家具結構有限元分析研究綜述

A Review of Finite Element Analysis in Furniture Structure

文獻標識碼：A

文章編號:1006-8260(2015)09-0018-02

基金項目:國家林業公益性行業科研專項項目（編號：201404502-1）

引文格式:蔡葵,陳于書.家具結構有限元分析研究綜述[J].家具與室內裝飾,2015,(09):18-19.

Abstract: Furniture products are designed on the basis of personal experience. Even for the experienced designers, it is diffi cult for them to take all factors into account. Finite element method can be used to evaluate the feasibility of different materials that berfore the furniture produced. From the current research results, Do that right, the data of the fi nite element method is not very different from the real one. The fi nite element method can be used as an effective method of virtual simulation and it will replace furniture physical experiments. As it is a new research method in China, it is not perfect and there are still many unfi nished research fi elds.

KeyWords: Finite Element Method; Optimal Design; Physical Verifi cation; Fast Growing Wood

現代家具產品皆依據個人的經驗和創意設計而成，一般是先由設計師初步設計草圖，后將草圖制作成CAD圖，依據CAD圖利用各類三維軟件建立模型，再去生產樣品，樣品生產出后，經過相關檢驗確保產品的可用性，一旦產品質量達不到要求，會再返回到設計師那修改草圖、畫CAD圖、建模型、做樣品。其中，家具的結構強度標準由設計師依靠經驗確定，設計師在設計結構時，不但要根據材料的特點選擇理想的接合方式，而且要注意合理確定零件的斷面尺寸，而斷面尺寸的確定往往需要考慮產品形態與比例關系、接合點的位置、受力特征、強度要求和材料的特性 [1]。即使是經驗老道的設計師在做設計時，也難做到面面俱到，當出現錯誤返工時，既費工費時也造成了資源的浪費。

近年來，得益于計算機技術的迅猛發展，國外已經較廣泛采用了計算機輔助設計（CAD）和有限元技術（FEM）進行家具設計制造和家具結構分析。有限元法（FEM）最初被用來研究復雜的飛機結構中的應力，它是將彈性理論、計算數學和計算機軟件有機地結合在一起的一種數值分析技術 [2]。早在1966年，美國學者Eckelman等人率先將矩陣結構分析引入到家具設計中，他們用FORTRAN編寫了一個分析家具結構的語言程序，這是最早將有限元法引入到家具結構設計研究的案例 [3-4]。隨著有限元分析技術的的越來越成熟，有限元法在家具結構力學仿真分析、家具結構結構優化、材料接合性能研究等方面正發揮著越來越重要的作用。利用有限元法可以對未生產的不同材料的家具產品進行可行性評估，在滿足使用載荷前提下，通過計算比較尋找到最節省材料最優方案，具有快速、靈活、成本低等一系列優勢。

1　研究內容綜述

1.1 對于柜類家具的研究

對于柜類家具結構的有限元研究，最早是在1985年，Eckelman和Rabiej把柜體看作是一種框架結構進行有限元分析，結果表明，這個框架的變形無論是在頂部、底部還是兩邊都是相等的，他們還開發出了一個程序用來預測柜類家具變形情況 [5]。1993年Smardzewski和Dziegielewski分析了背板分別采用纖維板和松木膠合板柜類家具的穩定性，他們認為柜類家具的剛度和載荷取決于框架和背板板材的穩定性，同時實驗驗證了他們的有限元計算 [6]。國內學者蔡力平等人早在1991年，就采用彈性薄板單元離散分析“L”形和“T”形板件角接合的性能，所得的數據誤差和實驗驗證的誤差在30%以內，驗證了有限元法預測板式家具變形是可靠的。1996年，蔡力平、王逢瑚等人又對柜類板式家具的角部接合性能進行了進一步研究，利用有限元法對融化噴射斜角接合與單圓榫接合的柜體的位移做比較，結果表明用融化噴射斜接的柜體的強度和剛度較高 [7-8]。2002 年Nicholls等人探討了典型箱柜類角部應力和應變的可能性，設計了新模型把角結合看作是箱柜類家具中的一種宏觀和相互聯系的部分，固定連接件被彈性有限元模型替代，這個有限元模型可以對箱柜類家具的變形進行預測 [9]。2003年Sawata等人對螺栓連接的柜體進行了非線性有限元分析，實驗結果和有限元分析結果基本一致 [10]。2008年，東北林業大學的宋明強建立了櫥柜實體模型，研究中有限元分析數據與實驗分析數據誤差大，他分析了其可能發生的原因 [11]。2008年，東北林業大學的何風梅把有限元分析法引入到板式家具的結構強度分析中，得出“T型”連接的強度優于“L型”連接，三合一連接的各項性能指標要優于二合一連接的結論，也針對典型的書柜進行整體建模有限元分析，得出書柜的變形情況，為后續的書柜的結構優化設計提供理論基礎 [12]。

1.2 對于椅類家具的研究

有限元椅類家具的分析，最早是在1995年，Gustafsson將有限元程序應用到設計過程之中，展示了經過有限元設計的椅子。隨后他在1996年對椅子進行了負載測試，獲得了一些和實物測試符合度良好的應變和應力值。他又在1997年的研究中，對一把椅子進行分析、再設計，并得到了椅子的應力和應變圖 [13]。1998年，Smardzewski開發了目標函數為最小化材料使用同時節點強度最大有限元分析程序，該程序可以準確、快速、多樣的分析木結構家具框架結構的剛度 [14]。1999年，Daudevilled對螺栓連接的椅子進行有限元破壞測試和實驗破壞測試，實驗和有限元模擬結果表明，有限元要正確預測到螺栓連接椅子的最大載荷 [15]。2002年，蔣志峰等人把看作為各向同性材料層壓膠合彎曲木安樂椅的結構強度進行了分析，實驗結果和理論計算符合度較好 [16]。2010年，北京林業大學的張立測試了幾種木材的彈性常數，并對現代紅木椅凳類家具結構類型進行了分類 [17]。2011年，北京林業大學的徐卓利用靜力載荷和沖擊載荷對花梨木官帽椅、花梨木燈掛椅整體結構和局部零部件進行了分析，首次實踐了家具跌落仿真分析 [18]。2012年，東北林業大學的張杰選取一把層壓彎曲木椅子，對其框架結構形式進行了理論分析、仿真分析和試驗研究，理論分析與實驗分析的誤差在可接受范圍內 [19]。2012年，呂艷紅等人對一把比較常見的蘋果梨木椅子的座面和靠背進行壓力分析，證實該椅子的結構強度是合理的 [20]。2013年，中南林科技大學的舒巍對典型的可拆裝椅子進行了分析，通過ANSYS/APDL參數化設計語言對易損壞部位榫頭進行了優化設計，減少了榫頭的木材使用量和它所受應力 [21]。2013年，中南林科技大學的馬貞選取了一把圖書館的椅子，對其分析后得出了榫卯尺寸對椅子結點的抗彎性能有很大影響的結論，論證了有限元法在家具力學研究的可靠性 [22]。

1.3 對于沙發家具的研究

2002年Eckelman等人對帶有彈簧的沙發前板進行了力學有限元分析，他們認為沙發前板的受力模擬應該當作一個面而不是一個梁，并將其離散化為桿件互相平行的桁結構，所得的仿真分析數據與實驗數據更接近了 [23]。2006年，Ali.Kasal對比了分析分別采用實木材料和木質復合材料的沙發框架的強度，得出在軟墊座椅類家具中實木框架可由實木復合材料的框架替代的結論 [24]。2007年，Dai L等人在一個立體的沙發框架內，用梁模型計算每個結構構件的最大彎矩值，在考慮疲勞強度和靜力彎矩的同時，推導了框架沙發的關鍵構件尺寸，他們探討了一種簡化的分析沙發框架的方法 [25]。

1.4 利用有限元法的其他研究

2009年，李雪梅通過對梁單元模型的模擬分析和優化設計，得到了梁單元合理的截面尺寸 [26]。2010年，南京林業大學的蕫廣斌通過ANSYS語言編程，分析優化出丁字榫結構強度和剛度最大情況下的榫長和榫厚比，為家具關鍵節點結構優化提供了方法借鑒 [27]。2010年，北京林業大學的張帆把有限元引入實木框架式家具力學研究之中。他測定了18種硬木的彈性常數和力學強度，歸納了椅凳類、桌案類、柜架類三類家具構件的構成關系和受力情況，并在簡化了相關模型后，計算出了家具應力應變情況，證明了有限元法在家具結構力學研究的適用性 [28]。2011年，南京林業大學何盛通過有限元法研究了樟子松指接材的接合性能，模擬預測出端壓取值范圍及不同嵌合度條件下樟子松結構用指接材抗彎彈性模量和抗彎強度值 [29]。

2　研究評述

2.1 當前主要研究總評

從目前的研究狀況上來看，有限元家具結構力學研究思路總共有兩條，一條是對于整體框架的研究，一條是對于局部結構關鍵節點的分析。柜類家具結構的問題主要是在其角部接合處的變形和接合性能問題，國內外學者利用有限元法對其做了各種形式的研究。椅類家具的有限元研究最多，也最為廣泛，研究者一般是通過整體力學分析，找出椅子易損壞的部位，再進行優化的研究思路。國外早期的沙發家具的研究主要在有限元研究方法的改進方面，國內目前還沒有開展沙發類家具有限元的研究。

總的來說，國外的有限元研究開展的比國內早，隨著近些年計算機硬件的快速更新，有限元法研究家具結構的案例也越來越多，國外家具結構研究偏重于柜類、椅類和沙發類家具，國內偏重于典型椅類結構的研究與優化。但是國內家具行業的有限元研究落后于國外，國外的研究注重研究精度并且研究人員往往能夠專注研究一個問題很多年，國內在做家具有限元研究的大多數是研究生，他們主要借助Ansys和Abaqus等軟件進行家具結構研究，且他們的研究時間較短，只能跟隨著前人的腳步，所能做的有限元研究的深度和精度比較有限，研究手法也比較單一。同時，因為有限元的研究精度會受到各種因素的影響，國內外的學者往往會在有限元分析后，再實物驗證可行性，容易造成人力物力的浪費，從目前的研究成果上看，只要方法得當，有限元的研究數據與實物驗證的數據差別不大，一般不高于30%，有限元法可以作為一種有效的虛擬仿真驗證的方法，替代傳統的實物家具的驗證 [30]。

2.2 研究趨勢展望

目前國內外已經做了一些家具結構有限元的研究，但該方法在國內還算作是一種較新的研究方法，并不完善，尚有許多未完成的研究方向，筆者認為下面幾個方向將會成為未來研究的重點和難點。

（1）速生材等低質材料的有限元研究。當前已經通過各種方法測得了一些木材的彈性常數，并把它們用在了有限元分析研究當中，比如紅木材料，這類材料由于其自身的材料特性較好，一般在家具實物和有限元分析中都不會出現太大問題。低質速生材往往容易在家具結構和強度上出現問題，利用有限元法去分析研究這些問題，并且通過合理的方法進行補強，相比之下，會具有很好的實用意義。

（2）提高有限元的研究精度和實用性。木材為各向異性材料，早期的一些研究把木材定義為各向同性材料，這是不準確的，木材是一種彈塑性材料，是一種非線性材料，把它們當作一種線性材料研究，對所做的模型適當簡化，這些都會造成誤差。要能考慮到人對于家具的實際使用情況，對家具進行動態疲勞仿真分析，這樣的分析更具有實用意義。

（3）多種家具類型的有限元研究。目前的有限元分析主要集中在椅類、沙發類、柜類家具和一些木材的材性研究，而且往往只選取了一些典型的家具類型，雖然具有一定的代表性，但所研究的范圍不夠廣泛，后續的研究應該繼續研究同種種類不同類型的家具，同時繼續完善對于凳類、床類、桌類等類型的家具結構有限元研究。

（責任編輯：北　方）