王悦 申黎明 房娇娇
摘 要：床垫舒适性的高低取决于床垫材料的选取及床垫材料的组合构成，材料力学性能对床垫的质量及舒适性有至关重要的影响。本文选择6种典型的床垫材料，利用万能力学试验机和材料反复压缩试验机，对不同种类和密度的床垫材料进行准静态和动态环境下的力学压缩，进行卸载和疲劳测试实验，通过结果分析得出各种材料的弹性模量、抗压强度、疲劳性、滞后性等材料力学性能方面的参数。研究表明，不同材料的参数值差异大，相同种类不同密度的材料之间有一定的变化规律。在探索出材料本身的力学性能之后，本文将这些参数应用到床垫结构设计中，设计出几款力学性能佳的床垫结构。
关键词：床垫材料;力学性能;床垫结构设计
家具是和人的生活息息相关的物件，在众多家具中，床是与人接触时间最长的家具。床的好坏直接影响我们睡眠质量的高低。床作为人睡眠的载体，毋庸置疑成为了至关重要的环节。
目前市场上的床垫主要有弹簧床垫、棕榈床垫、乳胶床垫、记忆棉床垫、水床垫、充气床垫等，其中弹簧床垫所占市场份额最大。[1]床垫的基础，首先是材料的选择。国内外对床垫材料的研究主要集中在两方面，一是将生态材料以多种形态应用于床垫以提高其舒适性的研究，二是材料组成的床垫结构对床垫舒适性的影响研究。[2]
生态材料有环保、经济等优势，主要集中在对棕榈、乳胶、竹材等材料的使用。2018年刘鑫研究了棕榈纤维与床垫力学性能之间的关系。[3]蔺秀媛在2019年研究了多功能卧具的制作首选木、竹材料。[4]除了生态材料，在床垫材料中，海绵、弹簧、记忆棉、波形棉等材料也拥有极高的使用频率。海绵床垫和弹簧床垫是市面上最常见的床垫类型。随着人们对睡眠的重视，床垫材料也在不断开发出新，空气纤维作为近期新出现的床垫材料，以其环保、力学性能优异逐步走进人们的视线;赵欢在2019年研究了空气纤维材料运用在床垫中对人体热舒适性的影响。[5]
材料组成的床垫结构对床垫舒适性的影响是在材料的基础上，对床垫进行进一步的结构设计，所选取的材料如何搭配才能构成最舒适的床垫。通常可以将人体体压分布、脊柱形态、热舒适性及主观感受作为判断床垫舒适性的标准。徐伟在2018年指出了不同海绵的组合方式对人舒适度的影响。[6]李慧和于娜在2019年研究了垫性特征在婴幼儿床垫中的影响。[7]
床垫力学性能达标与否是影响家具使用寿命和安全性的重要因素。[8]为了更好地研究床垫材料的力学性能，本项研究选择6种典型的床垫材料：海绵、弹簧、记忆棉、乳胶、波形棉及空气纤维。通过材料压缩卸载实验，得到不同床垫材料的压缩卸载数据，并分别绘出应力应变曲线，对比分析空气纤维与其他材料之间压缩与回弹性能的差异。在实验室材料允许的情况下，选择个别材料的不同密度进行实验，通过对不同密度的空气纤维材料的压缩实验，得出其力学性能随密度变化的规律，为最后床垫结构设计、优化和改善提供了实验依据。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
（1）材料种类：空气纤维、弹簧、普通海绵、乳胶棉、波形棉、记忆棉、凝胶记忆棉。
（2）材料规格与数量：将不同材料的原材料（除弹簧）切割成长8cm、宽8cm、高6cm的长方体，不同材料不同密度分别准备5个样品。其中空气纤维材料有3种不同的密度，海绵有4种密度，其他材料密度各1种。弹簧材料规格有3种，高为178cm、内径为6cm、6圈，而线径分别为2.2mm、2.0mm、1.8mm。材料如图1所示：
1.2 实验方法与设备
1.2.1 准静态压缩实验
将所有的材料在万能力学实验机上进行准静态的压缩和卸载实验。单向压缩可以得出材料的压缩系数、压痕硬度、抗压强度、弹性模量等参数;压缩及卸载双向实验可以得到材料的闭合曲线，得出材料的滞后性能。
1.2.2 动态压缩疲劳实验
静态压缩实验结束之后，将所有床垫材料进行不可逆转的动态疲劳实验， 通过疲劳测试机（如图2所示），采用恒定负荷的方式对材料进行反复25000次压缩，实验频率为60次/min。材料的力学性能随压缩次数的增多而变化，然后对比材料实验前后的力学性能，从而了解不同床垫材料的动态疲劳性能。
2 实验结果与分析
2.1 准静态压缩实验下材料应力应变图趋势分析
将实验结果载荷位移图计算转化为应力应变图，计算出抗压强度和杨氏模量。
如图所示，图3为4种密度海绵的应力应变图，图4为3种密度空气纤维的应力应变。可以看出，二者有共同的趨势，同时又有不同的变化。
相同的是整段曲线都有3段趋势，第一阶段为弹性阶段，材料受到压缩载荷，材料的力学性能表现出典型的线性弹性;第二阶段中材料进入屈服阶段，材料的应变速率加快，大于应力速率;第三阶段是材料被压缩后的强化阶段，即使应变增加很小的量，应力也急剧增加。
二者不同的是，海绵材料的三段趋势表现很明显，而空气纤维材料整体趋势更为圆滑，没有明显的转折点。
图5是乳胶、记忆棉和波形棉的应力应变曲线，其中记忆棉的应力应变曲线与普通海绵相似，三段趋势明显，但是压痕硬度、抗压强度及弹性模量都比海绵低;乳胶的应力应变曲线几乎没有三段之分，没有明显的抗压强度的点，曲线趋于平缓，抗压性好。由此可见，空气纤维材料与乳胶在应力应变趋势上非常相似，波形棉自身由于分为两大块，上部分为波形，下部分为普通海绵，所以应力应变趋势很独特，有两个波形趋势。
图6是弹簧应力应变图，由图可知，前面很小的部分是弹簧外部的布袋所致，可忽略不计，后面的趋势是一条直线，与其他材料的曲线不同，弹簧全程符合胡克定律;弹簧的线径越大，弹簧的压痕硬度、弹性模量越大。
2.2 定量化表征材料的力学性能
材料性能定量化表征是用具体数值或一个区域的数值代表材料不同性能的指标，数值的不同代表床垫材料性能的不同，优越于采用模糊词语的定性化表征。[9]
IOS2439-2008 Standard国际标准中规定了柔性多孔材料压痕硬度A、压缩变形系数B和滞后损失率C的测试方法。
压痕硬度A：将材料小样用力学实验机进行压缩，压缩达到总厚度的40%，保持这个位置（30±1）s，记录此时的力度，该数值为压痕硬度。
压缩变形系数B：将材料小样用力学实验机进行压缩，压缩达到总厚度的70%，达到此厚度后，释放载荷，压缩变形系数S为压缩量达到65%和25%时所对应的力值之比。
滞后损失率C：将材料小样用力学实验机进行压缩，压缩达到总厚度的75%，达到此厚度后，以相同的速率释放载荷，并完成整个压陷曲线。滞后损失率A是面积A1和A2之比，其中 A1 为加载曲线与卸载曲线之间的面积，A2 为加载曲线与 x 轴之间的面积。
由表1和前面的圖3可知，随着海绵密度的增大，压缩总高度的25%和40%（压痕硬度）对应的力值及抗压强度都随之增大，但弹性模量和压缩系数与密度并没有线性关系。
空气纤维材料的压痕硬度、压缩变形系数、弹性模量及抗压强度都与密度相关，随着密度的增加，4个参数值逐步增大。这说明空气纤维比海绵的力学性能更稳定。空气纤维的弹性模量为0.1～0.6，随着密度的增加，弹性模量增加，并具有一定的线性相关性。抗压强度为材料应力应变图中第一阶段与第二阶段的转折点，也就是材料的屈服点。由表1和图5可以看出，随着密度的增加，转折点所对应的力值增大，因此抗压强度随密度的增加而增大。
乳胶、记忆和波形棉的压痕硬度和弹性模量相对于其他材料都偏小，乳胶和波形棉的压缩系数较大。
弹簧与其他材料的应力应变图相差很大，由于弹簧压缩全程符合胡克定律，所以整体为直线无曲折。弹簧的压痕硬度、弹性模量随密度的增大而增大。
所有材料中，压痕硬度和弹性模量最大的都为线径为2.2mm的弹簧，压痕硬度和弹性模量最小的为波形棉。
疲劳率指材料在进行疲劳实验后对应材料的原始高度的40%的力值与实验前对应材料高度的40%的力值之比，因此，材料的疲劳率越高，材料的抗疲劳性越好。由表2可知，随着海绵密度增大，疲劳率变小，抗疲劳性降低;而空气纤维材料恰恰相反，随着密度增大，疲劳率上升，抗疲劳性越好。宏观来看，空气纤维的疲劳率大于海绵的疲劳率，因此，空气纤维的抗压次数能力更强;乳胶和记忆棉的疲劳率几乎接近100%，可见二者的抗压次数能力最强、抗疲劳性最好。
滞后率为材料压陷和卸载曲线之间的面积，因此滞后率越大，材料的吸能越大，人体在此材料上翻身转动所需的能量越多。从表2可以看出，空气纤维的滞后率小于普通海绵的滞后率，当空气纤维密度为57.92Kg/m3时，滞后率最大，而密度更大和更小的空气纤维的滞后率较小。因此，处于中间密度的空气纤维的滞后率大于其他密度的空气纤维的滞后率。为了验证这一观点，实验后期加大了密度范围，计算空气纤维的滞后率，结果与之前的实验得到的结果相一致，中密度的空气纤维材料滞后率最大。综合表2可以得出，乳胶的滞后率是所有材料中最低的，因此翻身所需能量最小。
3 床垫材料力学性能在床垫设计中的应用
本文通过实验充分了解了床垫材料的力学性能，为床垫结构设计奠定了基础。从前文可以看出，不同材料的力学性能之间的差距很大，在床垫设计中，应根据不同的需求挑选材料。
3.1 床垫的构成
如图7所示，床垫结构分为三部分，最下部分的支撑层、中间的铺垫层及最上部分与人体接触的最薄的面料层。由于面料层质薄，所以暂不考虑其力学因素。中间层称为铺垫层，要求硬度适中，这一层直接影响卧姿，太软和太硬均会给使用者的身体造成不良影响。[10]床垫的铺垫层是与人体更近一步接触的材料，因此其滞后性显得格外重要，减少翻动身体所需的能量。除此之外，还需要考虑疲劳性。床垫支撑层是床垫下部分，是支撑整个床垫的基础，市面上基本以弹簧为主，棕榈、高密度空气纤维等其他材料在符合条件下亦可作为支撑层，这一层需要选择疲劳性好、弹性模量高及力学性能稳定的材料。
3.2 材料的选择及结构设计
在了解了床垫构成要求及材料力学性能后，我们可以根据床垫不同部分的材料要求，对应力学实验结果进行选择。
在选择铺垫层材料时，首要考虑滞后率，在此基础上再进行对比选择硬度适中的材料。对照表一和表二，乳胶、低密度的空气纤维及普通海绵都适合作为铺垫层材料，可以单一材料作为铺垫层，也可两种材料叠加组成铺垫层。
从应力应变图可以看出，市面上最广泛出现的弹簧床垫的支撑层弹簧的力学性能很稳定，因此弹簧是支撑层的好材料，除了弹簧之外，高密度的空气纤维材料的疲劳率、弹性模量及抗压强度综合水平高，亦可作为床垫的支撑层。
综合以上因素，床垫结构设计可以参考表3中的几种设计方案。
表3中的4款床垫的结构是根据材料力学性能及床垫各结构的材料要求而设计的。乳胶材料滞后率和损失率最好，因此作为铺垫层最上一层的材料;低密度空气纤维和低密度海绵可以与乳胶叠加成为铺垫层;支撑层除了弹簧以外，创新应用了高密度的空气纤维材料，其力学性能稳定，各种参数较佳，可以作为支撑层的材料。
参考文献：
[1] 刘雪梅，邓背阶，闫丹婷.我国床的分类探讨[J].家具与室内装饰，2006（10）：26-28.
[2] 李莉.层状结构材料对弹簧床垫舒适性影响研究[D].南京林业大学，2009：4.
[3] 刘鑫，吴智慧，张继雷.床垫用棕榈纤维形态分类研究[J].安徽农业大学学报，2018，45（02）：378-384.
[4] 蔺秀媛，闫小星，尹太玉.多功能卧具设计分析[J].艺术科技，2019，32（07）：33+35.
[5] 赵欢，申黎明.空气纤维材料床垫对人-床界面温度及人体热舒适的影响[J].家具，2019，40（04）：103-108.
[6] 徐伟，程洛林，杨国庆，方露，于娜，王继青，黄琼涛.海绵密度对沙发坐垫舒适性影响分析[J].家具，2018，39（04）：17-21+46.
[7] 李慧，于娜，徐莲梅，李红霞，李倩倩，徐坚宁.人体工程学在婴幼儿床垫设计中的应用[J].家具，2019，40（02）：99-102.
[8] 李爽，徐伟，黄琼涛.基于有限元分析法的家具力学特性研究现状与展望[J].家具与室内装饰，2019（03）：12-13.
[9] 赵磊.丝瓜络床垫性能的研究[D].安徽农业大学，2015：37.
[10] 刘科.竹丝床垫设计与制造研究[D].中南林业科技大学，2014：12.
作者简介：王悦（1995—），女，安徽芜湖人，南京林业大学2017级硕士，研究方向：家具设计。
申黎明（1960—），男，教授，研究方向：家具设计和人体工程学。
房娇娇（1994—），女，博士，研究方向：家具与人体工程学。
