1有限元法是家具結構設計的有效方法

家具設計總體上包括造型設計、結構設計、功能設計和生產工藝設計。而結構設計是其它設計的基礎，結構強度達不到要求，就無從談及家具造型、功能及后繼相關的生產工藝等。以往家具的結構設計主要是采用近似經驗、簡化計算或試驗測試等方法，并沒有一種科學而精確的分析方法。盡管通過這種方法取得了一定的成果，得出了一些公式和結論，但這些成果只適合于特定的家具形式，并沒有形成準確而廣泛適用的結論，只能做為后繼研究的參考。設計出的產品容易出現二方面的問題，即要么尺寸過小，家具的安全性即結構強度和剛度達不到要求而破壞，浪費了原材料;要么家具產品的尺寸過大，遠遠超過使用強度要求，沒有最大限度地節約原材料，產品使用多年未破壞而人為廢除，更造成了原材料和能源的浪費。

20世紀50年代以來，隨著有限元方法的產生及其在多個科技領域的廣泛應用，業已成為產品性能分析與仿真分析的一種高效手段。由于其在產品結構分析中的顯著優點，使其成為現代設計的一個重要組成部分。近年來，這一科學而有效的方法也漸被家具設計人員接受并采用。從1966年，Eck-elman和Suddarth首先在家具結構分析中采用有限元方法開始，國外研究人員進行了大量的研究，涵蓋了家具的多種形式，包括柜類、椅凳類、桌類、沙發和樓梯等。柜類家具是研究較多的方面，采用有限元桿單元，將整體柜類看成框架結構，對柜體強度和剛度進行分析;采用有限元殼單元，精確計算柜體加載的變形量，同時研究了柜類家具的穩定性；采用剛性或半剛性有限元模型，分析柜類家具角接合部位的強度，有限元非線性分析研究了螺栓連接柜體的受力情況，研究人員對椅子有用限元方法也進行了一些研究，包括椅子的側框架強度和穩定性，椅腿和靠背接合處圓棒榫位置和數量對椅結構強度的影響及不同材質椅子的強度等。其它家具形式的研究有對沙發前望板離散為互相平行的桁架結構的有限元分析；對實木旋轉樓梯進行有限元分析和全尺寸試驗。國外研究人員對家具結構的有限元分析及優化設計，給出了較為精確的數據和更合理的結構形式，并將分析結構與試驗相比，最大誤差均在30%，說明仿真分析與試驗結果比較符合，說明這種方法適用于適用于家具結構分析，且提高了分析的精度和效率，為生產高品質家具提供了科學的方法。

20世紀80年代以來，我國家具設計和研究人員也開始運用有限元法進行家具設計。主要是對柜類和椅類家具進行了一定的研究。用有限元方法預測了柜類家具不同形式角接合部位的強度和剛度;并采用有限元優化方法對書柜隔板長度、位置和支撐件的位置進行了優化設計，與試驗對比分析確定了有限元分析的正確性。研究人員給出了官帽椅和燈掛椅按國家家具力學檢測標準進行了有限元仿真分析和優化設計的結果，未采用試驗驗證。盡管我國在家具設計上已采用有限元仿真分析，設計精度和質量有了很大的進步，但無論從研究的深度還是廣度上遠不及國外。因此我們應該加強這方面的研究，以提高我國家具設計的效率、精度及質量。

2有限元法進行家具結構分析的步驟

有限元分析和優化設計技術在家具設計上的廣泛應用，提供了一種有效而實用的方法。下面針對具體實例說明有限元分析和優化設計的主要步驟，以供我國家具設計和研究人員參考。曲面家具由于具有造型美觀，結構和工藝簡單，適合當代人的審美并能節約材料成為流行的家具樣式。因此研究選用白蠟木層壓彎曲木椅進行有限元分析。彎曲木椅實物如圖1所示。層壓彎曲木椅尺寸為:椅子高765mm，椅子正面寬，465mm，側面寬460mm，座面高430mm，椅腿寬度為60mm，椅腿厚度為25mm。

2.1有限元模型的建立

曲木椅外載荷的選取是結構分析的前提和基礎。此款曲木椅的主要為居家使用，因此參照國標家具力學檢測標準GB/T10357.3—1989選取適當載荷及標準進行有限元分析。選用載荷主要包括座面靜載荷、椅背靜載荷、座面椅背靜載荷及座面沖擊載荷。(1)靜載荷有限元模型建立。靜載荷有限元分析選用ANSYS－Multiphysics靜力分析程序。建立模型的材料特性經試驗測定彈性模量為11.5GPa，泊松比為0.27，密度為0.67×103kg/m3。有限元建模選用SOLID187體單元，采用智能網格劃分，經分析選用單元劃分精度為4。椅腿部施加約束，建立靜載荷模型如圖2所示。(2)沖擊載荷有限元模型建立。沖擊載荷有限元分析選用ANSYS/LS－DYNA顯式非線性動力分析程序。建立模型時曲木椅材料特性為性，彈性模量為11.5GPa;泊松比為0.27，密度為0.67×103kg/m3。沖擊器材料屬性為密度彈性模量為200GPa泊松比0.3，密度為7.8×103kg/m3。選用顯示塊單元SOLID164單元，采用智能網格劃分，劃分精度為4。椅腿部施加約束，建立沖擊載荷模型如圖3所示。

2.2有限元分析結果

座面靜載荷國標最高5級水平載荷2000N加載時的運行結果果如圖4所示，從圖中可以看出，椅最大強度出現在椅腿上彎曲部分，圖中標示MX處最大值為62.7MPa。加載座面靜載荷椅背靜載荷國標最高5級水平載荷2000/760N時的運行結果如圖5所示，得其最大應力值為97.9MPa，位于椅腿下彎曲部位。沖擊載荷國標5水平沖擊高度300mm時，運行結果如圖6所示，椅強度最大值為86.7MPa，位于椅椅上彎曲部位。經試驗驗證，仿真分析與試驗結果最大誤差在33%以內，此有限元分析結果可用。3種載荷狀況的最大應力值為97.9MPa，且小于材料的破壞強度115MPa。曲木椅強度滿足國家標準規定的最高5級水平。

3優化設計對家具結構設計方案的改進

通過前面對彎曲木椅的強度分析知道，其在標準規定的5級水平上均滿足要求，小于材料的破壞強度。而此曲木椅為家庭使用，最高要求在3級水平，所以對于現在的結構來說，屬于安全性過大，造成了資源的浪費。考慮多種因素對椅強度的影響，選擇4級水平對其框架結構進行優化。將優化結果進行圓整后得出的結構重新進行仿真分析，結果列于表1中。 

4結束語

家具結構設計采用有限元分析和優化設計，從眾多可行的設計方案中尋找出最佳設計方案，有效地減少了原材料和能源的浪費，提高了家具設計的質量和效率。在此基礎上，將有限元分析與計算機輔助設計與制造相結合，形成集設計、模擬分析、優化及制造為一體的家具科學體系建立進行更深入全面的研究。努力提升我國家具創新設計能力，實現由家具制造大國向家具設計強國的轉變。

本文作者：張杰、任忠先 單位：黑龍江工程學院藝術與設計系