一種家用健身器材結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

王東峰

摘 要：隨著家庭內(nèi)健身的流行，許多家用健身器材應(yīng)運(yùn)而生。文章針對(duì)一種家用健身器材進(jìn)行了分析，并提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，取得良好改進(jìn)效果。為該類健身器材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：家用健身器材；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，對(duì)生活質(zhì)量的要求也隨之提升。而健康作為人們一種永恒的追求，是人們生活質(zhì)量指標(biāo)中重要一項(xiàng)，為了獲得健康的身體，越來(lái)越來(lái)的人開始重視體育鍛煉[ 1 ]。

由于現(xiàn)代生活的節(jié)奏，和受霧霾頻發(fā)影響，家庭內(nèi)健身成為很多人的首選。家用健身器材市場(chǎng)也因此變得火熱起來(lái)，各種形式的家用健身器材遍布各大電商平臺(tái)。其中一種名為家用引體向上器，以其使用的便捷性和多用性，成為許多家庭內(nèi)健身者的選擇。下面針對(duì)此種家用健身器材進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了探討。

1 整體結(jié)構(gòu)分析

家用引體向上器的種類多樣，但其基本結(jié)構(gòu)大同小異，大多是將健身器放置于門框上，利用結(jié)構(gòu)和門框及墻面之間產(chǎn)生的作用力工作。現(xiàn)對(duì)主流的幾種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析簡(jiǎn)化后進(jìn)行建模，如圖1所示，其中上彎管上的1平面至于內(nèi)側(cè)門框上和墻面接觸，曲面2至于門框另一側(cè)和門框接觸，曲面3為施力處。該類健身器多為通過(guò)電商平臺(tái)銷售，為便于郵寄采分體結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺栓連接固結(jié)在一起。出于成本考慮，結(jié)構(gòu)多采用尺寸一致的空心管型材。

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

為了充分了解該種健身器材的工作情況，和便于下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化等強(qiáng)度設(shè)計(jì)[ 2 ]，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。將1平面和2曲面固結(jié)，在3處施加垂直向下的載荷。大多數(shù)引體向上器的最大承載載荷在200KG左右，因此載荷大小設(shè)置為2000N。

經(jīng)有限元分析，最大應(yīng)變出現(xiàn)在施加載荷的最末端，其大小為5.18mm。整體應(yīng)力分布如圖2所示。從應(yīng)力分布上可以看出整體應(yīng)力分布非常不均勻，應(yīng)力主要分布在靠近支撐面2的下橫桿處，以及上彎管和下橫管的連接部位。最大應(yīng)力出現(xiàn)在上彎管和下橫桿的連接部位。通過(guò)應(yīng)力分析可知上彎管和下橫桿采用等尺空心管不符合等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，對(duì)充分發(fā)揮材料的性能不利，另外上彎管和下橫桿之間靠螺栓連接兩者之間的接觸面積過(guò)小。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上述分析，現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在靠近2曲面處的兩段直管以及和下橫管連接部位的上彎管采用大截面尺寸。將連接處的上彎管變?yōu)閁形。重新建模后進(jìn)行有限元分析，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在相同載荷下最大應(yīng)變變?yōu)榱?.19mm，其應(yīng)力分布如如圖3所示。

最大應(yīng)力值下降十分明顯。這對(duì)充分發(fā)揮材料的性能和進(jìn)一步的輕量化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，并有效的提高了結(jié)構(gòu)的抗偶然過(guò)載能力，提高了使用安全系數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該種健身器材的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，提出了改進(jìn)措施，使得該結(jié)構(gòu)在同等載荷下最大應(yīng)力應(yīng)變大大降低。此種研究方法為此類家用健身器材的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭維維.戶外公共健身器材改進(jìn)設(shè)計(jì)與通用設(shè)計(jì)原理運(yùn)用的思考[D].同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，2008.

[2] 王收軍，毛薛輝.造波機(jī)中橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，（16）：90-92，99.