馬 貞，唐立華

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 湖南 長沙 410004）

淺析榫結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及優(yōu)化方式

馬 貞，唐立華

（中南林業(yè)科技大學(xué) 家具與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 湖南 長沙 410004）

對榫在木家具、傳統(tǒng)建筑和其他木制品的應(yīng)用進(jìn)行分析，在滿足家具功能要求、減少用料量和不破壞產(chǎn)品的前提下，提出了用有限元來優(yōu)化，并建議對其推廣。

榫結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)建筑；木家具；強(qiáng)度

榫結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)建筑和木家具的結(jié)點(diǎn)應(yīng)用中（木家具的榫卯結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)演變而來），數(shù)量大、質(zhì)量要求高，占有很重要的地位。中國明清家具不僅是中國傳統(tǒng)家具文化的頂峰，在世界家具史上也是舉足輕重的。明清家具以榫接合形式為主，可以說榫結(jié)構(gòu)是它們的靈魂。

一、榫結(jié)構(gòu)在木家具中的應(yīng)用

我國傳統(tǒng)家具的各個(gè)部件被精細(xì)的榫卯結(jié)構(gòu)緊密的結(jié)合在一起（成為牢固扎實(shí)的整體）是與西方家具的明顯區(qū)別。金屬結(jié)構(gòu)組合解決了西方家具的部件連接。榫和家具是一個(gè)整體，壽命相當(dāng)，材質(zhì)相當(dāng)是榫卯結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)?！睹魇郊揖哐芯俊分幸韵率N榫接合有代表意義：格肩榫、楔釘榫、插肩榫、攢邊格角榫、抱肩榫、大進(jìn)小出榫、棕角榫、卡腰子榫、夾頭榫、挖煙袋鍋榫。特別是格肩榫常被應(yīng)用在家具結(jié)構(gòu)中方材或圓材丁字型接合，而橫豎材接合一般應(yīng)用在床圍子、椅凳橫棖、花牙子、柜類家具中間棖以及柜腿、門扇邊的結(jié)合。各種榫接合在傳統(tǒng)家具史中起著不可替代的作用。如圖1所示。

圖1 格肩榫 抱肩榫 夾頭榫 攢邊格榫

歷史悠久、技藝精湛、馳名中外的榫結(jié)構(gòu)是木家具的主要接合方式，它采用的種類對家具的美觀、強(qiáng)度和加工過程以及使用或搬運(yùn)的方便都有直接影響。榫接合是由榫頭（插）入榫眼、榫空或榫溝所組成的結(jié)合。各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的榫均是由基本結(jié)構(gòu)演變而來的，榫結(jié)合的種類[1]按照以下方式進(jìn)行劃分：

1．按榫頭與工件本身的關(guān)系分：有整體榫和插入榫。整體榫是在方材零件上直接加工而成，如直角榫、橢圓榫、燕尾榫和指榫；而插入榫與零件不是一個(gè)整體，單獨(dú)加工后在裝入零件預(yù)制的孔或槽中，如圓榫、片榫等。見圖2。

2．按榫頭數(shù)目分為：有單榫、雙榫和多榫，見圖3。

3．按榫眼（孔）深度分：有明榫和暗榫（不慣通榫），見圖4。

4．按榫眼側(cè)開程度分：有開口貫通榫、半開口（半閉口）貫通榫、半開口（半閉合）不慣通榫、閉口貫通榫，見圖5。

5．按榫頭肩頰切削形式分：有單肩榫、雙肩榫、三肩榫、四肩榫、夾口榫和斜肩榫等，見圖6。

圖2 榫頭的形狀

圖 3 單榫 雙榫 多榫

圖 4 明榫 暗榫

圖5 開口貫通榫 版開口貫通榫 半開口不慣通榫 閉口貫通榫和閉口不貫通榫

圖6 單肩榫 雙肩榫 三肩榫 四肩榫 夾口榫和閉斜肩榫

種類繁多的榫結(jié)合被廣泛的應(yīng)用在木家具中桌、椅、床、柜和沙發(fā)的結(jié)點(diǎn)上。

二、榫結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)建筑中的應(yīng)用

首先，木構(gòu)架建筑是傳統(tǒng)建筑的主要表現(xiàn)體系。例如中國古代宮殿式木構(gòu)建筑,一座大的要以萬計(jì)的單件組合而成,一座小型的結(jié)構(gòu)簡單的古建筑,也要有數(shù)幾百的木構(gòu)件。如此多的木構(gòu)件,除去椽子、望板的接合要使用釘子,剩余的構(gòu)件幾乎全部是憑借榫卯結(jié)合在一起。

其次，中國傳統(tǒng)建筑木結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一就是柱和額枋組成的構(gòu)架以及其他構(gòu)件之間采用榫卯連接（見圖7）。由于采用的榫卯連接方式為半剛性連接，[2]允許產(chǎn)生一定的變形。這樣的連接方式不僅具備一定的抗彎能力及良好的耗能能力，也使其避免由于出現(xiàn)局部拔榫、節(jié)點(diǎn)松脫，造成結(jié)構(gòu)整體或者局部構(gòu)架歪閃傾斜的現(xiàn)象發(fā)生。[3]同時(shí)，榫結(jié)構(gòu)在作為抵抗水平地震作用時(shí)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，其可靠度特性顯得尤為突出。[4]榫結(jié)構(gòu)之所以能承受一定載荷作用是因?yàn)橛砷竞兔M成的榫卯節(jié)點(diǎn)具有良好的彈性及較好抵消水平推力作用特性。

關(guān)于榫結(jié)構(gòu)的處理技術(shù),除去宋代李誡的《營造法式》，目前很少有專門的文獻(xiàn)書籍記述,大都是工匠們憑借經(jīng)驗(yàn)口傳心授。榫結(jié)合驚人的技術(shù)建構(gòu)，體現(xiàn)了蘊(yùn)含在其中的各種美，是不同尋常的技術(shù)藝術(shù)的和諧。

圖7 典型榫卯結(jié)構(gòu)

三、榫結(jié)構(gòu)在其它木制品中的應(yīng)用

當(dāng)下木窗木門要數(shù)歐式的最為流行了，分為直角榫結(jié)合、斜角榫結(jié)合（單肩斜角明榫、單肩斜角插入榫、斜角插入圓榫和斜角插入條榫）。

隨著木地板業(yè)的蓬勃發(fā)展，木地板已經(jīng)成為林產(chǎn)工業(yè)的一個(gè)重要的產(chǎn)品，[5]木板之間的接合大部分采用榫結(jié)合。

榫結(jié)構(gòu)被應(yīng)用的如此廣泛，但是給售后出了難題，很多精細(xì)的家具很難修復(fù)。因此，我們在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要更科學(xué)的技術(shù)作為依托來完善其不足。

四、利用有限元分析軟件ANSYS優(yōu)化榫結(jié)構(gòu)

木制品框架榫結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中最重要的一環(huán)，木制品在外力作用下，即使它的構(gòu)件強(qiáng)度足夠，如果榫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，那么整個(gè)木制品也會(huì)被破壞。在現(xiàn)實(shí)情況下，由于榫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低而導(dǎo)致的木制品破壞比其他原因要多，因此科學(xué)的設(shè)計(jì)木制品結(jié)構(gòu)中的榫結(jié)構(gòu)就特別重要，這樣木質(zhì)品在使用中就能安全地承受外力作用。

ANSYS軟件作為一款大型通用有限元分析軟件，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁以及聲學(xué)等科學(xué)研究,他廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、汽車、航空航天、船舶、土木工程、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、鐵路、石油化工、輕工、電子等工業(yè)及科學(xué)研究之中。目前，有限元法也已被廣泛的應(yīng)用于榫結(jié)構(gòu)的分析當(dāng)中，并在國內(nèi)外家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到活躍的應(yīng)用[6]。使用有限元對家具局部榫結(jié)構(gòu)尺寸配合進(jìn)行分析及優(yōu)化，最終得到強(qiáng)度和剛度最優(yōu)的榫接合尺寸形式。有限元法在家具結(jié)構(gòu)分析方面的應(yīng)用，能夠?yàn)楝F(xiàn)代家具設(shè)計(jì)向高技術(shù)型發(fā)展提供有力幫助，并可以有效的提高家具設(shè)計(jì)質(zhì)量。對企業(yè)來講，可以在縮短設(shè)計(jì)周期的同時(shí)降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本，達(dá)到提高市場競爭力的目的。將有限元分析方法與傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究相比，它主要可以表現(xiàn)出以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1、使用有限元分析方法，可以對所開發(fā)的新產(chǎn)品在生產(chǎn)之前對其各種性能進(jìn)行有效評估；

2、該方法可避免一些誤差（如制造和裝配等方面）對試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，從而使結(jié)果更具有參考意義；

3、有限元分析法的可重復(fù)性、信息量大且方便快捷的特點(diǎn)也是此方法應(yīng)用的優(yōu)勢所在。

五、有限元分析軟件ANSYS在家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用及不足

有限元法在國內(nèi)外家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到活躍的應(yīng)用，對我國來講，家具結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的仿真分析研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外先進(jìn)發(fā)達(dá)國家，尤其是家具結(jié)構(gòu)的有限元模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，仍有相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域值得去深入的分析和探討。

目前來講，主要的研究范疇集中在對簡化的結(jié)構(gòu)模型以及整體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行的靜力分析，對于應(yīng)用有限元對家具局部榫結(jié)構(gòu)尺寸的配合方面的研究較少，然而該尺寸配合較大的影響著家具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其穩(wěn)定性。除此之外，大多數(shù)研究并沒有考慮到實(shí)際使用中產(chǎn)生的動(dòng)載荷。同時(shí)，在國內(nèi)，這種參數(shù)化的有限優(yōu)化方式在家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用是少之又少，幾乎沒有。由于材料的特性是非常關(guān)鍵的因素，它對于獲取可靠的結(jié)果起著重要作用。對于木材這種家具制作常用材料來講，它的各向異性往往在研究中被忽略。此外，有限元方法需要輸入數(shù)據(jù)過于繁瑣，不利于普及。

六、結(jié)論

①應(yīng)用有限元研究榫結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)確定研究材料、產(chǎn)品以及在實(shí)際使用情況下對產(chǎn)品產(chǎn)生動(dòng)載荷。對產(chǎn)品的構(gòu)件進(jìn)行多樣化分析，進(jìn)而優(yōu)化出更科學(xué)合理的榫結(jié)構(gòu)的榫頭、榫眼和縫隙。

②嘗試在高校及相關(guān)院校應(yīng)效仿CAD和3D開設(shè)課程，來解決普及問題。榫結(jié)構(gòu)是我國傳承幾千年的文化，如何更好的發(fā)揚(yáng)光大，還需要更加深入的研究和探討。

[1] 吳智慧.木質(zhì)家具制造工藝學(xué)[M].北京：中國林業(yè)出版社，2004.41-42

[2] 姚 侃,趙鴻鐵,葛鴻鵬.古建木結(jié)構(gòu)樟卯連接特性的試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2006,(10):42-44

[3] 楊亞弟,杜景林,李杜榮.古建筑震害特性分板[J].世界地震工程，2000，16(3):12-16.

[4] 葛鴻鵬,周 鵬,伍 凱，等.古建木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)減震作用研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010,(6):30-32.

[5] 李志高.國家標(biāo)準(zhǔn)《捧接地板塊技術(shù)條件》 有待改進(jìn)[J].林業(yè)科技開發(fā)，1998,(2):52.

[6] 王金龍，王清明，王偉章.ANSYS12.0有限元分析范例解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.2-3.

A Preliminary Study of the Application and Improvement of the Tenon Structure

MA Zhen, TANG Li-hua

(College of Ffurniture and Art Design,Central South University of Forestry &Techology, Changsha 41004, Hunan,China)

The literature review method is used to analyze tenon application in wood furniture, traditional building and other wood productions. With the premises of meeting the functional requirements well, and reducing building materials without destroying the product quality, the paper proposes to well use the finite element method to optimize the design of tenon.

the tenon structure; traditional architecture; wood furniture; strength

TS633

A

1673-9272(2012)02-0176-03

2011-12-28

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目“基于有限元分析的梓木家具直榫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究”（2010sx20）。

馬 貞（1988-），女，河南商丘人，碩士，主要從事木制品的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的研究。

唐立華( 1966-) , 女, 湖南洞口人, 中南林業(yè)科技大學(xué)副教授, 研究方向: 人體工程學(xué)、家具設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)教育。

[本文編校：李浩慧]