一種家用健身器材結構優化研究

王東峰

摘 要：隨著家庭內健身的流行，許多家用健身器材應運而生。文章針對一種家用健身器材進行了分析，并提出了結構優化設計方案，取得良好改進效果。為該類健身器材的結構優化研究提供參考依據。

關鍵詞：家用健身器材；有限元分析；結構優化

隨著社會的不斷發展，人們的物質生活水平不斷提高，對生活質量的要求也隨之提升。而健康作為人們一種永恒的追求，是人們生活質量指標中重要一項，為了獲得健康的身體，越來越來的人開始重視體育鍛煉[ 1 ]。

由于現代生活的節奏，和受霧霾頻發影響，家庭內健身成為很多人的首選。家用健身器材市場也因此變得火熱起來，各種形式的家用健身器材遍布各大電商平臺。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，成為許多家庭內健身者的選擇。下面針對此種家用健身器材進行分析，并對其結構優化進行了探討。

1 整體結構分析

家用引體向上器的種類多樣，但其基本結構大同小異，大多是將健身器放置于門框上，利用結構和門框及墻面之間產生的作用力工作。現對主流的幾種結構進行分析簡化后進行建模，如圖1所示，其中上彎管上的1平面至于內側門框上和墻面接觸，曲面2至于門框另一側和門框接觸，曲面3為施力處。該類健身器多為通過電商平臺銷售，為便于郵寄采分體結構，通過螺栓連接固結在一起。出于成本考慮，結構多采用尺寸一致的空心管型材。

2 結構有限元分析

為了充分了解該種健身器材的工作情況，和便于下一步結構優化和輕量化等強度設計[ 2 ]，對其進行有限元分析。將1平面和2曲面固結，在3處施加垂直向下的載荷。大多數引體向上器的最大承載載荷在200KG左右，因此載荷大小設置為2000N。

經有限元分析，最大應變出現在施加載荷的最末端，其大小為5.18mm。整體應力分布如圖2所示。從應力分布上可以看出整體應力分布非常不均勻，應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。最大應力出現在上彎管和下橫桿的連接部位。通過應力分析可知上彎管和下橫桿采用等尺空心管不符合等強度設計原則，對充分發揮材料的性能不利，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小。

3 結構優化

基于上述分析，現對結構進行優化。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為U形。重新建模后進行有限元分析，改進后的結構在相同載荷下最大應變變為了3.19mm，其應力分布如如圖3所示。

最大應力值下降十分明顯。這對充分發揮材料的性能和進一步的輕量化設計提供了依據，并有效的提高了結構的抗偶然過載能力，提高了使用安全系數。

4 結論

通過對該種健身器材的結構進行有限元分析，提出了改進措施，使得該結構在同等載荷下最大應力應變大大降低。此種研究方法為此類家用健身器材的優化設計提供了參考依據。

參考文獻：

[1] 鄭維維.戶外公共健身器材改進設計與通用設計原理運用的思考[D].同濟大學建筑與城市規劃學院，2008.

[2] 王收軍，毛薛輝.造波機中橫梁結構有限元分析及優化設計[J].制造業自動化，2014，（16）：90-92，99.