度值为该床垫层的挠度值。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述根据各床垫层的挠度值变化对各床垫层密度进行设定的方法是：根据各床垫层的挠度值的逐渐减小的变化对各床垫层的密度进行逐渐减小的设计。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法为：令一床垫层的下挠值为0.1x(mm)，该床垫层的密度为y(kg/m3)，床垫层最小密度为k(kg/m3)，k为76～84。当x＜1时，y＝k；当1≤x＜3时，y＝k+5×(x-1)；当x≥3时，y＝k+20+10×(x-3)。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述k为78～82。前述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法中，所述k为80。本专利技术的研究过程：1、采用ANSYS对棕床垫进行超弹性模型研究，以求导出床垫弹性支撑层各层间部位的变形分布。建立棕材料模型，具体是山棕材料模型。具体是在ANSYS软件中输入山棕床垫的弹性模量46.7KPa，泊松比0.2，建立结合超弹性材料典型的本构模型为，应变能函数来描述为：N＝3时，上述多项式的特殊缩减形式即为Yeoh形式的本构模型，以该模型进行曲线拟合得到山棕超弹材料模型。2、有限元求解，床垫尺寸选取为长a＝200cm，宽b＝100cm，厚12cm，由于结构的对称性和计算的方便，可以取其一半进行有限元分析，故a＝200m，宽b＝50cm即可，模型如图1所示。图1中长度沿X方向，宽度沿Z方向，厚度沿Y方向。参照普通大众人体的生物几何数据，选取荷载施加面积为1.7m×0.4m，体重80kg(这里处于安全运算的考虑，将人体质量取较大值)。因此，施加给模型的压力为：P＝F÷S＝80×10÷1.7×0.4＝1176.5(pa)。由于结构的对称性，荷载施加面积为1.7m×0.2m即可，均布力施加的范围为床垫中轴线上，结构、荷载关于XY平面对称，载荷分布如图2所示。3、对床垫模型进行层间受力变形分析。在施加人体模拟荷载的作用下，分析距离床垫上表面分别为1cm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm处床垫各个分层的下挠值，各层的测量点距离该面受力中心的距离为15cm,图3为不同截面沿中心线各节点的下挠值曲面图。如图3所示，距离床垫上表面越近，该处受压变形就越小。当距离床垫上表面1cm时，距中心线距离大于0.25m的受压变形是正的，说明此时该处受到向上挤压的力，且该层的受压应力较为集中在0-0.25m处。从图3看，距离上表面11cm的层面距离中心线0.3m处，还是处于受压的应力。当距离上表面越远，受压变形的面积越来越大。因为人的体重在一定的情况下，其在物体上的总荷载是恒定的，受压面积越大，就说明受压应力越分散。4、进行床垫各层应力分布分析，在床垫加施加人体荷载的模型中，对分析距离床垫上表面分别为1cm、3cm、5cm、7cm、9cm和11cm进行应力云图分析，各层应力图如图4-9所示。应力的施加是在床垫上表面施加的局部分布力。应力云图是床垫的不同厚度处的水平截面的云图，是俯视图。在附图的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，其特征在于：该方法是对棕床垫进行分层得床垫层，建立棕床垫模型，对棕床垫模型施加人体载荷后做受力变形分析，测定棕床垫模型中对应的各床垫层的挠度值，根据各床垫层的挠度值变化对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化结构，按棕床垫轻量化结构制作出轻量化棕床垫，将压力分布传感器放入轻量化棕床垫的床垫层之间，在轻量化棕床垫上放置载荷源，检测各床垫层间的压力分布。/n

【技术特征摘要】
1.一种棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，其特征在于：该方法是对棕床垫进行分层得床垫层，建立棕床垫模型，对棕床垫模型施加人体载荷后做受力变形分析，测定棕床垫模型中对应的各床垫层的挠度值，根据各床垫层的挠度值变化对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化结构，按棕床垫轻量化结构制作出轻量化棕床垫，将压力分布传感器放入轻量化棕床垫的床垫层之间，在轻量化棕床垫上放置载荷源，检测各床垫层间的压力分布。


2.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，其特征在于：所述床垫层的厚度为10-180mm。


3.根据权利要求2所述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，其特征在于：所述床垫层的厚度为20-130mm。


4.根据权利要求3所述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，其特征在于：所述床垫层的厚度为30-100mm。


5.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化结构的设计及检测方法，其特征在于：所述床垫层的挠度值是指在床垫层受力中心所在平面内，以受力...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖廷茂，黄龙，刘显科，徐毅，张丽影，
申请(专利权)人：贵州大自然科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：贵州;52