影响家具设计的载荷状况研究

摘 要：家具在实际使用中所承受的载荷是家具设计首要考虑的问题。载荷的种类和水平将影响家具结构设计的强度和尺寸。本文分析了目前家具设计载荷的总体状况，提出在设计中要考虑家具常出现的误用情况，减少家具的偶然破坏，降低原材料和能源的浪费。并简要给出了有限元进行家具结构分析的过程。

关键词：设计载荷；家具结构设计；有限元

1 前言

家具结构设计是家具设计的重要内容。影响家具的使用寿命，原材料的合理利用等。一直以来，我国家具结构设计一直采用经验和模仿固定的形式，没有一种科学的分析方法。而这种传统方法一方面造成家具零部件尺寸过小，达不到强度要求而破坏，浪费了材料；另一方面，家具设计产品的尺寸过大，远超过使用强度要求，到达使用年限后人为废除，更造成了原材料的浪费。20世纪40年代，随着有限元方法的产生和国内外研究人员在家具设计领域的应用，证明了这种方法是家具结构设计的一种非常有效的方法，能提高家具设计的精度和效率。目前我国在这方面已有了一定的研究，但仅限于对某种形式的柜类、椅凳和桌类，还需要家具从业人员和研究者广泛开展这方面的研究，以提高我国家具设计的水平和质量。

2 载荷状况在家具结构设计中影响

在有限元分析中，家具载荷种类和水平的选取是首要问题，需要充分合理地预见这种家具在实际使用中的各种载荷情况。这也是家具设计的前沿思考问题。载荷状况会决定最终家具零部件的尺寸及整个家具的强度，也会影响家具设计的其他方面。家具结构设计的外载荷，包括静态载荷和动态载荷。静载荷是家具制品在使用中可能遇到的重载荷条件；动态载荷是家具制品在使用中偶然遇到的载荷如冲击载荷等，通常它对产品的破坏有较大影响。

要确定家具在使用中承受的全部载荷状况，实际上是比较困难的，既要考虑家具在工作环境中的各种使用情况，又要考虑家具在使用、销售、运输过程的误用时承受载荷的情况。而这些不确定的因素也增加了设计的难度，目前，对家具外载荷状况的总体研究比较困难，也越来越受到家具设计师的重视。因此，为了确定这些载荷，在家具设计的开始，家具设计师和研究人员就要对家具在使用中处于何种状况做一个全面透视的了解。比如设计椅子，我们不仅要知道椅子的正常使用，还要知道椅子不合理使用的情况。误用最常见的就是运输中工人将椅子从车上仍到地面上，椅子就会受到地面的冲击载荷。即便是在家使用时，偶有顽皮的孩子跳到椅子上，对椅面造成冲击。这些情况很容易导致椅子的破坏。即使是人们正常坐在椅凳上，也需要知道如向后倚靠，或坐在上面移动或转动时，施加在椅凳上的载荷状况。虽然我们不可能将其在使用中的全部情况都预想到，但家具在使用中的一些典型情况是必须考虑的。

目前，在确定家具承受外载荷种类及等级时，通常是按家具在正常使用和习惯性误用时，各部位受到一次或重复性载荷的条件下所具有的强度或承受能力来确定。现行国家标准是根据产品在预定使用条件下的正常使用频数，可能出现的误用程度，按每种载荷大小与加载次数把强度分为五个水平。这样，在进行家具设计时，首先参照国家标准，根据家具的使用功能和实际使用要求，选取相应的载荷状况和等级进行结构强度分析，如某家具有特殊要求需要设计时考虑更多情况，可再适当增加载荷状况。全面考虑载荷后，就能较合理地设计出满足所需强度要求的家具结构并确定出零部件的规格尺寸。从而使设计的家具在保证达到使用要求的前提下，给出经济合理的结构和尺寸，进而达到节约材料，降低成本。不仅提高了家具设计精度和质量，也从根本上提升了家具设计的原创能力。

3 有限元法分析家具结构强度

以一款白蜡木层压弯曲木椅为例，考察外载荷情况对结构强度的影响。此款层压弯曲木椅是针对居家使用而设计，且造型为悬挑式曲面构形。此款椅子的外载荷检验标准，可以参照国家标准来选用而无须增加载荷项目。选用载荷包括：座面静载荷、椅背静载荷、座面冲击载荷、椅背冲击载荷、跌落试验。根据国家标准GB/T 10357.3—1989，每种载荷分五个水平，即水平1～水平5，1为低水平载荷（载荷值最小），5为高水平载荷（载荷值最大）。下面给出椅子承受一种静载荷和一种动态载荷时分别选用不同等级的外载荷水平，对结构强度影响的结果。采用有限元法进行分析，建模参数为：层压弯曲木椅尺寸为：椅子高765mm，椅子正面宽，465mm，侧面宽460mm，座面高430mm，椅腿宽度为60 mm，椅腿厚度为25mm。材料经试验测定弹性模量为11.5GPa；泊松比为0.27，密度为。选用SOLID187体单元。

3.1 层压弯曲木椅承受座面静载荷

图1为层压弯曲木椅承受座面静载荷时的有限元模型，将五种水平座面静载荷分析结果列于表1中。最大等效应力位置在椅腿的上弯曲部位即图上标有MX的部位。参照国标由于此椅为家庭环境使用，选用国标4水平载荷可满足使用要求，有限元运行结果为椅强度最大值为50.5MPa，国标5水平载荷下，椅强度最大值为62.7MPa。且远小于椅子的破坏强度115MPa。同时也说明选用4水平载荷既可满足要求，按此外载荷水平设计的产品，可以节省材料和能源，并达到设计强度要求。

3.2 层压弯曲木椅承受座面冲击载荷

图2为此层压弯曲木椅承受座面冲击静载荷时的有限元模型，分析采用ANSYS/LS-DYNA程序。最大等效应力位置在椅腿的上弯曲部位。分析结果表明，随着载荷水平的提高，即冲击载荷冲击器高度的增加，层压弯曲木椅的最大强度值增加，国标4水平即冲击高度为240mm时，椅最大强度为85.1MPa。在国标5水平即高度为300mm时，椅最大强度值为86.7Mpa。均小于椅破坏强度。同时也说明椅子在不同外载荷水平下，产生的强度不同，进而所设计的椅子零部件规格尺寸不同。通过两种类型载荷同水平比较可以看出，此椅在承受冲击载荷时的各水平强度值大于座面静载荷各水平强度值，可以看出偶然误用承受的外载荷对椅子的破坏作用。其余种类载荷的有限元分析过程同理。

4 结论

通过这个例子可以说明，家具设计的载荷种类及选用的载荷水平对家具结构强度分析和设计有着重要影响，尤其是家具的误用情况，会对家具产生很大的破坏作用，是我们不容忽视的情况。因此根据家具的使用要求，选取合适的载荷种类和载荷水平，才能精确设计出产品的零部件尺寸和结构，达到材料最省，强度最大，能源消耗最低。通过这种科学合理的方法和思路设计出的产品，便于用户根据自己的使用场合、使用要求和使用方法，从众多的产品中找到经济适用的家具制品。

参考文献

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作者简介：张杰，女，1975年5月，黑龙江哈尔滨市人。现工作于黑龙江工程学院艺术与设计系，汉族。研究方向：家具设计，讲师。学历：东北林业大学木材科学与技术博士毕业。