2021-4-9 | 家具设计论文
1有限元法是家具结构设计的有效方法
家具设计总体上包括造型设计、结构设计、功能设计和生产工艺设计。而结构设计是其它设计的基础，结构强度达不到要求，就无从谈及家具造型、功能及后继相关的生产工艺等。以往家具的结构设计主要是采用近似经验、简化计算或试验测试等方法，并没有一种科学而精确的分析方法。尽管通过这种方法取得了一定的成果，得出了一些公式和结论，但这些成果只适合于特定的家具形式，并没有形成准确而广泛适用的结论，只能做为后继研究的参考。设计出的产品容易出现二方面的问题，即要么尺寸过小，家具的安全性即结构强度和刚度达不到要求而破坏，浪费了原材料;要么家具产品的尺寸过大，远远超过使用强度要求，没有最大限度地节约原材料，产品使用多年未破坏而人为废除，更造成了原材料和能源的浪费。
20世纪50年代以来，随着有限元方法的产生及其在多个科技领域的广泛应用，业已成为产品性能分析与仿真分析的一种高效手段。由于其在产品结构分析中的显著优点，使其成为现代设计的一个重要组成部分。近年来，这一科学而有效的方法也渐被家具设计人员接受并采用。从1966年，Eck-elman和Suddarth首先在家具结构分析中采用有限元方法开始，国外研究人员进行了大量的研究，涵盖了家具的多种形式，包括柜类、椅凳类、桌类、沙发和楼梯等。柜类家具是研究较多的方面，采用有限元杆单元，将整体柜类看成框架结构，对柜体强度和刚度进行分析;采用有限元壳单元，精确计算柜体加载的变形量，同时研究了柜类家具的稳定性；采用刚性或半刚性有限元模型，分析柜类家具角接合部位的强度，有限元非线性分析研究了螺栓连接柜体的受力情况，研究人员对椅子有用限元方法也进行了一些研究，包括椅子的侧框架强度和稳定性，椅腿和靠背接合处圆棒榫位置和数量对椅结构强度的影响及不同材质椅子的强度等。其它家具形式的研究有对沙发前望板离散为互相平行的桁架结构的有限元分析；对实木旋转楼梯进行有限元分析和全尺寸试验。国外研究人员对家具结构的有限元分析及优化设计，给出了较为精确的数据和更合理的结构形式，并将分析结构与试验相比，最大误差均在30%，说明仿真分析与试验结果比较符合，说明这种方法适用于适用于家具结构分析，且提高了分析的精度和效率，为生产高品质家具提供了科学的方法。
20世纪80年代以来，我国家具设计和研究人员也开始运用有限元法进行家具设计。主要是对柜类和椅类家具进行了一定的研究。用有限元方法预测了柜类家具不同形式角接合部位的强度和刚度;并采用有限元优化方法对书柜隔板长度、位置和支撑件的位置进行了优化设计，与试验对比分析确定了有限元分析的正确性。研究人员给出了官帽椅和灯挂椅按国家家具力学检测标准进行了有限元仿真分析和优化设计的结果，未采用试验验证。尽管我国在家具设计上已采用有限元仿真分析，设计精度和质量有了很大的进步，但无论从研究的深度还是广度上远不及国外。因此我们应该加强这方面的研究，以提高我国家具设计的效率、精度及质量。
2有限元法进行家具结构分析的步骤
有限元分析和优化设计技术在家具设计上的广泛应用，提供了一种有效而实用的方法。下面针对具体实例说明有限元分析和优化设计的主要步骤，以供我国家具设计和研究人员参考。曲面家具由于具有造型美观，结构和工艺简单，适合当代人的审美并能节约材料成为流行的家具样式。因此研究选用白蜡木层压弯曲木椅进行有限元分析。弯曲木椅实物如图1所示。层压弯曲木椅尺寸为:椅子高765mm，椅子正面宽，465mm，侧面宽460mm，座面高430mm，椅腿宽度为60mm，椅腿厚度为25mm。
2.1有限元模型的建立
曲木椅外载荷的选取是结构分析的前提和基础。此款曲木椅的主要为居家使用，因此参照国标家具力学检测标准GB/T10357.3—1989选取适当载荷及标准进行有限元分析。选用载荷主要包括座面静载荷、椅背静载荷、座面椅背静载荷及座面冲击载荷。(1)静载荷有限元模型建立。静载荷有限元分析选用ANSYS－Multiphysics静力分析程序。建立模型的材料特性经试验测定弹性模量为11.5GPa，泊松比为0.27，密度为0.67×103kg/m3。有限元建模选用SOLID187体单元，采用智能网格划分，经分析选用单元划分精度为4。椅腿部施加约束，建立静载荷模型如图2所示。(2)冲击载荷有限元模型建立。冲击载荷有限元分析选用ANSYS/LS－DYNA显式非线性动力分析程序。建立模型时曲木椅材料特性为性，弹性模量为11.5GPa;泊松比为0.27，密度为0.67×103kg/m3。冲击器材料属性为密度弹性模量为200GPa泊松比0.3，密度为7.8×103kg/m3。选用显示块单元SOLID164单元，采用智能网格划分，划分精度为4。椅腿部施加约束，建立冲击载荷模型如图3所示。
2.2有限元分析结果
座面静载荷国标最高5级水平载荷2000N加载时的运行结果果如图4所示，从图中可以看出，椅最大强度出现在椅腿上弯曲部分，图中标示MX处最大值为62.7MPa。加载座面静载荷椅背静载荷国标最高5级水平载荷2000/760N时的运行结果如图5所示，得其最大应力值为97.9MPa，位于椅腿下弯曲部位。冲击载荷国标5水平冲击高度300mm时，运行结果如图6所示，椅强度最大值为86.7MPa，位于椅椅上弯曲部位。经试验验证，仿真分析与试验结果最大误差在33%以内，此有限元分析结果可用。3种载荷状况的最大应力值为97.9MPa，且小于材料的破坏强度115MPa。曲木椅强度满足国家标准规定的最高5级水平。
3优化设计对家具结构设计方案的改进
通过前面对弯曲木椅的强度分析知道，其在标准规定的5级水平上均满足要求，小于材料的破坏强度。而此曲木椅为家庭使用，最高要求在3级水平，所以对于现在的结构来说，属于安全性过大，造成了资源的浪费。考虑多种因素对椅强度的影响，选择4级水平对其框架结构进行优化。将优化结果进行圆整后得出的结构重新进行仿真分析，结果列于表1中。
4结束语
家具结构设计采用有限元分析和优化设计，从众多可行的设计方案中寻找出最佳设计方案，有效地减少了原材料和能源的浪费，提高了家具设计的质量和效率。在此基础上，将有限元分析与计算机辅助设计与制造相结合，形成集设计、模拟分析、优化及制造为一体的家具科学体系建立进行更深入全面的研究。努力提升我国家具创新设计能力，实现由家具制造大国向家具设计强国的转变。
本文作者：张杰、任忠先 单位：黑龙江工程学院艺术与设计系