防近視多功能學習椅的結構設計和有限元分析

楊國僑　胡敏烽　方萬駿　周霞　季海亮　馬群　張輝

摘 要：設計了一種防近視多功能學習椅，這是一種端正坐姿的功能性學習椅。使用Ansys workbech軟件對防近視多功能學習椅的關鍵部件扶手桿進行了有限元靜力學元分析，得出防近視多功能學習椅的結構合理，達到技術要求。

關鍵詞：學習椅；有限元；模態分析

1 概述

近視眼已經成為現代社會文明病，尤其是我國的青少年近視發病率則高達50%至60%，青少年近視引起家長的不安。沒有良好的用眼習慣，用眼姿勢不正確是影響近視眼發生率的一個主要因素，學生伏案歪頭閱讀等不正確的姿勢導致眼睛的調節負擔，因而增加了眼外肌肉對眼球的壓力，很容易導致近視。中小學生的眼球正處于發育階段，長期的不正確用眼姿勢很容易導致眼球的發育不正常，不正確的用眼姿勢很容易導致近視眼的形成[1]。文章設計一種用于工作學習近距離用眼時的功能性學習椅，矯正坐姿，保證學生看書學習時書本距眼睛30cm左右，從而達到防近視的目的。

2 防近視多功能學習椅的結構設計

防近視多功能學習椅的結構與傳統的座椅相比，可以矯正身姿防近視，使用方便。學習椅的椅座高度可調節，可滿足不同學生對不同椅子高度的需要[2]。防近視多功能學習椅的結構創新點比普通椅子多了擋臂，擋臂高度及角度根據學生體型坐高可調節，擋臂安裝在左右扶手桿的前端，擋臂可擋在胸前，可防止學生看書寫字時過于前傾，端正了學生的坐姿，同時也控制了眼睛到書本的距離。防近視多功能學習椅設計安裝了報警裝置，報警裝置的信號檢測裝置裝于桿臂連接件的下方，報警喇叭和報警發光裝置裝于椅背上。若學生前傾身體使擋臂轉過的角度超過正常轉動角度范圍，則報警裝置就會發出報警聲音，并且報警發光裝置會發出光線，提醒學生寫字姿勢錯誤。整體機構如圖1所示，主要由擋臂機構、椅座、靠背及報警裝置等組成。

防近視多功能學習椅的核心部件是擋臂機構，擋臂機構主要由扶手桿、桿臂連接件和擋臂三部分組成。扶手桿為π形，扶手桿的兩滑動桿穿過緊固件，緊固件位于椅座板上，滑動桿可沿著緊固件上下滑動，緊固件可使扶手桿固定在一定范圍內的任意高度，以適應不同坐高的學生需要。扶手桿也有伸縮功能，外面是一根外徑稍大的鋁合金圓桿，其內為一直徑稍小的圓桿，可滿足不同胖瘦學生或就坐不同的需求，方便擋臂的收縮。當伸長扶手桿上桿，擋臂收縮時不會碰到身體。在扶手桿上桿的前端裝有桿臂連接件，連接了扶手桿和擋臂。擋臂可繞桿臂連接件轉動，以達到收縮的功能。

3 防近視多功能學習椅的靜力學分析

從防近視多功能學習椅的結構可知，防近視多功能學習椅的扶手桿的跨度最大，要承受胳膊的重力壓迫，為柔性體易變形，左右扶手桿相同且對稱布置，此防近視多功能學習椅的左右扶手桿切向的受力最大和力矩最大，扶手桿的可靠性、精確定位及穩定性如果滿足條件，其他部件自然滿足要求，因此文章只對防近視多功能學習椅的扶手桿進行了有限元分析[3]。左右扶手桿由鋁合金型材構成，主要是支撐作用，因此要求材料的剛度與韌性好。因此，Solidworks軟件中建立了左右扶手桿梁實體模型，導入ANSYS workbench軟件中進行有限元分析。扶手桿的材料的密度ρ是2770kg/m3，材料的楊氏彈性模量E是7.1*1010Pa，材料的泊松比μ是0.33。扶手桿的橫截面是圓環，采用ANSYS workbench軟件自動網格劃分[3]。

扶手桿上的載荷主要是均布載荷、集中載荷、扭矩載荷[4]。均布載荷指扶手桿自身重量；集中載荷指的是胳膊壓上的重量；防近視多功能學習椅的扶手桿還受到擋臂的扭矩作用，因此會產生扭矩載荷，扭矩載荷位于扶手桿頂端，根據線性偏移等量變換也可施加到扶手桿的中部。分析可知，集中載荷越靠近扶手桿中心，則扶手桿形變越大。扶手桿所受集中載荷、均布載荷、扭矩載荷分析示意圖如圖2所示。

使用ANSYS workbench軟件對扶手桿進行有限元分析，得到扶手桿在防近視多功能學習椅的應變圖。扶手桿應變量的最大位置是集中載荷、自身的均布載荷處于扶手桿的中部，扭矩載荷處于扶手桿頂端位置，因此只需分析均布載荷、集中載荷、扭矩載荷處于中心位置是否滿足條件即可判定扶手桿是否滿足設計要求[5]。扶手桿兩端通過簡化可認為是固定端約束，然后給扶手桿加載集中載荷、均布載荷、扭矩載荷，扶手桿受到彎矩最大的位置是扶手桿的中部，得到載荷處于扶手桿中心位置時的應變圖如圖3所示。

從圖3扶手桿有限元應變圖可知，扶手桿在垂直方向的變形相對于其他兩個方向的變形要大得多，且變形關于其中心對稱，扶手桿最大變形是0.2mm，變形量遠低于設計技術要求。

4 結束語

使用Solidworks軟件建立了防近視多功能學習椅的三維圖，并使用ANSYS workbench軟件對學習椅進行了靜力學分析，得到應變圖。從應變圖可知，此防近視多功能學習椅的設計合理，結構簡單。使用ANSYS workbench軟件分析設計防近視多功能學習椅的方法明顯縮短了產品開發周期，增強產品的可靠性，此方法為以后防近視多功能學習椅的設計提供了一種快速的方法，可以推廣使用。

參考文獻

[1]方萬駿，楊國僑，等.防近視多功能學習椅的設計[J].科技視界，2015（30）：39.

[2]林悅.廈門市中小學教室課桌椅及光環境的工效學研究[D].福建師范大學，2005.

[3]徐丹妮.中小學生課桌椅的設計研究與實踐[D].武漢理工大學，2013.

[4]陸劍雄，張福昌，申利明.坐姿與座椅設計的人機工程學探討[J].人類工效學，2005（4）：44-46.

[5]陸劍雄.無錫中小學普通教室課桌椅設計的人機工程學研究[D].南京林業大學，2008.

作者簡介：楊國僑，嘉興學院機電工程學院機械122班學生。