一种新型坐垫结构设计与试验

摘 要：传统坐垫主要为海绵垫、充气垫和金属弹簧垫等，这些坐垫都有各自的不足：海绵坐垫回收处理困难、透气性差、材料流动性差、回弹力小;充气垫体积大占空间、面内稳定性差、易漏气、耗电;金属弹簧垫笨重、有噪音、还有刺穿的风险。热塑性弹性体（TPE）是一种新型合成橡胶材料，具有高弹性、材料流动性好、抗老化、环保无毒、耐老化、可塑性、硬度范围广、触感柔软等优点，认为是一种潜在的坐垫用材。论文借助计算机数值模拟技术，结合生产工艺要求，设计出一种新型TPE坐垫。经对比仿真结果发现，新型坐垫分散压力的能力明显优于传统海绵坐垫。最后，利用压力分布测试仪对所设计的实物坐垫进行了力学性能测试，进一步验证了新型坐垫优良的减压性能，认为论文的设计思路和方法，同样适用于其它各种新型减压产品，如肩垫、床垫、护具等。

关键词：坐垫;TPE;有限元;减压;镂空;双层

中图分类号：TH122，TS02  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）21-77-04

Abstract： The traditional cushions are made from sponge， high pressure gas and metal spring， these cushions usually contain various shortcomings： the sponge cushions are difficult to recover， poor in permeability， poor in material fluidity and small in resilience; the inflatable cushions are large in volume， poor in-plane stability， easy to leak and consume electricity; the metal spring cushions are bulky， noisy and at risk of puncture. Thermoplastic elastomer （TPE） is a new type of synthetic rubber material. It has the advantages of high elasticity， good material mobility， anti-aging， environmental protection， non-toxic， aging resistance， plasticity， wide hardness range and soft touch. It is considered as a potential cushion material. In this paper， a new type of TPE cushion is designed with the help of computer numerical simulation technology and the requirement of production process. Comparing with the traditional sponge cushion， it is found that the new cushion has better ability to disperse pressure. Finally， the mechanical property of the cushion product is tested by using the pressure distribution tester， which further verifies the excellent decompression performance of the new cushion. The design ideas and methods of this paper are also applicable to other new decompression products， such as shoulder pad， mattress， protector， etc.

Keywords： Cushion; TPE; Finite element; Depressurize; Hollow; Double-layers

CLC NO.： TH122， TS02  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）21-77-04

引言

坐墊是指放在椅子或凳子上用于提高人体舒适度的垫子，为了减少臀部局部受压过大，提高人体舒适感，坐垫内部通常采用质地柔软的材料进行填充。传统坐垫的芯材主要为海绵发泡体，如聚氨酯（PU）、聚乙烯（PE）等，这些海绵因具有生产成本低、重量轻等优点而受人们的青睐。然而，海绵坐垫也有许多缺点困扰着人们：

（1）不可回收，为非环保材料。

（2）透气性较差，不易通风散热;吸水性强，易滋生螨虫和细菌。

（3）材料流动性差。受力后只能沿受压平面的法向发生体积缩小变形，材料不能向四周流动，无法向四周传递作用力，受力区域的材料变形对其周边非受力区影响较小，分散压力的能力差。为了提高垫子向外分散压力的能力，通常需要加大垫子的厚度，但过大厚度的垫子会导致体积过大，不仅占空间，受压后还易产生面内失稳，使人体产生凹陷下沉和重心倾斜感，降低了人体舒适度。

（4）材料回弹力小，回弹速度慢。海绵被人体压扁后，不能随人体的坐姿变化而实时变形，对人体受压部位没有调节运动的机能。当人体长时间坐在海绵坐垫上时，受压部位的肌肉和血管就相当于处在一种长时间静止受压状态，易使人体出现疲劳和麻木感。为了提高坐垫的回弹性能，人们也发明了充气垫和金属弹簧垫，但这两种垫子又有许多新的缺点，如充气垫体积过大，面内稳定性较差，充气过程较耗电，防漏气和防漏电的工艺要求较高。而金属弹簧垫较笨重，弹簧之间的金属摩擦会带来噪音，如果结构设计不合理，还会带来金属弹簧穿刺伤害的危险[1-4]。

基于当前各类坐垫的不足，本文拟采用具有高强度、高回弹性的热塑性弹性体（Thermoplastic Elastomer，TPE）作为坐垫的芯材，再结合优良的力学结构，设计出一种轻质柔软、高效减压、通风散热的坐垫。并通过实验检测，验证产品的减压效果。

1 坐垫减压原理

当人体与物体发生接触时，会在骨头突出位置，如股骨、膝盖和肘部等部位产生集中受压，如果这个压力值过大或持续时间过长，就会使人感到麻木和疲劳。坐垫的功能就是用于分散和降低这些集中力，减轻人体疼痛感，缓解身体疲劳。

根据公式：平均压力（S）=外力大小（F）/受力面积（A），可知，当重力F大小不变，且臀部与坐垫的接触面积A相同时，坐垫传给人体的平均压力S就为一定值。当接触面内压力分布较均匀（图1）时，最大压力峰值接近平均压力S，此时坐垫分散压力的能力（或减压效果）较好。反之，如果接触面内压力分布很不均匀（图2），则压力分布犹如陡峭的山峰，最大压力将远大于平均压力，此时坐垫的减压效果较差[5]。

2 新型坐垫设计要点

2.1 芯材选择

TPE材料又称人造橡胶或合成橡胶，其既具备传统交联硫化橡胶的高弹性、高强度、耐油性、耐老化各项优异性能，同时又具备可注塑加工、环保无毒安全、硬度范围广、触感柔软、耐候性、抗疲劳性的特点[6]。综合对比传统海绵坐垫的优缺点，认为TPE材料是一种潜在的减压材料。

2.2 采用物理发泡辅助工艺

虽然TPE材料具有较好的柔性，但通常其材料密度较大（接近水的密度），是传统海绵发泡体减压材料的15～20倍，如果直接用TPE取代传统的海绵发泡体，所生产的坐垫将是非常笨重的，这也是人们很少采用TPE材料来制作坐垫的主要原因之一。为了降低材料密度，在保证材料基本力学性能不变的情况下，对TPE材料制备过程适当渗入一些气体发泡剂，使TPE材料内形成许多致密的小气孔，从而可降低材料的密度[7～8]。经综合试验对比发现，控制发泡孔隙率在30%以内，材料的高回弹力学性能没有明显降低，而产品重量和用材成本却可直接降低近30%。

2.3 基本结构的设想

TPE是一種高弹性材料，也就是人们常说的体积不变性材料。如果用TPE制成传统的实芯垫子，不但自重大，而且当其局部受压时，还将因材料自身体积不可压缩性，而形成材料向周边流动变形的现象。外界压力越大，材料流动现象越明显。当受压过大，还会导致垫子局部材料堆积而隆起，不但影响美观，还有可能把垫子外层织物挤破。如果坐垫外表材料严格限制了内部TPE芯材的移位，则受压的TPE材料就会因没有足够的流动空间而无法变形，此时TPE芯材就会变得结实而坚硬，无法达到减压和缓解疲劳的效果[9～10]。

基于以上原因，需对TPE坐垫进行结构优化。为了最大程度地减轻产品重量，设计中对TPE坐垫采用六边形蜂窝状的“镂空”结构，很多研究证明，此类结构具有较好的承力能力[11～13]。为了防止材料变形后蜂孔内的气体无法排出，导致局部压力增大，设计中把垫子制成了两层错位的蜂窝结构（图3），这样所有蜂孔内的空隙都是贯通的，任何一个蜂孔发生变形后都可以快速地向周围蜂孔进行排气，从而排除了受压后的“困气”现象。这种双层蜂窝结构不仅可以通风散热，提高孔隙率，降低垫子自重，还可以使TPE材料变形后能及时流入这些预留的“镂空”空间，从而避免了因材料流动困难而局部隆起影响美观，或局部变得结实坚硬的问题。

2.4 结构设计结果

根据刻模难度及TPE材料注塑成型工艺要求，初步控制单层蜂孔深度在15mm以内，蜂孔最小壁厚不小于1.5mm。为了防止坐垫蜂孔扩张变形后出现压穿现象，控制蜂孔直径不大于单层蜂孔深度，即蜂孔直径控制在15mm以内。为了最大程度地减轻坐垫重量，蜂孔直径应尽可能的大，同时，为了防止使用过程出现局部压穿，蜂孔直径又不能设计得太大。综合这些因素考虑，对坐垫上下两层结构设计成不同的结构特征，在上层结构（与人体接触的面）的六边形增加了内部连接壁，如图4所示，使每个六边形平分成三个孔径更小的棱形。同时，设上层结构的高度和壁厚略小于下层结构（图5），这样可最大程度地提高结构孔隙率（可达65%以上），最终设计的结构质量仅为实芯结构的1/4左右。

设计过程中采用有限元分析方法对坐垫压力分布进行模拟分析，并根据分析结果再进一步优化坐垫尺寸和孔径特征，最终可得到较为理想的坐垫结构[14]。图6为分析过程的有限元模型，坐垫芯材置于两层织物之间，用一个人体臀部模型直接压在坐垫上，为了防止大腿部位过度分散压力，设大腿轴线与坐垫平面有约15度的夹角，人体重量设为75kg，直接附在臀部模型上。图7为计算得到的TPE坐垫压力分布图，图中颜色越红，表示该区域的压力值越大，相邻两种颜色过渡区域的面积越小，表明该处的压力梯度越大。

为了进一步说明问题，对臀部坐在同等厚度的海绵垫上和直接坐在硬板上（木质结构）两情况进行了仿真分析，其分析结果分别见图8和9所示。

可见，TPE坐垫压力峰值最低，最大值为0.156MPa，压力分散效果最佳。硬板的压力峰值最大，最高值达0.675MPa，分散压力效果较差。海绵坐垫分散压力的效果介于TPE坐垫和硬板之间，最大压力峰值为0.263MPa，可见TPE坐垫分散压力能力明显高于传统海绵坐垫[15]。

3 产品检测

3.1 测试仪器

美国SPI公司生产的Tactilus压力分布测试仪（图10）可对各种类似坐垫的柔性结构进行分布压力测试，该仪器主要包括柔性织物传感器、数据传输线和电脑信息采集系统。试验时，先把传感器放于人体与垫子之间，当垫子受力发生变形后，柔性传感器可随垫子表面一起发生变形，这样可确保人体与垫子表面之间时刻保持合理接触状态。通过数据传输线与电脑信息采集系统连接，可对测试仪上的每个传感器压力值进行实时监测，并在电脑屏幕上以图形化的形式展现出人体压力分布云图。

3.2 测试方法与结果

图11为TPE坐垫芯材实物图，实际实验中，由一体重约65kg的人员坐在垫子上进行测试。图12为分别采用TPE坐垫和同等厚度的海绵块测得的压力分布对比图，可见，TPE坐垫的压力峰值（23kPa）明显低于海绵材料的（38kPa）。

4 结论

本文设计了一种新型高效减压坐垫，主要包括以下几个要点：

（1）采用高弹性人工合成橡胶TPE材料。

（2）引入物理发泡辅助工艺，用于降低材料的密度。

（3）采用双层错位六边形蜂窝结构，不但可减轻结构重量，还可通风散热、增加材料自由流动的空间。

（4）经计算机仿真分析和实验测试，证实了新型坐垫有较好的减压效果。

（5）本文的设计思路和方法，同样适用于其它各种减压产品，如肩垫、床垫、护具等。

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