現代家具結構設計的科學方法

張 杰，任忠先

（黑龍江工程學院藝術與設計系，哈爾濱 150050）

工業革命開創了家具設計的現代序幕。隨著機械化生產的發展，新技術、新材料的產生，促使家具設計人員廣泛吸取現代最先進的技術和美學理念，設計生產出造型美觀、結構合理、工藝高效和經濟適用的現代家具。邁入21世紀以來，人們迎來了知識經濟時代，隨著全球經濟一體化的全面深入及信息處理技術等高科技的發展和普及，國際家具行業亦發展迅猛，家具產業在世界經濟貿易中顯示出越來越重要的地位［1－2］。

目前，我國已建立了現代家具生產體系，成為世界家具生產的中心，是世界最大的家具出口國，在國際家具業中的影響日漸顯著。盡管我國家具生產發展迅速，市場份額不斷擴大，但不容樂觀的是，家具企業的經濟增長方式并沒有發生根本的改變，仍以代工 （OEM）為主，自主設計 （ODM）、自主品牌 （OBM）的發展仍處于較低的層面上，家具設計多以模仿為主，原創設計和自主設計較為缺乏。相當部分家具企業沒有設計研發部門，不重視原創設計和技術開發，使得我國家具產業仍以價格低廉為主要優勢，因此要改變我國家具生產代工為主的局面和生產高品質的家具，提高原創設計能力，從根本上來說就是要提高家具設計的科技含量，包括家具設計的科學分析方法和精良的加工制作設備及先進的生產工藝［3－4］。

1 有限元法是家具結構設計的有效方法

家具設計總體上包括造型設計、結構設計、功能設計和生產工藝設計。而結構設計是其它設計的基礎，結構強度達不到要求，就無從談及家具造型、功能及后繼相關的生產工藝等。以往家具的結構設計主要是采用近似經驗、簡化計算或試驗測試等方法，并沒有一種科學而精確的分析方法。盡管通過這種方法取得了一定的成果，得出了一些公式和結論，但這些成果只適合于特定的家具形式，并沒有形成準確而廣泛適用的結論，只能做為后繼研究的參考。設計出的產品容易出現二方面的問題，即要么尺寸過小，家具的安全性即結構強度和剛度達不到要求而破壞，浪費了原材料;要么家具產品的尺寸過大，遠遠超過使用強度要求，沒有最大限度地節約原材料，產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。

20世紀50年代以來，隨著有限元方法的產生及其在多個科技領域的廣泛應用，業已成為產品性能分析與仿真分析的一種高效手段。由于其在產品結構分析中的顯著優點，使其成為現代設計的一個重要組成部分。近年來，這一科學而有效的方法也漸被家具設計人員接受并采用。從1966年，Eckelman和Suddarth首先在家具結構分析中采用有限元方法開始，國外研究人員進行了大量的研究，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構，對柜體強度和剛度進行分析［5－6］;采用有限元殼單元，精確計算柜體加載的變形量，同時研究了柜類家具的穩定性［7］;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］。研究人員對椅子有用限元方法也進行了一些研究，包括椅子的側框架強度和穩定性，椅腿和靠背接合處圓棒榫位置和數量對椅結構強度的影響及不同材質椅子的強度等［11－12］。其它家具形式的研究有對沙發前望板離散為互相平行的桁架結構的有限元分析［13］;對實木旋轉樓梯進行有限元分析和全尺寸試驗［14］。國外研究人員對家具結構的有限元分析及優化設計，給出了較為精確的數據和更合理的結構形式，并將分析結構與試驗相比，最大誤差均在30%，說明仿真分析與試驗結果比較符合，說明這種方法適用于適用于家具結構分析，且提高了分析的精度和效率，為生產高品質家具提供了科學的方法。

20世紀80年代以來，我國家具設計和研究人員也開始運用有限元法進行家具設計。主要是對柜類和椅類家具進行了一定的研究。用有限元方法預測了柜類家具不同形式角接合部位的強度和剛度［15－17］;并采用有限元優化方法對書柜隔板長度、位置和支撐件的位置進行了優化設計［18］，與試驗對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家家具力學檢測標準進行了有限元仿真分析和優化設計的結果，未采用試驗驗證［19］。

盡管我國在家具設計上已采用有限元仿真分析，設計精度和質量有了很大的進步，但無論從研究的深度還是廣度上遠不及國外。因此我們應該加強這方面的研究，以提高我國家具設計的效率、精度及質量。

2 有限元法進行家具結構分析的步驟

有限元分析和優化設計技術在家具設計上的廣泛應用，提供了一種有效而實用的方法。下面針對具體實例說明有限元分析和優化設計的主要步驟，以供我國家具設計和研究人員參考。

曲面家具由于具有造型美觀，結構和工藝簡單，適合當代人的審美并能節約材料成為流行的家具樣式。因此研究選用白蠟木層壓彎曲木椅進行有限元分析。彎曲木椅實物如圖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構分析的前提和基礎。此款曲木椅的主要為居家使用，因此參照國標家具力學檢測標準 GB/T 10357.3—1989［20］選取適當載荷及標準進行有限元分析。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試驗測定彈性模量為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，采用智能網格劃分，經分析選用單元劃分精度為4。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顯式非線性動力分析程序。建立模型時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 有限元分析結果

座面靜載荷國標最高5級水平載荷2 000 N加載時的運行結果果如圖4所示，從圖中可以看出，椅最大強度出現在椅腿上彎曲部分，圖中標示MX處最大值為62.7 MPa。加載座面靜載荷椅背靜載荷國標最高5級水平載荷2 000/760 N時的運行結果如圖5所示，得其最大應力值為97.9 MPa，位于椅腿下彎曲部位。沖擊載荷國標5水平沖擊高度300 mm時，運行結果如圖6所示，椅強度最大值為86.7 MPa，位于椅椅上彎曲部位。

圖4 座面靜載荷2000N時的應力分布云圖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時的應力云圖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應力云圖Fig.6 Von mises contour bearing impact at height of 300mm

經試驗驗證，仿真分析與試驗結果最大誤差在33%以內，此有限元分析結果可用。3種載荷狀況的最大應力值為97.9 MPa，且小于材料的破壞強度115 MPa。曲木椅強度滿足國家標準規定的最高5級水平。

3 優化設計對家具結構設計方案的改進

通過前面對彎曲木椅的強度分析知道，其在標準規定的5級水平上均滿足要求，小于材料的破壞強度。而此曲木椅為家庭使用，最高要求在3級水平，所以對于現在的結構來說，屬于安全性過大，造成了資源的浪費。考慮多種因素對椅強度的影響，選擇4級水平對其框架結構進行優化。將優化結果進行圓整后得出的結構重新進行仿真分析，結果列于表1中。

表1 等級4載荷水平彎曲木椅框架不同截面尺寸的最大應力值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力值，均低于材料的破壞強度。但從安全角度并兼顧節省材料上考慮，選定截面尺寸為50 mm×20 mm。

4 結束語

家具結構設計采用有限元分析和優化設計，從眾多可行的設計方案中尋找出最佳設計方案，有效地減少了原材料和能源的浪費，提高了家具設計的質量和效率。在此基礎上，將有限元分析與計算機輔助設計與制造相結合，形成集設計、模擬分析、優化及制造為一體的家具科學體系建立進行更深入全面的研究。努力提升我國家具創新設計能力，實現由家具制造大國向家具設計強國的轉變。

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