一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法。本发明专利技术该方法是将棕床垫设计为上、中、下床垫层，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，测定棕床垫模型中的上、中、下床垫层的挠度值，根据上、中、下床垫层的挠度值对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化三层结构。通过本发明专利技术设计，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；本发明专利技术设计的棕床垫轻量化三层结构，在降低棕床垫总密度的基础上，品质不仅满足国家标准，还能够达到现有产品的水准；本发明专利技术设计棕床垫轻量化三层结构时，方便快捷；本发明专利技术降低现有棕床垫总密度、成本的程度大，市场潜力大。

A design method of lightweight three-layer structure of brown mattress

【技术实现步骤摘要】
一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法
本专利技术涉及棕床垫设计领域，特别是一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法。
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。
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三层结构的设计方法。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，将棕床垫设计为上、中、下床垫层结构，并对各床垫层密度进行分别设计，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。>本专利技术的技术方案：一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法，该方法是将棕床垫设计为上、中、下床垫层，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，测定棕床垫模型中的上、中、下床垫层的挠度值，根据上、中、下床垫层的挠度值对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化三层结构。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，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，有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三层结构的设计方法中，所述中床垫层的厚度为上床垫层的厚度的1-4倍，下床垫层的厚度为中床垫层厚度的1-3倍。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，所述中床垫层的厚度为上床垫层的厚度的1-3倍，下床垫层的厚度为中床垫层厚度的1-2.5倍。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，所述中床垫层的厚度为上床垫层的厚度的1-2倍，下床垫层的厚度为中床垫层厚度的1-2倍。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，所述挠度值是指在上、中、下床垫层受力中心所在平面内，以各自受力中心为圆形设定半径为13mm的圆形测定区域，测定区域内得到的挠度值为对应床垫层的挠度值。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，所述根据上、中、下床垫层的挠度值对各床垫层密度进行设定的方法是：对上、中、下床垫层进行密度依次减小的设定。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，所述上、中、下床垫层的挠度值对各床垫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76～90。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三层结构的设计方法中，所述k为78～88。前述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法中，所述k为83。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。在附图的原图中，各图底部的条形云图从左至右为黄、橙、红、紫、蓝的变化趋势渐变，表示应力越来越大。原图所示距离施力面越近，其受力区域的颜色就越接近条形云图右部的颜色，说明其受到的应力越大。同时，在图4-9上也可以清晰的看到随着受力面距离施力面的距离增大，其应力面积变大，且应力分布趋于均匀。从图4-9看，床垫左上角存在应力集中，最靠近底层集中效应越明显，主要是由于靠近底部的截面受底部固定约束的影响加大，应力集中是因为固定约束造成。5、床垫轻量化模型的建立，根据上述层间受力变形分析和床垫各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法，其特征在于：该方法是将棕床垫设计为上、中、下床垫层，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，测定棕床垫模型中的上、中、下床垫层的挠度值，根据上、中、下床垫层的挠度值对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化三层结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种棕床垫轻量化三层结构的设计方法，其特征在于：该方法是将棕床垫设计为上、中、下床垫层，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，测定棕床垫模型中的上、中、下床垫层的挠度值，根据上、中、下床垫层的挠度值对各床垫层密度进行设定，得棕床垫轻量化三层结构。


2.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法，其特征在于：所述中床垫层的厚度为上床垫层的厚度的1-4倍，下床垫层的厚度为中床垫层厚度的1-3倍。


3.根据权利要求2所述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法，其特征在于：所述中床垫层的厚度为上床垫层的厚度的1-3倍，下床垫层的厚度为中床垫层厚度的1-2.5倍。


4.根据权利要求3所述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法，其特征在于：所述中床垫层的厚度为上床垫层的厚度的1-2倍，下床垫层的厚度为中床垫层厚度的1-2倍。


5.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化三层结构的设计方法，其特征在于：所述挠度值是指在上、中、下床垫层受力...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄龙，廖廷茂，夏鑫，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