多功能性床身與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相平衡問題研究

摘" 要：針對(duì)折疊家居多功能性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的平衡問題，提出一種解決辦法。首先對(duì)折疊床進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，裝配并實(shí)現(xiàn)折疊過程，然后運(yùn)用有限元軟件對(duì)折疊床通用部件進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析，通過應(yīng)力分析云圖分析折疊床的受力情況以及改進(jìn)之處，然后改變折疊床的機(jī)械結(jié)構(gòu)，再分析設(shè)計(jì)，最終達(dá)到壓縮空間體積與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相適應(yīng)的目的。

關(guān)鍵詞：折疊床；多功能；有限元；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TH164" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）14-0114-05

Abstract： Aiming at the balance problem of multifunctional and structural stability of folding home， this paper puts forward a solution. Firstly， the folding bed is modularized， assembled and folded. Then， the finite element software is used to analyze the static stress of the general components of the folding bed. Through the stress analysis cloud chart， the stress situation and improvement of the folding bed are analyzed. Then， the mechanical structure of the folding bed is changed， and the design is analyzed. Finally， the compression space volume is adapted to the structural stability.

Keywords： folding bed; multi-function; finite element; structural optimization; stability

目前市面上各種折疊家居產(chǎn)品以多功能性及美觀為主要設(shè)計(jì)元素，忽視舒適性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成功能性較為復(fù)雜的折疊產(chǎn)品容易出現(xiàn)問題，不便于維修。文章以折疊床作為案例（圖1），在同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)加入力學(xué)分析以提高其安全穩(wěn)定性。

《2022—2028年中國戶外折疊床發(fā)展現(xiàn)狀分析與前景趨勢報(bào)告》[1]主要從戶外折疊床產(chǎn)業(yè)規(guī)模、戶外折疊床市場供需狀況、戶外折疊床市場競爭狀況以及戶外折疊床主要企業(yè)運(yùn)營狀況等方面進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)戶外折疊床產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展進(jìn)行了科學(xué)預(yù)測。報(bào)告通過收集中國戶外折疊床行業(yè)市場調(diào)研資料、國內(nèi)外戶外折疊床市場權(quán)威數(shù)據(jù)資源以及市場監(jiān)測相關(guān)信息建立數(shù)據(jù)庫；《2022—2028年中國簡易折疊床行業(yè)調(diào)查與市場供需預(yù)測報(bào)告》內(nèi)容涵蓋了戶外折疊床產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造及銷售等各個(gè)方面，我國早期折疊家具主要由折疊椅組成，折疊椅多由皮革、織物等軟質(zhì)材料構(gòu)成，目前軟質(zhì)材料做成的折疊機(jī)構(gòu)，以其特有的扳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使其使用起來更加靈活合理，使得折疊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用范圍更廣。

但是仍然存在一些問題亟待解決。例如：經(jīng)濟(jì)性與舒適性的相互統(tǒng)一，多功能性，以及隨著技術(shù)的進(jìn)步具備各種智能家居的交互功能，本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)多功能折疊床人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。

1" 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行的家具、家用簡易床和折疊床安全標(biāo)準(zhǔn)[2]；根據(jù)通常旅居點(diǎn)空間環(huán)境，折疊家具關(guān)鍵要素是對(duì)空間的占有率較小，利用率較高，從生活實(shí)際出發(fā)要求一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及舒適性，所以設(shè)計(jì)中需滿足下述要求。

1）床尺寸1 900 mm（長）×380 mm（高）×530 mm（寬）。寬度設(shè)計(jì)可略大于標(biāo)準(zhǔn)尺寸，能夠提升使用者舒適度。

2）包含萬向輪可移動(dòng)和折疊，折疊后可作椅子被鎖定，減少空間占用。

3）滿足功能的同時(shí)盡量結(jié)合市面常見零部件、材料完成，滿足經(jīng)濟(jì)性以及互換性要求，便于維護(hù)。

4）重量不超過25 kg，滿足承量的同時(shí)不額外增加重量。

5）安全平穩(wěn)、操作便捷、不夾手、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，符合人機(jī)工程學(xué)，性價(jià)比高，耐用。

折疊床主要由頭框、背框、座框、活動(dòng)腳架和外腳架組成。頭框、背框、座框由連接圓管進(jìn)行連接并實(shí)現(xiàn)折疊作用，如圖2所示。

背框內(nèi)部零件之間采用電阻焊連接，這種辦法焊接的工件變形小，而且焊接速度快、成本低。背框主要由連接圓管、連接圓條、轉(zhuǎn)軸管和面板連接矩管組成。連接圓管的作用是組成折疊床外輪廓形狀，提供外輪廓支撐，增加承重。轉(zhuǎn)軸管為轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，提供轉(zhuǎn)動(dòng)自由，使頭框與坐框產(chǎn)生自由度。面板連接矩管的作用是固定背框木板，增加垂直承重量，增加折疊床所承重量的主要裝置，如圖3所示。

座框組成部分為連接圓管、面板連接矩管。座框焊接部分的作用與背框阻焊作用大致相同，但多了一個(gè)與活動(dòng)腳架連接的作用。頭框由連接圓管、面板連接矩管和連接片組成，主要作用是連接背框阻焊與外架邊腳。活動(dòng)腳架與外腳架共同來實(shí)現(xiàn)支撐的目的，如圖4和圖5所示。

座框尺寸、背框尺寸：530 mm（長）×530 mm（寬）；鋼管壁厚：2.5 mm；管直徑：25 mm。頭框尺寸：700 mm（長）×530 mm（寬）；鋼管壁厚：2.5 mm；管直徑：25 mm。座框與頭框建模與背框零件形狀一樣。

框架間采用連接活動(dòng)架連接，實(shí)現(xiàn)座框之間轉(zhuǎn)動(dòng)。總裝圖如圖6所示。

1.2" 材料分析

折疊床主要材料為鋼管與皮革海綿墊，針對(duì)這2種材料進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果來選擇最優(yōu)的材料。人造皮革是通過復(fù)合膠水將皮革和海綿連接到一起的一種材料[3]。人造皮革主要分為PVC人造革、PU人造革和PU合成革，按照材料分為聚氯乙烯、聚酰胺和聚氨酯3類，生產(chǎn)方法主要是轉(zhuǎn)移涂覆法、壓延貼合法和擠出貼合法。由于考慮到重量和舒適性，更換為布海綿墊，見表1。

1.3" 運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建

設(shè)置運(yùn)動(dòng)副，座框運(yùn)動(dòng)方式為滑動(dòng)副，方向?yàn)閄Y方向；連接件運(yùn)動(dòng)方式為轉(zhuǎn)動(dòng)副，方向順時(shí)針；背框運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)副，方向?yàn)轫槙r(shí)針；頭框運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)副，方向?yàn)轫槙r(shí)針。最后求解施加運(yùn)動(dòng)折疊過程如圖7所示。

2" 有限元分析

基于最小勢能理論，材料選擇、網(wǎng)格劃分、固定約束、施加力。最終求解得出仿真圖和曲線圖。分析流程如圖8所示。

2.1" 結(jié)果分析

有限元仿真主要對(duì)活動(dòng)腳架和外腳架最大承重分析，45號(hào)鋼，屈服應(yīng)力為355 MPa。市面上一般折疊床承重為150 kg，根據(jù)這個(gè)重量進(jìn)行受力分析。主要承重部位為外腳架和活動(dòng)腳架2部分，對(duì)2部分進(jìn)行受力分析，活動(dòng)腳架單個(gè)鋼管承重為122.5 N，外腳架單根鋼管承重為367.5 N，根據(jù)這些參數(shù)，對(duì)2部分進(jìn)行有限元分析。

圖9為活動(dòng)腳架位移節(jié)點(diǎn)圖，由圖可知最大位移為3.581E-004，位移大小為3.581×10-4。這個(gè)位移量對(duì)活動(dòng)腳架沒有影響。

圖10為活動(dòng)腳架應(yīng)力節(jié)點(diǎn)圖，根據(jù)圖中求解的信息可知，對(duì)活動(dòng)腳架施加豎直向下的力，活動(dòng)腳架前半部分受力很小，后半部分承受力較大。但前后部分使用材料一樣，造成了材料浪費(fèi)，增加了床身重量，根據(jù)有限元分析圖可以對(duì)一部分進(jìn)行材料削減，或者改變結(jié)構(gòu)來改進(jìn)。

圖11為活動(dòng)腳架位移節(jié)點(diǎn)圖，由圖可知最大位移為6.289E-005，形變量可以忽略，對(duì)外腳架沒有影響。

圖12為外腳架應(yīng)力單元節(jié)點(diǎn)圖，外腳架是承重最多的一部分，可以看到外腳架后半部分彎曲部分最高承重每10 mm為0.068 8 N，可以適當(dāng)增加壁厚以增加外腳架的承重。

2.2" 改進(jìn)設(shè)計(jì)

在對(duì)折疊床分析的過程中，發(fā)現(xiàn)折疊后高度為550 mm，如圖13所示，在豎直方向上占的空間比較大，而主要原因是外架連接彎管太高。經(jīng)過思考，在外界彎管下方增加一個(gè)折疊裝置，經(jīng)過計(jì)算，下方可以折疊部分為206 mm，可以減少豎直高度。

圖14為增加在外加連接彎管處的折疊裝置，該裝置可以進(jìn)行90°折疊，實(shí)現(xiàn)將外加連接彎管折疊的作用。

根據(jù)圖15可知，中間部分受力最大，軸有輕微變形，原來直徑為20 mm，通過改變直徑來增加承重能力，新軸將軸直徑改為30 mm有限元分析圖正常，達(dá)到使用目的。根據(jù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)圖，最大受力為0.029 7 N/mm，可以滿足使用要求，如圖16所示。

3" 結(jié)論

將普通折疊床定為研究對(duì)象，通過繪制三維圖、運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析，設(shè)計(jì)計(jì)算為解決現(xiàn)實(shí)中折疊與機(jī)構(gòu)平衡問題提供可靠依據(jù)。

1）利用UG建模，在運(yùn)動(dòng)仿真模塊下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過設(shè)置4個(gè)連桿和4個(gè)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證折疊床折疊功能可行性。

2）主要對(duì)外腳架和活動(dòng)腳架三維模型進(jìn)行有限元分析。活動(dòng)腳架尺寸570 mm（長）×370 mm（寬）×310 mm（高），在整個(gè)床體中占床尺寸的1/3。但有限元分析得出活動(dòng)腳架實(shí)際承重量較少，可以對(duì)活動(dòng)腳架進(jìn)行材料削減或者結(jié)構(gòu)改變。外腳架有限元分析得出，這部分是折疊床整體承重最多的部分，不宜進(jìn)行材料削減，垂直高度550 mm，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)來減小體積。

3）提出一種解決方法，對(duì)于功能性家具設(shè)計(jì)分析時(shí)采用二維網(wǎng)格劃分可以防止發(fā)生變形，更為合理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng).2022—2028年中國戶外折疊床發(fā)展現(xiàn)狀分析與前景趨勢報(bào)告[R].

[2] 家具.家用兒童簡易床和折疊床.第1部分：安全性要求：NF S54-002-1/IN1-2013[S].

[3] 吳秀忠，王友彩.便攜式多功能簡便折疊床的研制及臨床應(yīng)用[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2001，9（1）：54-56.