現(xiàn)代家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)方法

張 杰，任忠先

（黑龍江工程學(xué)院藝術(shù)與設(shè)計(jì)系，哈爾濱 150050）

工業(yè)革命開(kāi)創(chuàng)了家具設(shè)計(jì)的現(xiàn)代序幕。隨著機(jī)械化生產(chǎn)的發(fā)展，新技術(shù)、新材料的產(chǎn)生，促使家具設(shè)計(jì)人員廣泛吸取現(xiàn)代最先進(jìn)的技術(shù)和美學(xué)理念，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出造型美觀、結(jié)構(gòu)合理、工藝高效和經(jīng)濟(jì)適用的現(xiàn)代家具。邁入21世紀(jì)以來(lái)，人們迎來(lái)了知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的全面深入及信息處理技術(shù)等高科技的發(fā)展和普及，國(guó)際家具行業(yè)亦發(fā)展迅猛，家具產(chǎn)業(yè)在世界經(jīng)濟(jì)貿(mào)易中顯示出越來(lái)越重要的地位［1－2］。

目前，我國(guó)已建立了現(xiàn)代家具生產(chǎn)體系，成為世界家具生產(chǎn)的中心，是世界最大的家具出口國(guó)，在國(guó)際家具業(yè)中的影響日漸顯著。盡管我國(guó)家具生產(chǎn)發(fā)展迅速，市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大，但不容樂(lè)觀的是，家具企業(yè)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式并沒(méi)有發(fā)生根本的改變，仍以代工 （OEM）為主，自主設(shè)計(jì) （ODM）、自主品牌 （OBM）的發(fā)展仍處于較低的層面上，家具設(shè)計(jì)多以模仿為主，原創(chuàng)設(shè)計(jì)和自主設(shè)計(jì)較為缺乏。相當(dāng)部分家具企業(yè)沒(méi)有設(shè)計(jì)研發(fā)部門(mén)，不重視原創(chuàng)設(shè)計(jì)和技術(shù)開(kāi)發(fā)，使得我國(guó)家具產(chǎn)業(yè)仍以?xún)r(jià)格低廉為主要優(yōu)勢(shì)，因此要改變我國(guó)家具生產(chǎn)代工為主的局面和生產(chǎn)高品質(zhì)的家具，提高原創(chuàng)設(shè)計(jì)能力，從根本上來(lái)說(shuō)就是要提高家具設(shè)計(jì)的科技含量，包括家具設(shè)計(jì)的科學(xué)分析方法和精良的加工制作設(shè)備及先進(jìn)的生產(chǎn)工藝［3－4］。

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，Eckelman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(lèi)、椅凳類(lèi)、桌類(lèi)、沙發(fā)和樓梯等。柜類(lèi)家具是研究較多的方面，采用有限元桿單元，將整體柜類(lèi)看成框架結(jié)構(gòu)，對(duì)柜體強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析［5－6］;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(lèi)家具的穩(wěn)定性［7］;采用剛性或半剛性有限元模型，分析柜類(lèi)家具角接合部位的強(qiáng)度［8－9］，有限元非線性分析研究了螺栓連接柜體的受力情況［10］。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［11－12］。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［13］;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)［14］。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(lèi)和椅類(lèi)家具進(jìn)行了一定的研究。用有限元方法預(yù)測(cè)了柜類(lèi)家具不同形式角接合部位的強(qiáng)度和剛度［15－17］;并采用有限元優(yōu)化方法對(duì)書(shū)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)［18］，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［19］。

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 765 mm，椅子正面寬，465 mm，側(cè)面寬460 mm，座面高430 mm，椅腿寬度為60 mm，椅腿厚度為25 mm。

圖1 層壓彎曲木椅實(shí)物圖Fig.1 Physical map of laminated bent chair

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/T 10357.3—1989［20］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。

圖2 層壓彎曲木椅靜載荷有限元模Fig.2 FEA model of the bent chair under static load

（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200 GPa泊松比0.3，密度為7.8×103kg/m3。選用顯示塊單元SOLID 164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。

圖3 彎曲木椅受沖擊載荷有限元模型Fig.3 FEA model of bent chair bearing impact load

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2 000 N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62.7 MPa。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2 000/760 N時(shí)的運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，得其最大應(yīng)力值為97.9 MPa，位于椅腿下彎曲部位。沖擊載荷國(guó)標(biāo)5水平?jīng)_擊高度300 mm時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，椅強(qiáng)度最大值為86.7 MPa，位于椅椅上彎曲部位。

圖4 座面靜載荷2000N時(shí)的應(yīng)力分布云圖Fig.4 Von mises stress contour of chair seat surface with load of 2000N

圖5 座面靜載荷椅背靜載荷2000/760N時(shí)的應(yīng)力云圖Fig.5 Von mises stress contour of chair seat surface and seat back at load 2000/760N

圖6 沖擊高度300 mm應(yīng)力云圖Fig.6 Von mises contour bearing impact at height of 300mm

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?xún)?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97.9 MPa，且小于材料的破壞強(qiáng)度115 MPa。曲木椅強(qiáng)度滿(mǎn)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(mǎn)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。

表1 等級(jí)4載荷水平彎曲木椅框架不同截面尺寸的最大應(yīng)力值Tab.1 The maximum stress values of different cross section dimensions on grade-four load level

從表1中知道4組椅框架截面尺寸的最大應(yīng)力值，均低于材料的破壞強(qiáng)度。但從安全角度并兼顧節(jié)省材料上考慮，選定截面尺寸為50 mm×20 mm。

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。

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［1］任元彪.世界家具業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探討［J］.現(xiàn)代商業(yè)，2011，（3）:69.

［2］楊 揚(yáng)，王逢瑚，李麗明.家具設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施［J］.森林工程，2011，27（3）:43 －44.

［3］錢(qián)小瑜.我國(guó)林產(chǎn)工業(yè)現(xiàn)狀及木材工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)［J］.木材工業(yè)，2009，23（4）:1 －8.

［4］吳振韓.中國(guó)家具設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與對(duì)策［J］.山西建筑，2010，36（36）:238－239.

［5］Eckelman C A，Suddarth S K.Analysis and design of furniture frames［J］.Wood Science and Technology，1966（3）:239 －255.

［6］Eckelman C A，Goodrick F E.Computer analysis of furniture frames［J］.Wood Science and Technology，1969（9）:477 － 489.

［7］Smardzewski J D S.Stability of cabinet furniture backing boards［J］.wood Sci Technl，1993（28）:35 － 44.

［8］Nicholls T，Crisan R.Stydy of the stress－strain state in corner joints and box－ type furniture using Finite Element Analysis（FEA）［J］.Holz als Roh － und Werkstoff，2002，60（1）:66 －71.

［9］Crisan R，Nicholls T，Curtu I.The influence of the wooden joints on nonlinear behaviour of the stressed cabinet furniture［A］.Proceedings of the Fourth International Conference on the Development of Wood Science，Wood Technology and Forestry［C］.Missenden Abbey，England，1999（14）:51 －59.

［10］Sawata K，Yasumura M.Estimation of yield and ultimate strengths of bolted timber joints by nonlinear analysis and yield theory［J］.J.Wood Sci.，2003，（49）:383 －391.

［11］Gustafsson S I.Finite element modelling versus reality birch chairs［J］.Holz als Roh － und Werkstoff，1996（54）:355 －359.

［12］Kasal A，Birgul R，Erdil Y Z.Determination of the strength performance of chair frames constructed of solid wood and wood composites［J］.Forest Products Journal，2006，56（7）:55 －60.

［13］Eckelman C A，Lin F C，Zhang J.A technique for structural modeling of front rails for sofas［J］.Holz als Roh － und Werkstoff，2002，60:60 －65.

［14］Pousette A.Full－scale test and finite element analysis of a wooden spiral staircase［J］.Holz als Roh － und Werkstoff，2003，61:1 －7.

［15］蔡力平，余松寶，郭希強(qiáng).板式家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析［J］.林業(yè)科學(xué)，1991（1）:91－96.

［16］Cai L，Wang F.Influence of the stiffness of corner joints on case furniture deflection［J］.Holz Roh － Werkstoff，1993（51）:406 －408.

［17］Cai L，Wang F，Tan H.Study on the strength of moltinject joints of furniture deflection［J］.Holz Roh － Werkstoff，1995（53）:385 －388.

［18］何風(fēng)梅.基于ANSYS的板式家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2009.

［19］徐 卓.基于有限元法的實(shí)木椅類(lèi)家具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)定與設(shè)計(jì)［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2011.

［20］劉亞蘭.木制品質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.