CN110991035A

CN110991035A - 一种棕床垫轻量化结构的设计方法

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Publication number: CN110991035A
Application number: CN201911203193.XA
Authority: CN
Inventors: 廖廷茂; 黄龙; 黄照伟; 徐毅; 张丽影
Original assignee: Guizhou Daziran Technology Co Ltd
Current assignee: Guizhou Daziran Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: CN110991035B

Abstract

本发明公开了一种棕床垫轻量化结构的设计方法。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。采用本发明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。通过本发明设计，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。

Description

一种棕床垫轻量化结构的设计方法

技术领域

本发明涉及棕床垫设计领域，特别是一种棕床垫轻量化结构的设计方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种棕床垫轻量化结构的设计方法。采用本发明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，使棕床垫实现轻量化。通过本发明设计，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。

本发明的技术方案：一种棕床垫轻量化结构的设计方法，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。

前述的棕床垫轻量化结构的设计方法中，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结构的设计方法中，所述床垫层的厚度为10-200mm。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方法中，所述床垫层的厚度为20-150mm。

前述的棕床垫轻量化结构的设计方法中，所述床垫层的厚度为30-90mm。

前述的棕床垫轻量化结构的设计方法中，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15mm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75～85。

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方法中，所述k为77～83。

前述的棕床垫轻量化结构的设计方法中，所述k为80。

本发明的研究过程：

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按照黄、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层应力分布分析的分析可以得出，床垫弹性支撑层在受到人体重力作用时，其各层受到的应力是随着层面距离接触面越远应力越小，且应力越趋于均匀分布，相当于整个弹性支撑层的受力是一个梯度逐步变小的过程，从理论上可以假设当弹性支撑层足够厚，最后的一个应力分布应该是处于整体的均匀分布，此时的应力只需要确保床垫刚性要求的最小应力即可。同一生产工艺条件下制作出来的植物纤维床垫，主要是通过床垫的密度来确保产品的刚性，当应力要求越大，其需要相应的床垫密度越大。因此我们根据床垫的密度与需求的应力进行关联，以此建立出床垫的结构模型，如图10所示。其中，第1层的密度是最大的，随着层数的增大，密度逐渐减少，最底层的密度最小。其中，第1层的密度应该满足人体局部最大应力对应的刚度需求，而最底层必须满足人体的整体支撑刚度需求，也就是人体的平均压应力需求。

6、由于记忆棉、乳胶海绵、环保棕、剑麻、椰棕、弹纶、代棕棉、普通海绵、竹炭棉、爆破棉等弹性材料的受力情况均与本发明分析的山棕材料的受力情况相同，所以同样可以上述方法进行研究。各种弹性材料的床垫均可以根据其受力情况进行分层，每层材料所提供的支撑力符合人体在该层的平均压力即可。由于均匀的弹性材料，一定范围为都是密度越大，应力越大，所以各弹性材料制成的床垫均能够设置轻量化的分层结构。各种弹性材料的研究结果会与本发明的研究结果相似，最终也能够得到各种材料的床垫层的下挠值与该层密度的函数关系，函数公式可与本发明所提出的各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法的公式类似，而区别会在于k、x和x随挠度值的变化率的取值不同。

申请人对本发明进行了大量的实验研究，部分实验如下：

考虑到生产工艺的实施与推广使用的可行性。虽然棕床垫理论上可以分为多层进行密度梯度的设置，但实际应用中若设置层数过多会出现工艺复杂的情况，可优选将棕床垫设计为2-7层。为了检验本发明提出的轻量化结构模型，发明人制作该轻量化结构的棕床垫进行验证。

目前的植物纤维床垫同一厚度规格都是采用单一密度成型制作的，床垫的密度值是参考满足《软体家具棕纤维弹性床垫》标准要求的耐久性指标而制定的。本实验将棕床垫做了两不同密度的床垫层，形成棕床垫轻量化结构。

1.实验方法

(1)用山棕材料分别生产两个不同密度单元。生产方法包括山棕纤维加乳胶、压制成片、热压定型、硫化等工艺。按照本发明方法，k值定为85，制作总厚度为120mm的棕床垫，将其设计为上层床垫层厚30mm,下层床垫层厚90mm，按照本发明扰度值和密度值的关系，将上层床垫层的密度为120kg/m³；下层床垫层的密度为90kg/m³。

(2)两床垫层经过热压与硫化后进行组合。组合后床垫结构如图11所示。

(3)经过测试，本实验棕床垫的整体密度为94-100kg/m³之间,较现有普通床垫的整体最低密度(114kg/m³)下降接近15％。

2.实验结果与分析

(1)床垫耐久性性能测试

为有效验证床垫结构的耐久性性能，本实验主要制作了三个批次，不同综合密度的床垫规格为2000*1200*120mm样品进行实验，实验依据与方法参照GB-T26706-2011《软体家具棕纤维弹性床垫标准》的要求进行。测试结果如表1所示。

表1耐久性检测结果比对分析表

根据GB-T26706-2011《软体家具棕纤维弹性床垫标准》的指标要求，耐久性≧90％，本床垫的耐久性力学指标比较良好，满足质量要求，耐久性＞92％达到现有产品的水平。

(2)床垫静压缩性能测试

为更加科学准确的评判床垫的静压缩力学性能指标，本结构床垫的力学测试采用GB-T26706-2011《软体家具棕纤维弹性床垫标准》所要求的检测方法进行。试验数据如表2所示。

表2 GB-T 26706-2011静压缩实验数据

根据GB-T26706-2011《软体家具棕纤维弹性床垫标准》的指标要求，静压缩大于等于88％则为合格产品。本轻量化棕床垫产品静压缩指标为93％左右，不仅达到了国家标准，为合格产品，而且还达到了现有产品的水平。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过对山棕床垫的分析，发现在给床垫施加载荷后，床垫的受力变形面积距力施加面距离的增大而增大。因为人体躺在床垫上的总荷载是一定的，随着荷载往下传递，应力随着受力中心往四周扩散，所以床垫下部所受平均应力会减少。由此可知山棕材料制作的床垫下部其实不需要保持较高的支撑强度，只需要满足相应的支撑力即可。而现有的床垫都是统一密度进行生产，所以实际上在床垫下部会存在支撑力过剩的情况。通过本发明可以对山棕床垫进行分层设计，并且降低床垫下部的一部分密度，从而实现降低床垫总密度的降低，节省材料用量，节省生产成本的效果。

2、通过本发明设计的棕床垫轻量化结构，在降低棕床垫总密度的基础上，床垫仍然可以保证耐久性和静压缩指标。这些指标不仅满足国家标准，还达到了现有产品的水平。

3、本发明已经建立起了山棕床垫的下绕值和床垫设计密度之间的关系，通过本发明方法，可方便快捷的设计出符合标准的棕床垫的轻量化结构。

4、经估算，通过本发明设计的轻量化床垫的总体密度可比现有棕床垫总密度下降15％左右，总生产成本可以降低12％左右。因棕床垫是大众消费品，所以本发明市场前景良好，可以产生极高的经济效益。

综上所述：通过本发明设计，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；本发明设计的棕床垫轻量化结构，在降低棕床垫总密度的基础上，品质满足国家标准，能够达到现有产品的水准；本发明设计棕床垫的轻量化结构时，方便快捷；本发明降低现有棕床垫总密度、成本的程度大，市场潜力大。

附图说明

图1是床垫有限元网格划分图；

图2是床垫的载荷分布；

图3是不同截面沿中心线各节点的下挠值曲线图；

图4是距离上表面1cm的Mises应力云图；

图5是距离上表面3cm的Mises应力云图；

图6是距离上表面5cm的Mises应力云图；

图7是距离上表面7cm的Mises应力云图；

图8是距离上表面9cm的Mises应力云图；

图9是距离上表面11cm的Mises应力云图；

图10是轻量化床垫的结构模型；

图11是双层轻量化床垫的结构示意图。

附图中的标记为：1-床垫层A，2-床垫层B。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。对于本发明未特别注明的工艺均为本领域的普通技术。

实施例1。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，设计方法如下：

对长为2000mm、宽为1800mm和厚为120mm棕床垫进行设计。对棕床垫进行分层，将棕床垫设计为上层30mm厚，下层90mm厚的双床垫层结构。

先用ANSYS软件建立床垫的山棕材料模型。采用有限元求解的方法，用棕材料模型建立长、宽、厚对应的棕床垫模型。然后在棕床垫模型上施加人体荷载，荷载的面积为1700mm×700mm，重量为80kg；对施加人体荷载后的床垫模型做受力变形测试，得到各床垫层的下挠值，下绕值的选取点在床垫层受力中心所在平面选取，选取一距离床垫层受力中心为12mm内的挠度值作为下挠值。

最后按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，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取78；按照当x＜1时，y＝78；当1≤x＜3时，y＝78+5×(x-1)；当x≥3时，y＝98+10×(x-3)，算得：上层床垫层的密度为118kg/m³，下层床垫层的密度为89kg/m³。

即通过本发明将长为2000mm、宽为1800mm和厚为120mm棕床垫设计为了双床垫层结构。其中，上层床垫层厚30mm,密度为118kg/m³；下层床垫层的厚度为90mm,密度为89kg/m³。

实施例2。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心15mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取80。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为1800mm、宽为1600mm和厚为120mm的棕床垫设计为三层床垫层的结构。其中，上层床垫层的厚度为20mm,密度为121kg/m³；中层床垫层的厚度为30mm，密度为92kg/m³；下层床垫层的厚度为70mm，密度为87kg/m³。

实施例3。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心10mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取85。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为150mm的棕床垫设计为三层床垫层的结构。其中，上层床垫层的厚度为30mm,密度为124kg/m³；中层床垫层的厚度为30mm，密度为101kg/m³；下层床垫层的厚度为90mm，密度为89kg/m³。

实施例4。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心8mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取75。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为200mm的棕床垫设计为三层床垫层的结构。其中，上层床垫层的厚度为30mm,密度为117kg/m³；中层床垫层的厚度为40mm，密度为92kg/m³；下层床垫层的厚度为130mm，密度为84kg/m³。

实施例5。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心2mm的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取80。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为180mm的棕床垫设计为双层床垫层的结构。其中，上层床垫层的厚度为60mm,密度为113kg/m³；下层床垫层的厚度为120mm，密度为85kg/m³。

实施例6。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1800mm×800mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心6mm内的一挠度值作为下挠值。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心的挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取79。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为150mm的棕床垫设计为双层床垫层的结构。其中，上层床垫层的厚度为40mm,密度为115kg/m³；下层床垫层的厚度为110mm，密度为88kg/m³。

实施例7。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1750mm×800mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心4mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取83。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为160mm的棕床垫设计为三层床垫层的结构。其中，上层床垫层的厚度为50mm,密度为114kg/m³；中层床垫层的厚度为50mm，密度为109kg/m³，下层床垫层的厚度为60mm，密度为86kg/m³。

实施例8。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1750mm×700mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心3mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取82。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为200mm的棕床垫设计为四层床垫层的结构。其中，从上至下第一层床垫层的厚度为设计为30mm,密度为117kg/m³；第二层床垫层的厚度为30mm，密度为109kg/m³；第三层床垫层的厚度为30mm，密度为100kg/m³；第四层床垫层的厚度为110mm，密度为85kg/m³。

实施例9。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1750mm×700mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心7mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取80。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为240mm的棕床垫设计为五层床垫层的结构。其中，从上至下第一层床垫层的厚度为设计为40mm,密度为116kg/m³；第二层床垫层的厚度为40mm，密度为108kg/m³；第三层床垫层的厚度为40mm，密度为98kg/m³；第四层床垫层的厚度为40mm，密度为90kg/m³；第五层床垫层的厚度为80mm，密度为82kg/m³。

实施例10。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1700mm×700mm，重量为85kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心8mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取77。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为260mm的棕床垫设计为五层床垫层的结构。其中，从上至下第一层床垫层的厚度为设计为30mm,密度为114kg/m³；第二层床垫层的厚度为40mm，密度为106kg/m³；第三层床垫层的厚度为50mm，密度为94kg/m³；第四层床垫层的厚度为60mm，密度为84kg/m³；第五层床垫层的厚度为80mm，密度为82kg/m³。

实施例11。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1700mm×700mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心10mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取79。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为300mm的棕床垫设计为六层床垫层的结构。其中，从上至下第一层床垫层的厚度为设计为40mm,密度为118kg/m³；第二层床垫层的厚度为40mm，密度为112kg/m³；第三层床垫层的厚度为40mm，密度为104kg/m³；第四层床垫层的厚度为40mm，密度为93kg/m³；第五层床垫层的厚度为40mm，密度为87kg/m³；第六层床垫层的厚度为100mm，密度为84kg/m³。

实施例12。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1700mm×800mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心10mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取81。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为300mm的棕床垫设计为六层床垫层的结构。其中，从上至下第一层床垫层的厚度为设计为50mm,密度为120kg/m³；第二层床垫层的厚度为50mm，密度为112kg/m³；第三层床垫层的厚度为50mm，密度为103kg/m³；第四层床垫层的厚度为50mm，密度为96kg/m³；第五层床垫层的厚度为50mm，密度为87kg/m³；第六层床垫层的厚度为50mm，密度为84kg/m³。

实施例13。一种棕床垫轻量化结构的设计方法，本实施例的模型建立方法和受力变形测试方法同实施例1，人体载荷的施加面积为1700mm×800mm，重量为90kg。各床垫层的下绕值在床垫层受力中心所在平面选取，选取距离床垫层受力中心11mm内的一挠度值作为下挠值。用各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法时，k值取82。按照各床垫层的挠度值对该层密度进行设定方法，算出各床垫层的设计密度。本实施例将长为2000mm、宽为1800mm和厚为300mm的棕床垫设计为七层床垫层的结构。其中，从上至下第一层床垫层的厚度为设计为40mm,密度为121kg/m³；第二层床垫层的厚度为40mm，密度为113kg/m³；第三层床垫层的厚度为40mm，密度为103kg/m³；第四层床垫层的厚度为40mm，密度为100kg/m³；第五层床垫层的厚度为40mm，密度为94kg/m³；第六层床垫层的厚度为50mm，密度为89kg/m³；第七层床垫层的厚度为50mm，密度为83kg/m³。

Claims

1.一种棕床垫轻量化结构的设计方法，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。

2.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：所述床垫层的厚度为10-200mm。

3.根据权利要求2所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：所述床垫层的厚度为20-150mm。

4.根据权利要求3所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：所述床垫层的厚度为30-120mm。

5.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，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，以受力中心为圆形设定半径为15mm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。

6.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：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75～85；

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)。

8.根据权利要求7所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：所述k为77～83。

9.根据权利要求8所述的棕床垫轻量化结构的设计方法，其特征在于：所述k为80。