基于人体工学的舒适性睡枕数值模拟与设计

陈顺微，孙梦情，邓倩囡，马晓晶，王雪琴，2

(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.浙江省丝绸与时尚文化研究中心，杭州 310018；3.顾家家居股份有限公司，杭州 310018)

1 引言

睡枕影响着人们的睡眠质量与生理健康。长期使用不合适自己的枕头，会损害人体颈椎的正常弧度，还会直接影响颈椎管内容积的大小和局部组织的生理结构是引发和加剧颈椎病的重要因素之一[1].相反选择适合的枕头有利于提高身体的舒适感，保护颈部与头部，促进和改善睡眠。海绵作为枕头常用材料，具有成本低、价格便宜、制作方便、良好的弹性和柔软性的特点。

本文遵循“以人为本”的设计理念[2]，对人体头颈部参数进行研究，根据人体生理参数建立人体头颈部三维模型，运用abaqus有限元软件进行人体仰卧海绵枕时颈部的压力分布和颈窝位移变化仿真实验，设计出符合人体工学的海绵枕型面。

学者Ren[3]等人通过压力分布测试和数据分析研究枕高对头颈部复合体生物力学的影响。贺石生[4]等人通过测量人体头围、头宽数据探究成年人卧位状态下的枕高。侯建军[5]等人对人体侧卧时头部和颈肩部压力分布测试、舒适感主观评价及相关性分析,研究枕头形状对侧卧睡眠舒适性的影响[6]。学者刘涛[7]通过Abaqus超弹性泡沫模型来模拟聚氨酯泡沫的力学特征分析基于压力分布的座椅舒适性。

本文基于人机工程学理论，将通过抽样调查法得到的成年女性人体的头部、颈部相关尺寸参数应用到乳胶枕的设计过程中。基于此参数，设计创建人体头颈部模型。通过不同厚度乳胶枕在受到人体压力时的有限元数值仿真实验，得出乳胶枕的最佳枕型。

2 人体模型和睡枕模型

2.1 人体尺寸建立

人体尺寸数据是一项重要的基础数据资源，是进行工业设计和人类工效学应用的前提和基础。随着社会的发展与科技的进步，其应用几乎涉及所有工业设计领域[8]。学者张蕾[9]研究了90名不同身高、19-26岁成年女性的生理参数,且对所测得的参数进行了相关性、均值与置信区间分析，将其分析结果作为本次研究中人体模型参数设计的重要数据之一。根据该文献人体参数测试，依据人体头颈部生理曲线，结合63名成年女性的头颈部参数抽样测量，如图1所示，选取测量数据50分位参数作为人头模型参数如表1所示，制作女性头颈三维模型如图2所示。

表1 女性头颈参数

图1 头颈部生理曲线

图2

2.2 睡枕模型建立

根据头颈部生理曲线和文献研究确定S型的睡枕形态更加符合人体头颈部曲线，结合50分位人体数据以及海绵受压情况分析，设计适宜的受压后S型海绵睡枕模型，如图3所示。

(a)二维受压S枕模型参数示意图

(b)三维S枕模型图3

3 “人-S枕”动态仿真

3.1 仿真拟合实验

首先在abaqus软件中采用低密度海绵的方法对海绵材料进行压缩仿真实验，将仿真结果与海绵压缩实验值进行拟合如图4所示，二者的拟合系数R2为99.9 %，验证海绵睡枕的仿真中采用此类方法是准确、有效的。

图4 海绵泡沫压缩仿真与实验值比较图

对一位50分位的成年女性在使用 S型海绵枕时的仰睡状态进行3次人体压力分布测试如图5所示，分析女性颈部压力的大致范围。将S枕的压力测试结果与在有限元软件中进行的“人-枕”仿真结果如(图6所示)进行比较，仿真应力分布情况和应力值与体压测试结果大致吻合，证明该“人-枕”仿真方式是有效的、可行的。

图5

图6 仿真应力模拟结果

3.2 不同厚度海绵S枕仿真实验

根据研究设计得到的受压后的海绵枕模型，建立不同厚度的海绵枕，进行颈部应力和位移仿真实验，通过分析头颈部应力以及颈窝位移动态变化从而反求出最佳的海绵枕。因此每隔10 mm为一厚度步长，共计5个海绵泡沫部件，进行“人—S枕”有限元仿真实验。

3.2.1 头颈压力分布

建立“人—S枕”有限元应力仿真实验如图7所示。根据不同高度海绵枕仿真结果绘制海绵枕厚度与颈部应力关系示意图如图8所示。

图7 人-S型海绵枕应力仿真模拟示意图

图8 海绵枕增加的厚度值与颈部应力关系示意图

由上图可知随着海绵枕厚度的增加，颈部应力先减小后增大。颈部应力与海绵枕增加的厚度值为多项式关系，将其进行二次多项式拟合可得关系式(1)：

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

(1)

由式1可知，取x为30.6 mm时，y值即应力最小。海绵枕增加厚度<30.6 mm时，因受到海绵枕的缓解压力的作用，颈部应力随海绵枕厚度的增加，缓压效果的增强而逐渐减小。海绵枕增加厚度>30.6 mm时，因此时睡枕过高，人头颈受到身体方向的牵制作用，向颈部倾斜，重心向颈部偏移，因此颈部应力随海绵枕厚度的增加，倾斜角度的增大而逐渐变大。即从应力仿真结果分析，海绵枕厚度应增加30.6 mm，受压后颈部所受应力最小。

3.2.2 颈窝位移变化

建立“人—S枕”有限元颈部位移仿真实验，如图9所示。绘制海绵枕厚度增加与人体颈窝位移关系示意图如图10所示。

图9 人-S型海绵枕位移仿真模拟示意图

图10 海绵枕增加的厚度值与颈窝位移的关系示意图

由上图可知，海绵枕增加的厚度值与颈窝位移成线性关系，关系式如式(2)所示：

y=0.056*x+18.6

(2)

由式(2)可知，当海绵枕增加的厚度值与颈窝位移值相等即x与y相等时，海绵枕受压后达到理想厚度，求解可知此时x为19.7 mm。即从位移仿真结果分析，海绵枕厚度应增加19.7 mm，受压后海绵枕厚度最适宜人体颈椎曲线。

4 讨论

结合位移仿真结果与应力仿真结果分析可知，海绵枕厚度增加19.7 mm时，受压后海绵枕厚度最适宜人体颈椎曲线；海绵枕厚度增加30.6 mm时，受压后颈部所受应力最小。对此分析结果，可根据使用需求不同，海绵枕型面设计图如图11-12所示，图中单位为毫米，数值取整数。

图11 最适宜颈椎曲海绵枕型面设计图

图12 颈部应力最小海绵枕型面设计图

5 总结

通过建立“人-S枕”有限元仿真模型模拟人体仰睡海绵枕时的动态颈部压力与颈窝位移可以有效的反求出最适宜颈椎曲线海绵枕和颈部应力最小海绵枕尺寸。该方法为基于人体工程的产品设计开发和以人为本、科学化定制寝具产品提供了更科学有效的模拟方式。不再依赖人体体压实验，能够更简便、快捷进行人与产品之间的模拟实验，设计更优良个性化的产品。