聚烯烃弹性体的力学性能及对床垫体压分布的影响

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.004

中国塑料 ›› 2023, Vol. 37 ›› Issue (11): 24-34.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2023.11.004

聚烯烃弹性体的力学性能及对床垫体压分布的影响

潘宏阳¹(), 陈宗勇², 廖廷茂², 袁鸿¹^,³()

^1.暨南大学重大工程灾害与控制教育部重点实验室，应用力学研究所，广州 510632
^2.大自然科技股份有限公司，贵阳 550000
^3.广州理工学院建筑工程学院，广州 510540

收稿日期:2023-04-25 出版日期:2023-11-26 发布日期:2023-11-22
通讯作者: 袁鸿（1963—），男，教授，主要从事弹塑性力学、复合材料断裂力学、复合材料结构检测与补强加固、仪器仪表元件研究，tyuanhong@jnu.edu.cn
E-mail:13383933434@163.com;tyuanhong@jnu.edu.cn
作者简介:潘宏阳（1998—），男，硕士研究生，从事复合材料结构分析与损伤诊断研究，13383933434@163.com

Mechanical properties of polyolefin elastomer and its effect on pressure distribution of mattress body

PAN Hongyang¹(), CHEN Zongyong², LIAO Tingmao², YUAN Hong¹^,³()

^1.Institute of Applied Mechanics，MOE Key Laboratory of Disaster Forecast and Control in Engineering，Jinan University，Guangzhou 510632，China
^2.Vonature Co，Ltd，Guiyang 550000，China
^3.School of Architectural Engineering，Guangzhou Institute of Science and Technology，Guangzhou 510540，China

Received:2023-04-25 Online:2023-11-26 Published:2023-11-22
Contact: YUAN Hong E-mail:13383933434@163.com;tyuanhong@jnu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

选择聚烯烃弹性体（POE）作为床垫的芯层材料，通过对POE试件进行静力学测试和疲劳耐久性测试，比较分析各试件的加载变形曲线，探讨POE的抗疲劳压缩性能、支撑性能影响因素。同时，选择二阶Ogden模型和三参数Mooney⁃Rivlin模型表征POE的非线性力学行为，简化人⁃床界面接触过程，利用有限元评估出POE床垫的减压性能。结果表明：POE的厚度、硬度损失两者之间无明显的几何关系，并未随着密度的增大显著增大，密度对最小静态缓冲系数影响不大；POE压缩系数大于2.8，硬度压力值达到0.77 N/cm²，满足不同重量的人对床垫材料的支撑要求；二阶Ogden模型和三参数Mooney⁃Rivlin模型具备预测POE材料大变形的能力，但三参数Mooney⁃Rivlin模型在描述小变形范围内存在不足；2种密度的POE床垫较于乳胶/山棕床垫应力传导均匀、层次分明，峰值压力减压百分比最高达94.11 %、94.23 %，足以满足日常生产生活的需要。

关键词: 聚烯烃弹性体, 力学性能, 超弹性模型, 有限元仿真, 减压性能

Abstract:

In this paper， polyolefin elastomer （POE） was selected as the core material for the mattress. Through the static and fatigue durability tests towards POE specimens， the loading deformation curves of each specimen were compared and analyzed， and the influencing factors of POE on their anti⁃fatigue compression and support performance were discussed. Meanwhile， the nonlinear mechanical behavior of POE was characterized by choosing the 2nd⁃order Ogden model and the 3rd⁃parameter Mooney⁃Rivlin model to simplify the human⁃bed interface contact process. The pressure⁃reducing performance of the POE mattress was evaluated through finite elements. The results indicated that there was no apparent geometric relationship between the thickness and hardness loss of POE， which seems not to increase significantly with an increase in the density. The density had little effect on the minimum static buffer coefficient. The compression coefficient of POE was greater than 2.8， and the hardness pressure reached 0.77 N/cm². These results can meet the support requirements of people with different weights for mattress materials. The 2nd⁃order Ogden model and the 3⁃parameter Mooney⁃Rivlin model have an ability to predict the large deformation of POE materials. However， the 3⁃parameter Mooney⁃Rivlin model is insufficient in describing the small deformation range. The POE mattress with two densities was more uniform and hierarchical in stress transmission than the natural latex/palm fiber mattress. The peak pressure decompression percentage was as high as 94.11 % and 94.23 %， which was enough to meet the requirement of daily production and life.

Key words: polyolefin elastomer, mechanical property, hyperelastic model, finite element simulation, decompression performance

中图分类号:

TQ325.1

潘宏阳, 陈宗勇, 廖廷茂, 袁鸿. 聚烯烃弹性体的力学性能及对床垫体压分布的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 24-34.

PAN Hongyang, CHEN Zongyong, LIAO Tingmao, YUAN Hong. Mechanical properties of polyolefin elastomer and its effect on pressure distribution of mattress body[J]. China Plastics, 2023, 37(11): 24-34.

图/表 17

图1 MTS831.10材料试验机

Fig.1 MTS 831.10 material testing machine

POE试件	C⁃1	C⁃2	C⁃3	平均值	标准差
低密度	73.56	73.62	73.64	73.61	0.04
高密度	75.30	77.76	76.28	77.11	1.59

表1 2种密度的POE试件统计表 (kg·m-3)

Tab.1 Statistical table of POE specimens of two densities kg·m-3

试件编号	质量/g	密度/kg·m^-3	d₁-d₂/mm	$Δ d$ /%	H₁/N	H₂/N	$Δ H$ /%
D1⁃1	526.38	72.91	5.67	11.34	442.59	142.03	67.91
D1⁃2	524.97	72.71	7.62	15.24	299.13	129.32	56.77
平均值	525.68	72.81	6.65	13.29	370.86	135.68	62.34
标准差	1.00	0.14	1.38	2.76	101.44	8.99	7.88
D2⁃1	574.91	79.63	6.78	13.56	377.97	123.04	67.45
D2⁃2	584.25	80.92	5.63	11.26	396.15	159.76	59.67
D2⁃3	579.39	80.25	5.61	11.22	407.08	161.19	60.40
平均值	579.52	80.27	6.01	12.01	393.73	148.00	62.51
标准差	4.67	0.65	0.67	1.34	14.70	21.62	4.30

试件编号	质量/g	密度/kg·m^-3	d₁-d₂/mm	$Δ d$ /%	H₁/N	H₂/N	$Δ H$ /%
D1⁃1	526.38	72.91	5.67	11.34	442.59	142.03	67.91
D1⁃2	524.97	72.71	7.62	15.24	299.13	129.32	56.77
平均值	525.68	72.81	6.65	13.29	370.86	135.68	62.34
标准差	1.00	0.14	1.38	2.76	101.44	8.99	7.88
D2⁃1	574.91	79.63	6.78	13.56	377.97	123.04	67.45
D2⁃2	584.25	80.92	5.63	11.26	396.15	159.76	59.67
D2⁃3	579.39	80.25	5.61	11.22	407.08	161.19	60.40
平均值	579.52	80.27	6.01	12.01	393.73	148.00	62.51
标准差	4.67	0.65	0.67	1.34	14.70	21.62	4.30

表 2 不同密度的POE在疲劳实验下的厚度和硬度损失百分数

Tab.2 Thickness and hardness loss percentage of POE with different density under fatigue test

表 2 不同密度的POE在疲劳实验下的厚度和硬度损失百分数

Tab.2 Thickness and hardness loss percentage of POE with different density under fatigue test

图2 HC硬度测试力⁃位移曲线

Fig.2 Force⁃displacement curves of the HC hardness test

样品编号	M_n	S_f	HA_{40 %/30 s}/N	HB_{40 %/0 s}/N	HC_{25 %/30 s}/N	HC_{40 %/30 s}/N	HC_{65 %/30 s}/N
D1⁃1	13.13	3.36	292.06	313.25	257.85	381.94	825.65
D1⁃2	13.05	4.19	312.96	335.05	243.09	365.98	849.16
D1⁃3	13.44	3.86	320.55	346.49	273.96	424.39	931.39
D2⁃1	13.66	3.46	454.50	492.16	402.12	595.66	1 377.76
D2⁃2	13.39	3.40	502.48	542.12	447.57	662.68	1 414.88
D2⁃3	11.30	3.29	411.52	443.06	361.63	559.22	1 176.62

表 3 POE的力学性能

Tab.3 Mechanical properties of the POEs

图3 POE的静态缓冲曲线

Fig.3 Static buffer curves of the POEs

图4 POE平均应力⁃应变曲线图

Fig.4 POE mean stress⁃strain curve

图5 Mooney⁃Rivlin模型拟合结果与实验数据对比

Fig.5 Comparison of Mooney⁃Rivlin model fitting results with experimental data

图6 Ogden模型拟合结果与实验数据对比

Fig.6 Comparison of Ogden model fitting results with experimental data

图7 Yeoh模型拟合结果与实验数据对比

Fig.7 Comparison of Yeoh model fitting results with experimental data

超弹性模型	Mooney⁃Rivlin（三参数）				Ogden（N=2）					Yeoh（N=3）
拟合参数	C₁₀	C₀₁	C₁₁	R²	u₁	α₁	u₂	α₂	R²	C₁₀	C₂₀	C₃₀	R²
低密度试件	7 051.0	-3 126.0	253.0	0.980 8	10 200.0	7.05	9 743.0	-3.55	0.999 2	3 067.0	-1 169.0	235.7	0.973 3
高密度试件	9 830.0	-4 264.0	344.8	0.988 1	13 950.0	6.36	13 140.0	-3.21	0.999 8	4 408.0	-1 609.0	324.0	0.982 4

表4 超弹性本构模型拟合参数

Tab.4 Fitting coefficient of the hyperelastic constitutive model

图8 POE有限元模型

Fig.8 POE finite element model

图9 实验数据与有限元结果对比

Fig.9 Comparison of finite element result and experiment data

图10 简化人⁃床界面接触模型

Fig.10 Simplified human⁃bed interface contact model

材料

E_z/

MPa

υ_z

E_xy/

MPa

υ_xy

MPa

ρ/

kg·m^-3

表 5 乳胶/山棕的有限元模型参数

Tab.5 Finite element model parameters of the natural latex/palm fiber

图11 乳胶/山棕床垫仿真云图

Fig.11 Simulation cloud map of the natural latex/palm fiber mattress

超弹性模型	低密度试件		高密度试件
超弹性模型	体压分布	定向变形	体压分布	定向变形
三参数Mooney⁃Rivlin模型
二阶Ogden模型

表 6 POE试件2种超弹性模型的有限元仿真结果

Tab.6 Finite element simulation results of two hyperelastic models of the POE specimens

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聚烯烃弹性体的力学性能及对床垫体压分布的影响

Mechanical properties of polyolefin elastomer and its effect on pressure distribution of mattress body

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图/表 17

参考文献 42

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