一種多功能一體化床柜裝置設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件的有限元分析*

曹嘉舜 ， 白金友 ， 劉春雨 ， 李鑫宇 ， 崔有正 ， 李 明

（齊齊哈爾大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

0 引言

目前，市場(chǎng)上充斥著各種各樣的床柜，這些床柜性能良莠不齊，而且價(jià)格普遍虛高。通過大量的市場(chǎng)調(diào)研，課題組認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)物美價(jià)廉的多功能一體化床柜是非常有必要的。該床柜在一定程度上采用了新型材料，對(duì)于節(jié)能方面也作出了很大的調(diào)整。基于對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查，報(bào)告顯示，大多數(shù)人趨向于選擇簡(jiǎn)單易操作的家具，并且家具要保證整體不會(huì)過大而略顯臃腫，才會(huì)更受消費(fèi)者的喜愛。很多消費(fèi)者會(huì)選擇占用空間小且功能多的家具，這樣保證了室內(nèi)空間的視野，而且會(huì)讓房間整體布局大氣。現(xiàn)在城市里更多的戶型是小戶型，隨著生活水平的提高，需要的生活工具也會(huì)越來越多，但整體的空間是有限的，這時(shí)一體化床柜的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來了[1-2]。

選擇了一體化床柜就會(huì)有更多的空間去安排其他的生活工具，不會(huì)因?yàn)檎加每臻g過大導(dǎo)致房屋擁擠。且市場(chǎng)上其他床柜價(jià)格普遍偏高，性能卻略顯不足，這就更加地凸顯了一體化床柜的優(yōu)勢(shì)，不但價(jià)格優(yōu)惠，而且功能也更加多樣。通過各種功能的有機(jī)結(jié)合，產(chǎn)生床柜的整體優(yōu)勢(shì)。且床柜構(gòu)造簡(jiǎn)單、材料輕便，個(gè)人即可完成裝卸，操作易懂。采用的新型材料具有環(huán)境友好、重量輕便、不會(huì)產(chǎn)生刺激性氣味且外觀優(yōu)美等特點(diǎn)。整體的設(shè)計(jì)圍繞節(jié)能環(huán)保、智能人性化、物美價(jià)廉進(jìn)行。課題組運(yùn)用solidworks軟件對(duì)其重要的部件進(jìn)行了有限元分析，通過有限元分析的結(jié)果，可以清楚地知道該床柜重要部件的各項(xiàng)性能指標(biāo)，了解該床柜是否滿足設(shè)計(jì)的要求。

1 多功能一體化床柜設(shè)計(jì)及工作過程分析

1.1 設(shè)計(jì)理念

該床柜的設(shè)計(jì)理念是基于傳統(tǒng)床柜形式進(jìn)行創(chuàng)新，融入了日常生活中的常用元素，使之占地面積更小，但可以實(shí)現(xiàn)的功能卻比傳統(tǒng)的床柜更多。在其他床柜只具有普通儲(chǔ)物功能的基礎(chǔ)上，該床柜增加了梳妝臺(tái)、辦公桌、床頭桌等一系列工具，讓消費(fèi)者更加方便地利用空間，并且利用遙控便可以操控整體床柜，感受更加便捷的使用體驗(yàn)[3-4]。床柜整體采用新型材料，保護(hù)環(huán)境且材料輕便，個(gè)人能更加輕松地拆卸床柜，且組裝簡(jiǎn)單易懂。耗能問題也得到了解決，不同于其他大功率機(jī)器，該床柜自動(dòng)化，耗能低。床柜內(nèi)部更是加入了照明、烘干等一系列的功能，使之更加具有智能感。該床柜最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以完美解決傳統(tǒng)床柜占地面積過大的通病，這是其他床柜所不具備的。

1.2 工作過程分析

該床柜通電以后，內(nèi)部的消毒烘干系統(tǒng)將進(jìn)行工作，并且可以通過智能顯示屏顯示工作狀態(tài)和工作參數(shù)。床柜配有一個(gè)照明燈，可以在室內(nèi)無光條件下提供光源。床柜的下方帶有配套的床和床頭桌，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化室內(nèi)空間，在床柜側(cè)面配備了一個(gè)梳妝臺(tái)，可以增加床柜的使用空間。

1.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 重要部件的有限元分析

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，研究中可以運(yùn)用一些軟件對(duì)重要部分進(jìn)行有限元分析，以此來驗(yàn)證產(chǎn)品的性能是否符合設(shè)計(jì)要求。

所謂有限元分析，主要是借助數(shù)學(xué)近似法，模擬幾何圖形以及荷載工況，并通過有限元單元對(duì)于真實(shí)系統(tǒng)展開分析，通過有限量探究未知量，甚至無限量。簡(jiǎn)單來講，有限元分析的過程也是化繁為簡(jiǎn)的過程，使用大量簡(jiǎn)單函數(shù)替換復(fù)雜的函數(shù)模型。流程為先建模，之后將結(jié)構(gòu)離散化，對(duì)單元以及整體展開分析。

本研究采用solidworks軟件建立了單人床的床板幾何模型，并運(yùn)用solidworks軟件針對(duì)單人床的床板進(jìn)行了有限元分析，分別分析了床板能夠承受的最大應(yīng)力和床板受力以后發(fā)生的最大形變。

本研究以模擬100 kg的重量作用在床板上的情況作為研究對(duì)象，可以支撐大部分用戶的重量，具有普遍性。

3 有限元分析結(jié)果

有限元分析結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 床板受應(yīng)力的有限元分析

圖3 床板受應(yīng)力發(fā)生位移的有限元分析

由分析結(jié)果可知，床板可以承受的最大應(yīng)力為7.1×103N/m2，小于屈服力2×107N/m2，床板會(huì)發(fā)生的最大形變?yōu)?.71×10-3mm，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 多功能一體化床柜特點(diǎn)

1）該床柜拆卸簡(jiǎn)單，手動(dòng)遙控控制，制作成本低。有效地解決了當(dāng)代年輕人房屋面積小的問題，能滿足大部分人的需求。

2）該床柜可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合消毒、烘干等功能于一身，根據(jù)室內(nèi)狀態(tài)的不同，使用者的需求不同，使用者可以遙控裝置的開關(guān)，以巧妙的多種設(shè)計(jì)解決生活帶來的種種困擾。

3）該床柜適用的人群廣，因采用的材料成本不高，使用方法簡(jiǎn)便，適用的人群年齡范圍也更加廣泛。根據(jù)使用者的需求不同，可以調(diào)配出各種功能用以解決生活問題。加上其節(jié)約能源的特性，可以讓本產(chǎn)品走進(jìn)更多人的生活。

4）該床柜在世界上仍處于研發(fā)階段，有良好的發(fā)展方向，具有適用人群廣、自動(dòng)化等特性，并且其功能多樣化也被很多的人所需求，經(jīng)濟(jì)效益開發(fā)潛力巨大。既可以用于工作化妝，又可以用于休閑娛樂，可以自主進(jìn)行搭配。

5）通過有限元分析可以知道，該床柜配備的單人床可以滿足較多人的要求，而且變形小，可以承受的應(yīng)力大，解決了很大一部分空間問題。

6）該床柜經(jīng)濟(jì)效益高。因現(xiàn)有的床柜處于發(fā)展瓶頸，存在浪費(fèi)空間、實(shí)用性低等各種問題，人們普遍都不會(huì)去選擇。而多功能一體化床柜解決了這些問題，節(jié)約能源且美觀實(shí)用，更加符合現(xiàn)代人對(duì)于家具的需要，可以創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。

7）該床柜功能多，不同于其他床柜只具有普通的儲(chǔ)物功能，多功能一體化床柜具有梳妝、凈化空氣、除潮除濕等一系列功能。通過遙控即可簡(jiǎn)易操控。

5 結(jié)束語

該床柜的設(shè)計(jì)巧妙，集各種設(shè)施于一身，使其具有非常強(qiáng)大的功能，且該床柜客戶針對(duì)性強(qiáng)，受環(huán)境影響較小，在大多數(shù)人處于小康的年代，該床柜會(huì)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于國(guó)內(nèi)社會(huì)來說，該床柜可以滿足絕大部分人的需要，對(duì)于住房面積小的住戶更是十分友好。并且，通過有限元分析的結(jié)果可知：床板可以承受的最大應(yīng)力為7.1×103N/m2，最大形變?yōu)?.71×10-3mm。由此可知，該床柜各項(xiàng)指標(biāo)都符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)的要求，質(zhì)量良好。經(jīng)過大量市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該床柜具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。