鋁合金一體式折疊桌椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及方案優(yōu)化

王樂洋，張宗鑠，張志宇，王洪卓，邵倩男，李 斌

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

折疊桌椅是一種輕便、可疊放且具有藝術(shù)價(jià)值的桌椅，既方便搬動(dòng)，又節(jié)省空間[1-2]。通常折疊桌椅按用途可以分為家用折疊桌椅、戶外折疊桌椅、會(huì)議折疊桌椅等。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活和工作方式對(duì)家具的使用產(chǎn)生了新的需求，一種造型多樣、用途廣泛、承載能力強(qiáng)、操作靈活、價(jià)格優(yōu)惠、便攜的一體式折疊桌椅應(yīng)運(yùn)而生，市場(chǎng)需求量巨大[3-5]。根據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，全球折疊家具市場(chǎng)年均增長(zhǎng)率為6.9%，預(yù)計(jì)2022年全球折疊家具市場(chǎng)交易額將達(dá)到839億元[4-6]。折疊桌椅作為折疊家具中的一種細(xì)分產(chǎn)品，其市場(chǎng)前景同樣廣闊[7]。

鋁合金具有質(zhì)量輕、塑造性強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于折疊桌椅中，常見的是一桌四椅的結(jié)構(gòu)形式，用途廣泛，經(jīng)常應(yīng)用于戶外以及大型的會(huì)展中心。鋁合金折疊桌椅更是一些機(jī)構(gòu)戶外推廣、百姓戶外野餐自駕游等使用最頻繁的產(chǎn)品[8-10]。結(jié)構(gòu)上，這類產(chǎn)品按照力學(xué)原理設(shè)計(jì)而成，架構(gòu)堅(jiān)固，使用壽命長(zhǎng)，操作簡(jiǎn)單，使用方便；價(jià)格上，比較實(shí)惠，根據(jù)質(zhì)量、大小價(jià)格也會(huì)有所不同，可以滿足消費(fèi)者眾多需求。

1 原始設(shè)計(jì)方案

1.1 原始設(shè)計(jì)參數(shù)

鋁合金折疊桌椅具有輕質(zhì)高強(qiáng)、外觀美觀、易于攜帶、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、不易銹蝕、可回收利用的特點(diǎn)[5]。

此次設(shè)計(jì)的鋁合金一體式折疊桌椅為一桌四椅結(jié)構(gòu)，材料為6061-T6/T4鋁合金，主要連接方式為螺接及鉚接，折疊桌椅打開狀態(tài)尺寸為1306 mm×850 mm×720 mm，關(guān)閉狀態(tài)尺寸為850 mm×375 mm×140 mm，桌面承載量為100 kg，椅子承載量為90 kg，該折疊桌椅總用鋁量為11.7 kg。該鋁合金一體式折疊桌椅打開狀態(tài)二維圖如圖1所示，關(guān)閉狀態(tài)二維圖如圖2所示。

圖1 鋁合金一體式折疊桌椅打開狀態(tài)二維圖

圖2 鋁合金一體式折疊桌椅關(guān)閉狀態(tài)二維圖

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋁合金一體式折疊桌椅由桌面結(jié)構(gòu)、桌椅折疊連接件結(jié)構(gòu)及椅子結(jié)構(gòu)組成，桌面結(jié)構(gòu)采用6061-T4鋁合金材料，桌椅折疊連接件結(jié)構(gòu)多為塑料材質(zhì)，其主體架構(gòu)采用6061-T6鋁合金材料，椅子結(jié)構(gòu)均采用6061-T6鋁合金擠壓型材。桌面結(jié)構(gòu)采用螺接及鉚接結(jié)合的方式；桌面結(jié)構(gòu)、桌椅折疊連接件結(jié)構(gòu)及椅子結(jié)構(gòu)采用螺接的連接方式。另外，各結(jié)構(gòu)均采用銀白氧化的表面處理方式，以提高桌椅使用壽命，降低維修成本。鋁合金一體式折疊桌椅三維數(shù)模如圖3所示。

圖3 鋁合金一體式折疊桌椅三維數(shù)模

2 原始方案仿真分析結(jié)果

針對(duì)此次設(shè)計(jì)的鋁合金一體式折疊桌椅，桌椅腿部與地面固定連接。根據(jù)實(shí)際使用工況及參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 28478-2012《戶外休閑家具安全性能要求桌椅類產(chǎn)品》的要求，在桌面中心位置加載集中載荷（500 N），在椅子中間位置、距一邊側(cè)面80 mm處加載集中載荷（1 100 N），然后進(jìn)行靜力學(xué)分析，校驗(yàn)強(qiáng)度和剛度是否滿足使用要求。

有限元分析結(jié)果表明：鋁合金一體式折疊桌椅的最大應(yīng)力為229.6 MPa，小于6061-T6擠壓鋁合金的屈服強(qiáng)度240 MPa，而最大變形量為6.845 mm，并未產(chǎn)生明顯變形，不會(huì)破壞桌面主體結(jié)構(gòu)。因此，該鋁合金一體式折疊桌椅的剛度和強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 原始方案產(chǎn)品缺陷分析

根據(jù)原始設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)樣件，并用于實(shí)際試驗(yàn)。為驗(yàn)證產(chǎn)品性能是否滿足使用需求，4個(gè)成年人分別坐在該樣件的椅子上，發(fā)現(xiàn)該樣件椅面縱向?qū)嶋H使用長(zhǎng)度較短，椅面型材較薄；當(dāng)4人同時(shí)坐在椅面上時(shí)，椅面出現(xiàn)明顯變形且結(jié)構(gòu)晃動(dòng)。另外因椅面與桌面范圍有限，人長(zhǎng)期坐在椅面上容易出現(xiàn)疲累現(xiàn)象，舒適度差，且生產(chǎn)初期，未對(duì)零件結(jié)構(gòu)做圓角處理，存在尖角結(jié)構(gòu)，安全性能較差。針對(duì)以上缺陷，需對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.1 優(yōu)化改進(jìn)方案

由于一體式折疊桌椅原始方案存在承載量低、舒適度差、安全性無保障等問題，故對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)[6]。在折疊狀態(tài)尺寸不變情況下，桌椅展開后總長(zhǎng)度由1 306 mm變?yōu)? 400 mm，椅面縱向長(zhǎng)度由268 mm增至最大310 mm，使空間利用率最大化；新增椅背結(jié)構(gòu)，增加產(chǎn)品舒適度，椅背結(jié)構(gòu)利用L型插銷連接固定，拆裝便捷；另考慮到人員體重的日漸增加，故增厚椅面板型材壁厚，將椅子承載量提升至150 kg；原始方案鋁合金折疊桌椅的椅子采用正方形椅面，存在尖角結(jié)構(gòu)，極易劃傷使用者。現(xiàn)利用鋁材加工的優(yōu)勢(shì)，改變鋁型材截面，在椅面型材截面增加圓角，且桌椅邊緣處均設(shè)計(jì)為圓弧封邊結(jié)構(gòu)，以保護(hù)使用人員的安全，更加人性化。改進(jìn)優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 鋁合金一體式折疊桌椅優(yōu)化方案三維數(shù)模

4.2 方案對(duì)比分析

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)了鋁合金一體式折疊桌椅原始設(shè)計(jì)方案中的不足之處，具體方案對(duì)比分析結(jié)果如表1所示。

表1 鋁合金一體式折疊桌椅方案對(duì)比分析結(jié)果

5 小結(jié)

針對(duì)鋁合金一體式折疊桌椅原始方案存在的承載量低、舒適度差、安全性無保障等問題進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化后的鋁合金一體式折疊桌椅方案在滿足使用工況的同時(shí)，提高并完善了產(chǎn)品的空間利用率和安全可靠性，提升了桌椅的使用舒適性。鋁合金一體式折疊桌椅由于其材料回收殘值大等特點(diǎn)，符合國(guó)家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保發(fā)展理念，實(shí)現(xiàn)可循環(huán)使用。同時(shí)由于其質(zhì)量輕、耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，必將具有廣闊的市場(chǎng)前景。經(jīng)過實(shí)踐與優(yōu)化，該產(chǎn)品實(shí)用、穩(wěn)定，具有一定的推廣價(jià)值。