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第 32 卷 第 4 期2024 年 4 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.4Apr.2024DOI:10.19398j.att.202303043填充物的力学性能对坐垫舒适性影响的仿真分析肖珂莹1,崔思怡1,林少武2,王雪琴1,3(1.浙江理工大学纺织科学与工程学院(国际丝绸学院),杭州 310018;2.顾家家居股份有限公司,杭州 310018;3.浙江理工大学桐乡研究院,浙江嘉兴 314000)摘 要:将经编间隔织物和不同密度的海绵材料作为坐垫的填充物,通过分析坐垫上的人体体压分布情况,深入探讨坐垫的整体舒适度。首先,选择中密度海绵(28 kg/cm3)、高密度海绵(50 kg/cm3)及新型弹性材料经编间隔织物,分别对其进行力学性能实验。随后,采用有限元仿真法,对三种材料分别进行单轴压缩仿真,分析得出拟合度最高的本构模型;对经编间隔织物材料进行微元变形仿真,分析该材料变形量、压强、厚度三者关系的数学模型。最后,建立弹性坐垫和中国 50 百分位男性的人体臀部(软组织+骨骼)仿真复合模型,分析臀部与垫面的体压分布数据,并利用体压测试仪验证仿真数据的有效性。结果发现:仿真结果显示,中密度海绵、高密度海绵及经编间隔织物体压-应变拟合度最高的本构模型选低密度泡沫较合适;经过MATLAB 进行二次多项式拟合可得出经编间隔织物的变形量、压强、厚度三者之间的数学模型;经编间隔织物弹性坐垫垫面的峰值比中密度海绵弹性坐垫垫面的体压峰值大,比高密度海绵弹性坐垫垫面的体压峰值小,整体垫面体压分布情况较海绵坐垫更均匀;体压测试仪验证仿真数据与实际测试数据小于 5%,表明仿真实验可行。研究表明,经编间隔织物比海绵材料具有更好的支撑性和压力舒适性。这些实验结果以及虚实结合的方法可为未来弹性坐垫产品的材料选择及开发提供参考。关键词:经编间隔织物;有限元;力学性能;本构模型;体压分布;微元变形中图分类号:TS195.644 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)04-0021-08收稿日期:20230323 网络出版日期:20231122基金项目:国家自然科学基金项目(22075252)作者简介:肖珂莹(1998),女,辽宁海城人,硕士研究生,主要从事纺织品设计方面的研究。通信作者:王雪琴,E-mail:lily_wxq 文献调查显示,普通人每天有大量的时间处于坐姿状态1,不舒适的坐垫会带来身体的多种问题。坐垫舒适度最直接的因素是坐垫填充材料的选择与搭配2。在目前已有坐垫类产品的调研中发现,垫内填充的弹性材料多为传统弹性材料如海绵、乳胶等。坐垫产品的舒适度与垫内填充的材料密度有着直接的关系3。Dangal 等4使用不同密度的弹簧泡沫设计出的飞机坐垫更轻巧,更舒适,且降低了飞机飞行的成本。弹性材料性能的好坏很大程度上决定了弹性坐垫产品的优劣,如弹性材料透气性、回弹性、支撑性、软硬度等。探究坐垫类产品舒适性的研究方法主要有体压分布法和有限元仿真方法。如 Lee 等5对体压分布与主观舒适度的关系进行了探究,结果表明体压分布法能有效评价舒适度。Huang 等6利用仿真人体模型与汽车座椅接触过程准确地反映了人体与汽车座椅之间的体压分布,并将体压分布法应用于评估座椅的舒适度。有限元方法也越来越多地被用于各类产品设计的仿真研究中7-8。多种纺织新结构材料的出现为坐垫填充物带来更多的选择。其中经编间隔织物独特的三维结构使其具有支撑性强、缓压、质量轻、透气性好等优势。本文将对经编间隔织物及多种不同密度海绵进行力学性能测试及数据分析,通过有限元仿真方法进行人体臀部-弹性坐垫接触作用实验仿真,分析弹性坐垫垫面的体压分布情况;对经编间隔织物进行微元变形仿真研究,通过 MATLAB 进行二次多项式拟合得出经编间隔织物的变形量、压强、材料厚度三者之间的数学模型,为坐垫产品设计中的填充材料选择提供参考。1 弹性材料力学实验及压缩仿真选择万能材料试验机对 28 kg/cm3中密度海绵、50 kg/cm3高密度海绵、经编间隔织物分别进行材料的力学性能测试实验(压缩、拉伸),然后对其压缩实验进行数值仿真,对比分析不同本构模型下的体压-应变数据曲线,从而选择出拟合度最高的本构模型。1.1 力学实验-压缩与拉伸万能材料试验机输出的 3 种材料的多次平均单轴压缩和拉伸体压-应变曲线如图 1 所示。在图 1(a)中,间隔经编织物所受压缩应力与应变呈较明显的线性关系。在受力超过 0.006 MPa后,该弹性材料的支撑性强于其他两者。虽然高密度海绵在受力小于 0.006 MPa 时的支撑性较好,但后期应变急剧变大,较易变形。而 28 kg/cm3中密度海绵的应力与应变数据也呈近似线性关系,材料较柔软,容易变形。在图 1(b)中,3 种材料的拉伸应力与应变均呈线性关系。海绵类材料展现了较高的拉伸强度,并且在应变范围内不容易断裂。50 kg/cm3高密度海绵相较于 28 kg/cm3中密度海绵具有更大的斜率,表明其具有更强的韧性。另一方面,间隔经编织物由于其材料结构中的间隔纱表现出了极高的抗拉强度。图 1 3 种材料多次平均单轴压缩和拉伸体压-应变曲线Fig.1 Multiple average uniaxial compressive and tensile stress-strain curves of three materials1.2 压缩实验仿真及本构模型对比分析ABAQUS 中经编间隔织物压缩实验的数值仿真共分为 8 个步骤进行:部件建模、材料属性赋予、装配、分析步设定、创建接触与约束、创建载荷、划分网格、创立 JOB。其中在材料属性赋予步骤中,需要注意的是弹性材料本构模型的选择。本构模型,又称材料的体压-应变模型,是描述材料力学性能的数学表达式。弹性材料的本构模型在有限元仿真中有多种设定方法,将超弹性 Marlow 仿真法、超弹性Hyperfoam 仿真、超弹性 Ogden 不同阶仿真法、Low density foam 仿真法共 5 种本构模型仿真后的体压-应变曲线与单轴压缩实验曲线进行比较,结果如图2 所示。图 2 中显示:以经编间隔织物为材料实验体进行压缩实验中,使用 Low density foam 仿真法得出应力-应变曲线拟合度最高。通过计算不同仿真方式下的决定系数 R2可知,经编间隔织物拟合度最高的本图 2 经编间隔织物多种本构模型仿真结果对比Fig.2 Comparison of simulation results of multiple constitutive models of warp-knitted spacer fabrics构模型为 Low density foam,其决定系数 R2为 99.24%,证明 Low density foam 本构模型适用于经编间隔织物弹性材料的仿真实验。22现代纺织技术第 32 卷综合文献9-10可知,超弹性泡沫(Hyperfoam)和低密度泡沫(Low density foam)均可较好地模拟聚氨酯泡沫材料的本构模型。因此对 28 kg/cm3的中密度海绵、50 kg/cm3的高密度海绵分别进行 Hype-rfoam 与 Low density foam 本构模型压缩实验仿真分析,海绵材料基于两种本构模型仿真后结果与实际数据对比如图 3 所示,其中 Low density foam 本构模型中海绵材料体压-应变拟合度较高,28 kg/cm3的中密度海绵的拟合度为 98.04%,50 kg/cm3的高密度海绵的拟合度为 95.71%。图 3 不同密度海绵 Hyperfoam 压缩仿真Fig.3 Simulation of Hyperfoam compression for sponges with different densities2 经编间隔织物材料的微元变形仿真微元变形仿真可以研究一定压强下,不同厚度与变形量的关系,以及在一定厚度下,不同压强与变形量的关系,得到经编间隔织物材料变形量、压强、厚度三者的数学模型11。在经编织物材料块中取长、宽均为 10 mm、厚度为1540 mm 的长方体微元试样,共计 6 个试验材料部件,设置每隔 5 mm 为一厚度步长,每隔 0.001 MPa为一压强步长,压强范围为 0.0010.006 MPa。经编间隔织物材料微元在厚度一定的情况下,不同压强与变形量的关系如图 4 所示,自变量 x 为压强,y 为位移;在压强一定的情况下,不同厚度与变形量的关系如图5 所示,自变量 x 为厚度,y 为位移。由图 4 图 5 可见,当经编织物材料的厚度为定值时,其变形量与压强施加量为非线性关系,随着压强增大而增大;在经编织物材料表面施加定值压强时,其变形量与厚度呈线性关系,随着厚度的增加而增大。将数据导入软件 MATLAB 中进行多项式拟合,拟合结果如表 1 所示;表中所示 p00、p10、p01、p20、p11、p02 均为模型系数。比较表 1 中的拟合结果调整 R2及均方根误差(RMSE),最终可确定二次多项式 Poly22 更符合经编间隔织物材料变形数学模型的规律要求,在MATLAB 中利用数据曲面拟合,结果如图 6 所示。图 4 经编间隔织物材料变形量与压强的关系曲线Fig.4 Nonlinear relationship between material deformation and pressure of warp-knitted spacer fabric materials图 5 经编间隔织物材料变形量与厚度的关系曲线Fig.5 Linear relationship between deformation and thickness of warp-knitted spacer fabric materials32第 4 期肖珂莹 等:填充物的力学性能对坐垫舒适性影响的仿真分析表 1 经编间隔织物材料变形数学模型多项式拟合Tab.1 Polynomial fitting of the mathematical model about the deformation of warp-knitted spacer fabric materials多项式p00p10p01p20p11p02调整 R2均方根误差(RMSE)Poly11-5.43700.25930826.30.92690.7462Poly12-0.93110.09487-453.446.99-17720.99380.2179Poly221.0040-0.06088-453.40.00283246.99-17720.99850.1080 注:Poly12 表示为自变量 x 次数为 1,自变量 y 次数为 2。图 6 二次多项式曲面拟合结果Fig.6 Quadratic polynomial surface fitting results 综上所述,经编间隔织物材料变形数学模型如式(1)所示:f(x,y)=1.004-0.06088x-453.4y+0.00283x2+46.99xy-1772y2(1)式中:f(x,y)为经编间隔织物料变形量,mm;x 为经编间隔织物材料厚度,mm;y 为施加的压强值,MPa;当 y0 时,f(x,y)0。3 人体臀部与弹性材料接触作用有限元仿真坐垫的舒适度不仅与坐垫表面形状、材料等因素有关,同时受到多孔结构的影响12。与传统海绵泡沫材质相比,间隔经编织物多孔、透气、耐用、环保性好13。参照经编间隔织物的建模方法,在 ABAQUS 中建立了 50 kg/cm3的高密度海绵、28 kg/cm3的中密度海绵两种弹性材料的力学性能模型。并建立了人体臀部软组织及骨骼的三维仿真模型,模拟人体臀部与弹性坐垫之间的接触过程。通过仿真,分析弹性坐垫垫面的人体体压分布情况。3.1 人体臀部模型建立按照中国青年男性 50 百分位数据归纳14,在Cinema 4 D 中建立了人体臀部坐姿模型(软组织+骨骼),ABAQUS 中各模型的网格划分如图 7 所示。针对复杂且不规则的模型,需要借助 HYPERMESH软件来辅助进行网格划分。根据需求最终生成骨骼实体网格数量为 29575,软组织实体网格数量为165881,臀部总共实体网格数量为 195456,如图 8所示。在这一过程中,必须确保在软组织和骨骼两部分之间设置共节点。图 7 人体臀部坐姿模型(软组织+骨骼)Fig.7 Human hip sitting model(soft tissue+bone)图 8 臀部模型网格划分Fig.8 Hip model meshing3.2 臀部-弹性垫接触仿真弹性垫的模型尺寸设定为 60 cm60 cm。在装配时,需反复调整人体模型与坐垫之间的贴合度,使它们尽量接触到但不能穿透。将弹性坐垫与臀部软组织之间定义为摩擦接触,摩擦因数为0.3。为保证坐垫在仿真过程中,只在垂直方向发生位移,对坐垫其他 4 个方向的自由度进行约束。当人保持坐姿稳定时,自身体重的 80%会完全作用在坐垫上。此处 50 百分位男性体重标准为60 kg,因此所需施加力大小为 480 N。由于在臀部上不好找节点施加力,因此在弹性垫底端设定RP 点并对该点施加反作用力15,使用“Coupling”对该 RP 点与坐垫底部进行约束。仿真模型如图 9所示。42现代纺织技术第 32 卷图 9 仿真模型Fig.9 Simulation model3.3 仿真结果分析文献16中发现,随着坐垫整体最大体压、坐垫整体平均体压和臀部接触平均体压的增加,舒适性会变差,因此客观舒适性数据标准应结合最大体压值、体压分布范围共同评判。由仿真体压图(见图 10)可知,人体臀部保持坐姿姿态时与单层弹性垫接触作用时,28 kg/cm3的中密度海绵材料的垫面体压最大值为 14.98 kPa;50 kg/cm3的高密度海绵材料的垫面体压最大值为19.65 kPa;经编间隔织物的垫面体压最大值为 17.12 kPa。图 10 不同材料弹性垫仿真体压图Fig.10 Elastic pad simulation body pressure map of different materials 为了更清楚地展示各弹性材料垫面上的体压分布情况,在 ABAQUS 后处理中对垫面表层的体压值进行提取整理,导入 MATLAB 软件中,通过编程对数据进行三维云图的绘制,28 kg/cm3中密度海绵、50 kg/cm3高密度海绵及经编间隔织物垫面体压分布三维云图分别如图 11 所示,其中 x、y 轴分别表示坐垫长、宽,单位设置为 mm,z 轴表示垫面体压数值,单位设置为 MPa。结合 ABAQUS 仿真数据及MATLAB 三维云图的结果,可以得出结论:经编间隔织物垫面的体压分布更均匀,因此可判定该材料具有良好的缓压性能。图 11 不同材料垫面体压三维云图Fig.11 Cushion surface pressure three-dimensional cloud map of different materials52第 4 期肖珂莹 等:填充物的力学性能对坐垫舒适性影响的仿真分析3.4 体压测试仪数据验证完成臀部仿真实验测试后,需要对仿真结果数据进行验证。采用 Tekscan 公司的 CONFORMat 座椅体压及坐姿分析系统,对人体在使用不同单层弹性材 料 垫 时 垫 面 的 体 压 分 布 情 况 进 行 测 量。CONFORMat 座椅体压及坐姿分析系统的传感器采用特殊结构的薄型设计,可以完全贴合测试材料表面,从而减少因感测片隆起或悬空导致的误差;整个垫面包含 600 多个感测器,通过直观的图像反馈展示垫面体压分布的状况,测试数据更具有说服力。选择 30 位符合中国青年男性 50 百分位尺寸的测试者进行本次试验,测试者臀部需平稳坐立在传感垫中心,垫面感测器将采集弹性坐垫接触面的体压分布数据。分别将 3 种弹性材料垫置于测试垫下方,采集实验者静止坐于不同坐垫上的体压数据。将体压测试垫所得数据整理分析见表 2,可见各弹性坐垫垫面峰值的仿真结果与实际体压测试垫所测数据的相对误差均小于 5.0%。这一结果表明,上述的仿真过程和设定方法是合理的。表 2 测试仪与仿真实验测得垫面峰值数据对比Tab.2 Comparison of the peak pressure data of the pad surface measured by the tester and the simulation experiment试样种类仿真最大压强/kPa实际测试最大压强/kPa相对误差/%经编间隔织物17.1217.632.8950 kg/cm3高密度海绵19.6519.401.2925 kg/cm3中密度海绵14.9515.201.644 结 论 经编间隔织物材料具有透气性好、支撑性强、耐用、环保性好等优点。本文介绍了用于坐垫的经编间隔织物及两类海绵在力学性能方面的有限元模拟的探索和验证,对比研究了坐姿下的 3 类材料上人体压力模拟及实验测试,相关方法及结论为弹性垫产品材料的选择及仿真设计方式提供参考。主要得到以下结论:a)通过有限元仿真技术分别对 28 kg/cm3中密度海绵、50 kg/cm3高密度海绵及经编间隔织物材料压缩实验进行数值仿真后,本构模型拟合度最高的均为 LOW DENSITY FOAM 模型,因此进行 ABAQUS 有限元仿真实验时 3 种材料均应选择 LOW DENSITY FOAM 本构模型。b)通过 MATLAB 二次多项式曲面拟得出经编间隔织物的变形量与压强施加量,及材料厚度 3 者关系的数学模型。c)通过建立人体臀部与经编间隔织物、密度为28 kg/cm3中密度海绵、50 kg/cm3高密度海绵 3 种弹性坐垫的接触作用仿真实验,得出垫面压强峰值数据从小到大依次为 28 kg/cm3的中密度海绵、经编间隔织物、50 kg/cm3的高密度海绵;其中经编间隔织物较海绵坐垫垫面的体压分布更加均匀。参考文献:1 RAIJMAKERS B G,NIEUWENHUIZEN M G,BECKERMAN H,et al.Differences in the course of daily activity level between persons with and without chronic pain J.American Journal of Physical Medicine&Rehabilitation,2015,94(2):110-113.2 张鑫,陶毓博,李鹏.座具坐垫舒适性的客观评价分析J.家具与室内装饰,2019(5):30-31.ZHANG Xin,TAO Yubo,LI Peng.Review on the objective evaluation and analysis of the comfortability of seat cushion J.Furniture&Interior Design,2019(5):30-31.3 徐伟,程洛林,杨国庆,等.海绵密度对沙发坐垫舒适性影响分析J.家具,2018,39(4):17-21.XU Wei,CHENG Luolin,YANG Guoqing,et al.The influence of sponge density on the comfort of sofa cushionsJ.Furniture,2018,39(4):17-21.4 DANGAL S,SMULDERS M,VINK P.Implementing spring-foam technology to design a lightweight and comfortable aircraft seat-pan J.Applied Ergonomics,2021,91:103-174.5 LEE J,FERRAIUOLO P.Seat comfortC/International Congress&Exposition.Detroit,Michigan:Seat System Comfort and Safety,1993:105.62现代纺织技术第 32 卷6 HUANG S,ZHANG Z,XU Z,et al.Modeling of human model for static pressure distribution prediction J.International Journal of Industrial Ergonomics,2015,50:186-195.7 雷鹏,付志强,张蕾,等.基于 Abaqus 低密度泡沫模型的 EPE 冲击仿真模拟J.塑料科技,2019,47(9):89-94.LEI Peng,FU Zhiqiang,ZHANG Lei,et al.Simulation of EPE impact based on Abaqus low-density foam modelJ.Plastics Science and Technology,2019,47(9):89-94.8 CHEN S,WANG X,SUN M,et al.Supine dynamic simulation and latex pillow design for Chinese women based on finite element methodJ.Textile Research Journal,2022,92(13/14):2529-2537.9 GRUJICIC M,PANDURANGAN 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314000,China)Abstract:Based on the background that the majority of the population spends more time in a seated position and the demand for cushion products is increasing the selection of cushion products with a high level of comfort has become the focus of consumer attention.In this paper for the 50th percentile male representative group in China three kinds of materials namely warp-knitted spacer fabrics sponges with a medium density of 28 kg/cm3 and sponges with a high density of 50 kg/cm3 were selected as the filler of cushion products to obtain three kinds of cushion materials.We explored the mechanical characteristics of the three types of materials and the methodology and effectiveness of finite element simulation and established relevant material microelement models to assist design prediction.The results show that the intrinsic model with the highest compression-strain fit 99.24%among sponges with a medium density of 28 kg/cm3 sponges with a high density of 50 kg/cm3 and warp-knitted spacer fabrics is LOW DENSITY FOAM.Meanwhile the mathematical model of the relationship among deformation of warp-knitted spacer fabrics and the amount of compression force applied as well as the thickness of the material was obtained by using the quadratic polynomial surface fitting of MATLAB.Subsequently the process of contact between human body and three different cushion products in sitting posture was simulated by finite element simulation in ABAQUS software to analyze the comfort of the products according to the distribution of body pressure on the cushion surface and the validity of the simulation experiments was verified by using a body pressure tester.It is found that the peak value of the elastic cushion surface of the warp-knitted spacer fabric is larger than that of the elastic cushion surface of sponges with a medium density of 28 kg/cm3 and smaller than that of the elastic cushion surface of sponges with a high density of 50 kg/cm3 and the distribution of the overall cushion surface is more homogeneous than that of the sponge cushion and the body pressure tester verifies that the simulation data are less than 5%of the actual test data which proves the feasibility of the simulation experiment.Warp-knitted spacer fabrics exhibit better support and breathability than sponge materials.Combined with the results of objective data analysis it is believed that as these materials continue to evolve they can provide more choices for future elastic cushion products.Keywords:warp-knitted spacer fabric finite element mechanical properties constitutive model pressure distribution micro-element deformation82现代纺织技术第 32 卷