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分析防烫防滑陶瓷碗具设计中的力学应用
摘要：陶瓷碗在进行创新设计中兼顾力学分析的应用，使陶瓷碗防烫防滑的同时更具有艺术性。首先将被试者使用陶瓷碗具时的指腹压力使用传感器进行测量与统计，对手部与碗壁的接触点采取受力分析，从而得出防烫材料摩擦系数的模糊确定值，再通过人机工程学尺寸百分位进行计算，得出符合人手型的碗套尺寸｡最后通过相关试验验证并采用计算机三维建模､力学分析进一步将方案进行优化；旨在为设计具有创新设计的防烫防滑的陶瓷碗提供参考。
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近年来随着对产品安全性的普遍关注,人们对碗具的材质要求也越来越高,陶瓷因为其对人体危害最小而成为人们购买碗具的首选｡然而事物的存在总是两面性的,陶瓷也不例外｡陶瓷碗具在使用中存在着防烫和防滑两大问题亟待解决｡
陶瓷碗具的防烫问题最重要的就是陶瓷隔热材料问题｡对陶瓷材料的隔热性能研究由来已久,国内外对其已进行了大量的研究｡Nait-Ali等[1]通过实验分析了微结构因素对陶瓷导热系数的影响;Schlichting等[2]研究并制备了孔隙隔热陶瓷;杨春艳等[3]对多孔隔热陶瓷进行了实践应用,但目前对多孔隔热陶瓷的应用控制并不完善,且汪长安等[4]研究认为孔隙陶瓷的隔热性能提高的同时,却降低了材料的力学性能｡马一平等[5]研究出了隔热涂层涂料,但其具有一定不足和缺陷｡徐庭等[6]研究出纳米SiO2多孔隔热陶瓷,虽然具有热导率低､轻质､孔隙率高､力学性能好等优点,但目前还未能实现产业化,而且成本高昂｡而对陶瓷碗具的防滑问题,目前除了碗具厂家间接实践性研究之外,针对性的基础专业性研究尚处于空白阶段｡
基于以上内容,设计出既隔热又经济实用的防烫防滑陶瓷碗具已恰逢其时｡从力学分析的角度入手,在传统陶瓷碗具的基础上进行创新设计,以人的生理层面为出发点,建立“人与陶瓷产品”的和谐关系[7],在解决防烫防滑这两大问题的同时使陶瓷碗具集观赏性､实用性于一体,使陶瓷碗具朝着满足用户多层次的需求这一方向发展[8]｡通过本研究与设计,为当下及未来的防烫防滑陶瓷碗具设计与制作提供有价值､创新性的方法与思路｡
1、陶瓷碗具使用分析
1.1 陶瓷碗具
袁枚曾在枟随园食单·须知枠中记有名句曰:“美食不如美器”,认为餐具的重要性更胜于食物本身,以强调餐具设计的重要性[9]｡陶瓷餐具具有材质柔和､成分健康等优点,深受使用者喜爱[10]｡但同时也伴随着易碎跌落､餐具过烫的问题,使得常在烹饪或进餐时由于陶瓷餐具温度过高,而导致拿取不便,通常人们会使用手套或其他隔热材料夹持餐具,达到拿取餐具的目的｡由此可见探寻一种防烫防滑的陶瓷碗具已经成为陶瓷餐具设计的重要问题,一个合理的防烫防滑陶瓷碗具不仅方便使用者,同时也能让陶瓷产业得以更好地发展｡
1.2 使用陶瓷碗手部姿势分析
每件物品都与使用者存在着各种各样的交互关系,不同的饮食器具需要不同的手部姿势完成,这是由饮食器具的规格大小及其形态所制约的｡例如的围合形态,运用五指指肚的夹力和手掌心来撑住物体[图1(a)]｡这种姿势下指腹与器物间呈小面积的散点状接触,由于指腹处散布的神经触点最多,因而指腹处的触觉最为敏感[11]｡这也就是为什么在用手托碗时指腹烫感比手掌更强烈｡再如“端姿”要用龙含珠的姿势,四指托碗底,拇指扣碗边,端碗时,大拇指扣住碗口,食指､中指､无名指扣碗底,手心空着[图1(b)]｡
在讨论手与陶瓷碗的关系中,如图1,手处于相对静止的托､端物状态,参考关于碗这种饮食器具的特殊性及调研分析,笔者根据手与陶瓷碗具的关系把手的姿势分为单手情况下的托和端｡结合两种手部姿势分析,设计出适合大部分人群使用且具有观赏性质的防烫防滑陶瓷碗具,是本课题的目的所在
1.3 使用时手部接触点分析
一个好的饮用器皿需要考虑到与手相关的这些因素:手与器皿接触时手的形态､手对器皿的触感体验､器皿对手的压觉等,每一项在饮用器皿的设计中都不应该被忽略[12]｡如图2所示,在用“托”手部姿势使用陶瓷碗时,主要的接触点有指腹和手掌中的肌肉｡其中起到支撑力的有指腹､蚯状肌､小拇指展肌､拇指展肌,如图2所示｡在用“端”手部姿势使用陶瓷碗时,主要的接触点有拇指和指腹和整个手掌｡这就要求在后期设计时应主要从碗的底部以及碗壁来考虑｡
2、实验设计
2.1 实验内容
2.1.1 手指腹碗壁受力实验
目的是分析被试者与陶瓷碗具作用时手所受到的压强､压力｡通过此次实验,测量被测者的客观手部生理数据,定量分析以判定被测者手指对陶瓷碗壁的压力｡为了方便观察手的动态特征,实验采用与陶瓷碗具大小一致净重210g的透明玻璃碗,为使实验数据更贴合实际状况,模拟人承受该实验碗的最大重力,给其碗内加满一定量的水,约420g｡
2.1.2 实验设备(图3)
试验在人机实验室进行,室内温度适宜,无杂音干扰｡实验采用德国传感器设备novelpliance,包括数据采集软件Pliance-x16和传感器设备S2005—90､S2005—91､S2005—92､S2005—93,如图3｡
2.1.3 实验对象
被试对象共10人,大学及以上学历,其中男女各5名｡平均年龄22.43岁,以左手为主要测量对象,实验对象手部均正常无病史｡
2.1.4 实验表征
整个实验过程需要大约15min,包括实验前期准备实验讲解､设备调试､实验后被试者问卷填写和访谈2min｡记录每个被试者每个手指10s内的压力和压强,测三组,求得每个被试者每个手指10s内的压力､压强平均值｡实验步骤如下:①为减少实验误差,增加测试的精准性,实验前由实验人员向被试者说明实验中的注意事项､实验要求和实验目的;②调整被试手部姿势,使其达到最舒适的状态;③开始记录时告知实验者10s内保持不动,防止三组数据偏差过大影响实验结果;④调试程序,减少误差｡
2.2 实验结果
分别统计10名被测人员在实验过程中手指压力的变化,实验次数均为3次,以10s为统计单位,时间太长易造成被试的手部疲劳,时间太短则难以判定手部的平均压力｡为消除每组实验的相互干扰,在每组实验切换中设定有短暂的舒缓过渡,为30s｡要求被试者选择最舒适的拿碗姿势,在实验将被试者编号为01~10,分别统计10名被试者对碗壁的压力,测量统计值见表1､表2｡为获取各指接触面积,用涂满绿色颜料的手指在放松状态下握碗,对数据进行数理统计后,得出不同被试者对碗壁接触面积的数值范围,如图5｡
将各指腹接触面积记为S1､S2､S3､S4､S5指腹面积可看做椭圆形,用a表示椭圆长半轴的长,用b表示短半轴的长,运用式(1)得到各手指接触面积｡研究数据见表2:式(1)中:La表示测量长半轴距离;Lb表示测量短半轴距离;Ld测量碗直径;d表示碗直径｡2.3结果分析应用人体测量学理论,将原始数据进行统计处理,运用式(2),得到各测量数据的尺寸百分位数式(2)中:d表示百分位数Xp所在的位次;[d]表示取d得整数部分;X[d]､X[d+1]分别表示位次为[d]､[d+1]上的观察值｡通过计算先得出各指三次实验下对碗壁压力的平均值,再对十个被试的实验数据进行从小到大依次排序,以此为手指对碗壁的摩擦系数提供计算依据｡根据人机工程学中的人体尺寸百分位选择类型,采用第5百分位压力数值作为上限参考依据,采用第95百分位压力数值作为下限参考依据,得出各指对碗壁压力数值范围研究数据表3､各指腹接触面积范围分别见表4｡
3、方案设计
3.1 触面防滑性分析
从微观力学角度来讲,摩擦是两物质接触面分子间相互作用,在切向外力作用下产生剪切和分离的过程｡接触面的正压力､接触面积都会对摩擦力产生影响[13]｡为了增大指腹与陶瓷碗壁的摩擦力,减少陶瓷碗滑落跌碎的几率,考虑结合跨界材料进行防滑设计,跨界材料指按外观需求､功能需求等设计需要而融入或嫁接到陶瓷材料上[14]｡这样既能弥补陶瓷材料单一材质的匮乏,又能丰富陶瓷材质的质感肌理｡而二氧化硅气凝胶材料就是陶瓷碗具理想的跨界材料之一,首先其具有外观上的装饰性,易与陶瓷碗具形成协调统一的设计整体;其次具有良好的功能性,陶瓷碗具中融入的二氧化硅气凝胶材质,可令手持更加紧致,不易滑落｡再次其可塑性强,亲和力好,易加工,可在其表面增加凸点花纹,增大摩擦力｡
3.1.1 力的分解
将此次实验所用到的碗盛满水,通过传感器求得各指腹对碗壁的正压力｡当手指作用于碗壁时,受到重力､手指的正压力及摩擦力三个力,对重力G进行分解,首先把重力G按效果分解成与FN相反方向的力G1和与f相反方向的力G2,对物体进行受力分析如图6｡由于物体处于静止状态时所受合力为零,则在竖直方向有:FN=G1=Gsinθ;在水平方向上有:f=G2=GCosθ可以得出FN/f=tanθ｡其中,FN表示手指对碗壁的正压力;G表示重力;f表示手指对碗的摩擦力｡
3.1.2 防烫材料摩擦系数的模糊确定
测定陶瓷碗具在最大重力条件下的动摩擦系数｡摩擦系数是表面之间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值｡用公式可表示为F=FNμ其中FN表示正压力,μ表示动摩擦系数｡对于本次实验,由于在实际拿碗过程中手部处于干燥状况,所以本次实验只统计干燥状况下二氧化硅气凝胶材质的摩擦系数,计算各指腹摩擦系数的平均值,见表5｡“美国保险商实验室”(UL)和“美国材料与测试协会”(ASTM)曾提供的测试依据:当摩擦系数μ<0.40为非常危险范围;摩擦系数在0.40≤μ<0.50为危险环境范围;摩擦系数在0.50≤μ≤0.60为基本安全范围;摩擦系数μ>0.60为非常安全范围[15]｡本次试验表明:在干燥状态下,二氧化硅气凝胶材料与手的静摩擦系数在0.50以上,即可认为达到安全的标准｡
3.2 防烫材料的分析
防烫材料采用二氧化硅气凝胶这种轻质､多孔的新型纳米材料,由于其结构的独特性及优异的隔热性能,使其广泛应用于高温隔热､吸附､催化等领域[16]｡二氧化硅气凝胶有较优异的性能,如低密度(0.003~0.5g/cm3)､低导热系数[块状气凝胶在非真空条件低至0.012W/(m·K)]等优点｡尤其是常压下二氧化硅气凝胶的热导率随温度的升高变化很小｡从功能性角度来看,二氧化硅气凝胶具有优良的隔热性,能够有效隔绝陶瓷材质对热量的传导,同时也能够避免寒冷冬日里,皮肤直接接触陶瓷材质时的生硬､冰凉感｡同时选用此材质,既能够减少餐具在叠加存放或移动时打滑的概率,又可以避免餐具相互碰撞所带来的噪声,同时也利于保护餐具和餐桌｡
3.3 产品设计表现
根据以上分析,设计目标已明晰｡在陶瓷碗具本身的造型形式要素的基础上,对防烫部分纹理､色彩进行设计处理,为使用者的安全性､舒适性考虑的同时,增加视觉上的舒适美感｡在材质上,陶瓷碗具本体主要采用活瓷,活瓷是不仅可以杀菌除尘､清洁空气,同时也是远红外线转换材料的最佳材质,提高人体对水的吸收,增强免疫力｡色彩与安全性也存在着必然的联系,不同的色彩给人不同的安全感受｡红色､橙色象征着灼热与欢庆,蓝色和绿色给人宁静､祥和之感,灰色带来的可能是压抑和沉闷的气氛｡考虑到青瓷和白瓷为目前餐具主流[17],防烫部分色彩以绿色和蓝色为主｡以白色为主色调的陶瓷碗具衬托出食物的色泽,碗壁配以符合手部尺寸的设计图形,给人的感觉便是清馨､安全｡在前期设计阶段中对方案的评价主要以被试者的主观评价进行改进,并运用到下一阶段的计算机辅助设计中,在建模之前,需要结合之前实验中得到的手部使用尺寸来进行设计,见图7｡以此轮廓线为基础,在计算机中进行建模,同时要考虑到在节省材料的情况下适合人手部尺寸,经过不断修正改进后,得到了一个相对合理,造型和功能也符合预期的最终方案,见图8｡这样的设计首先在最节省材料情况下符合人手形的外型需求,同时又满足了防烫｡
4､结论
针对陶瓷碗具烫手易碎的问题,设计了一种安全实用,经济易量产的防烫防滑陶瓷碗具｡(1)以力学与材料学为基础,采用交叉法对陶瓷碗具的造型与结构进行研究与设计,研究设计出的方案与手的行为习惯相匹配｡(2)模拟手部的运动轨迹范围,通过该范围得到常用区域大小,根据手指和实验样本相对位置对碗具进行相应优化设计｡(3)本设计拓展了陶瓷产品设计的视角与表现空间,为陶瓷产品的创新设计及制作提供新的参考方向和设计思路｡
参考文献:
[1]杨春艳,卢淼,刘培生.多孔隔热陶瓷的研究进展[J].陶瓷学报,2014,35(2):132-138.
[2]汪长安,郎莹,胡良发,等.轻质､高强､隔热多孔陶瓷材料的研究进展[J].陶瓷学报,2017,38(3):287-296.
[3]马一平,杨帆,谭畅,等.隔热涂料研究现状[J].材料导报,2015,29(增刊1):300-304.
[4]徐庭,胡一晨,王中俭,等.纳米SiO2多孔陶瓷的绝热性能[J].材料科学与工程学报,2012,30(1):54-58,83.
[5]张玉山.基于感性工学的食用陶瓷包装容器产品设计[J].食品与机,2018,34(7):115-120
[6]郑刚强,饶飞云,王伟玲.基于工业设计系统理论的陶瓷产品创新[J].包装工程,2017,38(22):192-196.
桑振,雷婷,魏小红,等.基于力学分析的防烫防滑陶瓷碗具设计[J].科学技术与工程,2019,19(31):281-286.
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期刊名称：应用力学学报
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主管单位：国家教育部
主办单位：西安交通大学
出版地方：陕西
专业分类：科学
国际刊号：1000-4939
国内刊号： 61-1112/O3
创刊时间：1984年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
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2020-02-06
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