1有限元法是家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效方法

家具設(shè)計(jì)總體上包括造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是其它設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)不到要求，就無(wú)從談及家具造型、功能及后繼相關(guān)的生產(chǎn)工藝等。以往家具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是采用近似經(jīng)驗(yàn)、簡(jiǎn)化計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試等方法，并沒(méi)有一種科學(xué)而精確的分析方法。盡管通過(guò)這種方法取得了一定的成果，得出了一些公式和結(jié)論，但這些成果只適合于特定的家具形式，并沒(méi)有形成準(zhǔn)確而廣泛適用的結(jié)論，只能做為后繼研究的參考。設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品容易出現(xiàn)二方面的問(wèn)題，即要么尺寸過(guò)小，家具的安全性即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度達(dá)不到要求而破壞，浪費(fèi)了原材料;要么家具產(chǎn)品的尺寸過(guò)大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)使用強(qiáng)度要求，沒(méi)有最大限度地節(jié)約原材料，產(chǎn)品使用多年未破壞而人為廢除，更造成了原材料和能源的浪費(fèi)。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，隨著有限元方法的產(chǎn)生及其在多個(gè)科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，業(yè)已成為產(chǎn)品性能分析與仿真分析的一種高效手段。由于其在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析中的顯著優(yōu)點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分。近年來(lái)，這一科學(xué)而有效的方法也漸被家具設(shè)計(jì)人員接受并采用。從1966年，Eck-elman和Suddarth首先在家具結(jié)構(gòu)分析中采用有限元方法開(kāi)始，國(guó)外研究人員進(jìn)行了大量的研究，涵蓋了家具的多種形式，包括柜類、椅凳類、桌類、沙發(fā)和樓梯等。柜類家具是研究較多的方面，采用有限元桿單元，將整體柜類看成框架結(jié)構(gòu)，對(duì)柜體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析;采用有限元?dú)卧_計(jì)算柜體加載的變形量，同時(shí)研究了柜類家具的穩(wěn)定性；采用剛性或半剛性有限元模型，分析柜類家具角接合部位的強(qiáng)度，有限元非線性分析研究了螺栓連接柜體的受力情況，研究人員對(duì)椅子有用限元方法也進(jìn)行了一些研究，包括椅子的側(cè)框架強(qiáng)度和穩(wěn)定性，椅腿和靠背接合處圓棒榫位置和數(shù)量對(duì)椅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響及不同材質(zhì)椅子的強(qiáng)度等。其它家具形式的研究有對(duì)沙發(fā)前望板離散為互相平行的桁架結(jié)構(gòu)的有限元分析；對(duì)實(shí)木旋轉(zhuǎn)樓梯進(jìn)行有限元分析和全尺寸試驗(yàn)。國(guó)外研究人員對(duì)家具結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了較為精確的數(shù)據(jù)和更合理的結(jié)構(gòu)形式，并將分析結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)相比，最大誤差均在30%，說(shuō)明仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果比較符合，說(shuō)明這種方法適用于適用于家具結(jié)構(gòu)分析，且提高了分析的精度和效率，為生產(chǎn)高品質(zhì)家具提供了科學(xué)的方法。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)家具設(shè)計(jì)和研究人員也開(kāi)始運(yùn)用有限元法進(jìn)行家具設(shè)計(jì)。主要是對(duì)柜類和椅類家具進(jìn)行了一定的研究。用有限元方法預(yù)測(cè)了柜類家具不同形式角接合部位的強(qiáng)度和剛度;并采用有限元優(yōu)化方法對(duì)書柜隔板長(zhǎng)度、位置和支撐件的位置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，與試驗(yàn)對(duì)比分析確定了有限元分析的正確性。研究人員給出了官帽椅和燈掛椅按國(guó)家家具力學(xué)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了有限元仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，未采用試驗(yàn)驗(yàn)證。盡管我國(guó)在家具設(shè)計(jì)上已采用有限元仿真分析，設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量有了很大的進(jìn)步，但無(wú)論從研究的深度還是廣度上遠(yuǎn)不及國(guó)外。因此我們應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究，以提高我國(guó)家具設(shè)計(jì)的效率、精度及質(zhì)量。

2有限元法進(jìn)行家具結(jié)構(gòu)分析的步驟

有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在家具設(shè)計(jì)上的廣泛應(yīng)用，提供了一種有效而實(shí)用的方法。下面針對(duì)具體實(shí)例說(shuō)明有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要步驟，以供我國(guó)家具設(shè)計(jì)和研究人員參考。曲面家具由于具有造型美觀，結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單，適合當(dāng)代人的審美并能節(jié)約材料成為流行的家具樣式。因此研究選用白蠟?zāi)緦訅簭澢疽芜M(jìn)行有限元分析。彎曲木椅實(shí)物如圖1所示。層壓彎曲木椅尺寸為:椅子高765mm，椅子正面寬，465mm，側(cè)面寬460mm，座面高430mm，椅腿寬度為60mm，椅腿厚度為25mm。

2.1有限元模型的建立

曲木椅外載荷的選取是結(jié)構(gòu)分析的前提和基礎(chǔ)。此款曲木椅的主要為居家使用，因此參照國(guó)標(biāo)家具力學(xué)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T10357.3—1989選取適當(dāng)載荷及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有限元分析。選用載荷主要包括座面靜載荷、椅背靜載荷、座面椅背靜載荷及座面沖擊載荷。(1)靜載荷有限元模型建立。靜載荷有限元分析選用ANSYS－Multiphysics靜力分析程序。建立模型的材料特性經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定彈性模量為11.5GPa，泊松比為0.27，密度為0.67×103kg/m3。有限元建模選用SOLID187體單元，采用智能網(wǎng)格劃分，經(jīng)分析選用單元?jiǎng)澐志葹?。椅腿部施加約束，建立靜載荷模型如圖2所示。(2)沖擊載荷有限元模型建立。沖擊載荷有限元分析選用ANSYS/LS－DYNA顯式非線性動(dòng)力分析程序。建立模型時(shí)曲木椅材料特性為性，彈性模量為11.5GPa;泊松比為0.27，密度為0.67×103kg/m3。沖擊器材料屬性為密度彈性模量為200GPa泊松比0.3，密度為7.8×103kg/m3。選用顯示塊單元SOLID164單元，采用智能網(wǎng)格劃分，劃分精度為4。椅腿部施加約束，建立沖擊載荷模型如圖3所示。

2.2有限元分析結(jié)果

座面靜載荷國(guó)標(biāo)最高5級(jí)水平載荷2000N加載時(shí)的運(yùn)行結(jié)果果如圖4所示，從圖中可以看出，椅最大強(qiáng)度出現(xiàn)在椅腿上彎曲部分，圖中標(biāo)示MX處最大值為62.7MPa。加載座面靜載荷椅背靜載荷國(guó)標(biāo)最高5級(jí)水平載荷2000/760N時(shí)的運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，得其最大應(yīng)力值為97.9MPa，位于椅腿下彎曲部位。沖擊載荷國(guó)標(biāo)5水平?jīng)_擊高度300mm時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，椅強(qiáng)度最大值為86.7MPa，位于椅椅上彎曲部位。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果最大誤差在33%以內(nèi)，此有限元分析結(jié)果可用。3種載荷狀況的最大應(yīng)力值為97.9MPa，且小于材料的破壞強(qiáng)度115MPa。曲木椅強(qiáng)度滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高5級(jí)水平。

3優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)

通過(guò)前面對(duì)彎曲木椅的強(qiáng)度分析知道，其在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5級(jí)水平上均滿足要求，小于材料的破壞強(qiáng)度。而此曲木椅為家庭使用，最高要求在3級(jí)水平，所以對(duì)于現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，屬于安全性過(guò)大，造成了資源的浪費(fèi)。考慮多種因素對(duì)椅強(qiáng)度的影響，選擇4級(jí)水平對(duì)其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整后得出的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行仿真分析，結(jié)果列于表1中。 

4結(jié)束語(yǔ)

家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，從眾多可行的設(shè)計(jì)方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，有效地減少了原材料和能源的浪費(fèi)，提高了家具設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。在此基礎(chǔ)上，將有限元分析與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造相結(jié)合，形成集設(shè)計(jì)、模擬分析、優(yōu)化及制造為一體的家具科學(xué)體系建立進(jìn)行更深入全面的研究。努力提升我國(guó)家具創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)由家具制造大國(guó)向家具設(shè)計(jì)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

本文作者：張杰、任忠先 單位：黑龍江工程學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)系