多功能樓梯椅的設計及關鍵部件受力分析

姜德龍 劉海慶

摘要：本文通過介紹一種多功能樓梯椅的結構和使用條件，為以后設計適應我國小戶型家庭家具提供理論依據。針對樓梯椅的椅子和梯子兩種形態，分別在座位和臺階位置施加2000N的垂向壓力，經有限元受力分析可得，椅子和梯子所受最大應力分別為1.5Mpa和3.9Mpa，從靜力學角度分析，多功能樓梯椅的兩種形態完全符合使用要求。

關鍵詞：樓梯椅；一具多用；有限元；受力分析

引言

伴隨我國房地產產業的不斷發展，近年來多地出現“高房價，高供給”現象，然而許多外出打工的群體以及當地的工薪階層，為滿足住宅需求[1]，大多數人選擇小戶型或者迷你戶型的住宅，這樣的戶型價格相對便宜，結構簡單，易于裝修[2]。為了促進我國房地產產業發展和滿足人們對住宅的需求，國務院在2006年5月7日，頒布《國務院關于促進房地產產業健康發展的六條意見》，意見中明確指出“套型建筑面積90%以下的住宅面積占比重必須達到開發建筑總面積70%以上”，可見小戶型房產政策將成為以后的發展方向[3]。然而，窄小的居住空間內，不僅要有家庭成員基本活動的空間，還要滿足家庭內各式各樣家具的擺放。據統計，大部分家庭空間內，家具占有57%左右的面積。而且目前國家開放二胎政策，家庭成員不斷增多的同時，使用的必需品和工具也越來越多。

綜上所述，對于小戶型有限空間內，如果一個工具不僅僅具有自己的功能，而且還能實現一具兩用或一具多用，可減少家具在整個小戶型家庭空間內占比。多功能樓梯椅就是這樣一個集椅子、梯子和置物架于一體的工具。

1.總體方案

日常生活中，我們經常會將物品放在房間的高處，但是取物品時常常要用到梯子，但是梯子也就僅僅在拿高處物品時才能發揮用處。一般的家庭內都會用到椅子，但是一般家庭只準備家庭本人口數的椅子，如果有客人來，日常的椅子就不能滿足需要。如果有一個家具，在閑置時可以當做置物架，擺放書本、花卉、玩偶等。將它折疊起來，可以招待客人，當椅子使用，展開時可以當梯子使用。樓梯椅就是這樣一個，兼具椅子、梯子和置物架作用的家具。

1.1整體結構

多功能樓梯椅主要由底座、椅背、轉動軸和緩沖裝置等組成。結構如圖1所示。其中，底座作為整個系統的主要承重裝置，利用四個支撐腿，起平衡支撐作用，椅背可以分為上下兩個部分，上半部分為類似椅子結構，下半部分與底座的斜腿形成統一角度進行契合，共同起支撐作用。轉動軸連接椅背和底座，緩沖裝置起保護作用[4]。

1.2工作原理

多功能樓梯椅可以實現兩種形態。當作為椅子使用時，底座的四個支撐腿平穩接觸地面，支撐腿的前半部分與地面成45°，可以增加結構整體的穩定性，也可以在當梯子使用時增加斜向摩擦力，起防滑作用。四個支撐腿的上部連接一平板，此平板作椅子使用時，隱藏在結構內。椅背可分為上下兩個部分，上部分具有椅子的結構，可以供人休息，下半部分有一對支撐腿與底座的支撐腿與地面形成相同角度并契合，增加結構的負重能力，支撐腿之間連接一隱藏平板，如圖2（a）所示。當作為梯子使用時，要將整個結構的椅背部分繞轉動軸進行180°翻轉，椅背在轉動軸位置，與底座連接處具有一定弧度，可以隨意進行旋轉，在轉動軸位置具有緩沖裝置，可以減輕椅背與底座的碰撞。翻轉之后，之前作為椅背使用的部分達到地面，作為支撐部件使用。原來椅背坐墊位置的背面，作為梯子的第二個臺階使用，而與底座前腿契合的支撐腿之間的隱藏平板作為第三個臺階使用，如圖2（b）所示。

1.3有限元建模

應用ANSYS bench軟件對樓梯椅的兩種形態進行結構特性和受力分析，通過施加具體數值載荷，進行整體網格劃分和有限元分析，確定樓梯椅工作過程的受力情況，為以后提高結構合理性和延長使用壽命提供依據。

1.3.1 材料屬性

樓梯椅使用材料為三合板，其性質為：密度為0.6×103kg/m3，彈性模量為15GPa，泊松比為0.27。

1.3.2有限元分析

首先應用三維軟件UG建立樓梯椅的三維幾何模型。針對樓梯椅的兩種形態進行受力分析。根據計算需要，對椅子的臺階和座椅位置進行了倒圓角處理。應用hypermesh軟件進行網格劃分，網格劃分的優劣對模型受力分析有很大影響。本模型采用四面體實體網格劃分，網格平均尺寸為10mm，共有121886個單元。

在workbench中整個模型加載重量加速度，三個零件之間設置面面接觸，在座椅底部用剛性平面模擬地面，設置地面與零件之間的接觸，所以接觸的摩擦系數為0.3。針對座椅及梯子兩種狀態，椅子形態受到主要載荷為作用在座位上，梯子形態受到的主要載荷作用在最高階臺階處，分別施加2000N的垂向力。

（1）樓梯椅椅子形態有限元分析

經求解得到位移云圖和應力云圖，如圖3所示。通過分析可得，樓梯椅狀態位移云最大為0.23mm，最大應力為1.55Mpa。由應力分析圖可知，椅子最大應力出現在椅背座位下端的支撐腿位置，由于材料最大應力為15Gpa，所以從靜強度觀點來看，樓梯椅的結構完全滿足實際使用要求。

（2）樓梯椅樓梯形態有限元分析

經求解得到位移云圖和應力云圖，如圖4所示。

通過分析可得，樓梯椅狀態位移云最大為0.31mm，最大應力為3.9Mpa。由應力分析圖可知，樓梯椅最大應力，與椅子形態相同，同樣出現在第三階臺階下端的支撐腿位置，材料最大應力為15Gpa，所以從靜強度觀點來看，樓梯椅的結構完全滿足實際使用要求。

參考文獻：

[1]黃薇.小戶型住宅的實用與舒適的設計探討[J].家具與室內裝修.2013（5）：15

[2]陳熙.系統化視角下的小戶型住宅家具設計研究[J].包裝工程.2015，36（22）：112-115

[3]雷鳴.論擴展小戶型家居的產品創新設計[J].包裝工程.2014，35（22）：37-40

[4]韓寶泰.一種折疊樓梯椅：中國，201520606657.2[P].2015-08-13

作者簡介：

姜德龍（1989-），男，遼寧省大連市人，碩士，研究方向：農業機械化工程。

項目名稱：

2017年云浮市科技計劃項目”羅竹“星創天地空間平臺（項目編號201702-7）；2018年廣東大學生科技創新培育專項資金項目（攀登計劃專項）（項目編號pdjhb0939）多功能樓梯椅