楊國僑　胡敏烽　方萬駿　周霞　季海亮　馬群　張輝

摘 要：設(shè)計(jì)了一種防近視多功能學(xué)習(xí)椅，這是一種端正坐姿的功能性學(xué)習(xí)椅。使用Ansys workbech軟件對(duì)防近視多功能學(xué)習(xí)椅的關(guān)鍵部件扶手桿進(jìn)行了有限元靜力學(xué)元分析，得出防近視多功能學(xué)習(xí)椅的結(jié)構(gòu)合理，達(dá)到技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)椅；有限元；模態(tài)分析

1 概述

近視眼已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)文明病，尤其是我國的青少年近視發(fā)病率則高達(dá)50%至60%，青少年近視引起家長(zhǎng)的不安。沒有良好的用眼習(xí)慣，用眼姿勢(shì)不正確是影響近視眼發(fā)生率的一個(gè)主要因素，學(xué)生伏案歪頭閱讀等不正確的姿勢(shì)導(dǎo)致眼睛的調(diào)節(jié)負(fù)擔(dān)，因而增加了眼外肌肉對(duì)眼球的壓力，很容易導(dǎo)致近視。中小學(xué)生的眼球正處于發(fā)育階段，長(zhǎng)期的不正確用眼姿勢(shì)很容易導(dǎo)致眼球的發(fā)育不正常，不正確的用眼姿勢(shì)很容易導(dǎo)致近視眼的形成[1]。文章設(shè)計(jì)一種用于工作學(xué)習(xí)近距離用眼時(shí)的功能性學(xué)習(xí)椅，矯正坐姿，保證學(xué)生看書學(xué)習(xí)時(shí)書本距眼睛30cm左右，從而達(dá)到防近視的目的。

2 防近視多功能學(xué)習(xí)椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防近視多功能學(xué)習(xí)椅的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的座椅相比，可以矯正身姿防近視，使用方便。學(xué)習(xí)椅的椅座高度可調(diào)節(jié)，可滿足不同學(xué)生對(duì)不同椅子高度的需要[2]。防近視多功能學(xué)習(xí)椅的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)比普通椅子多了擋臂，擋臂高度及角度根據(jù)學(xué)生體型坐高可調(diào)節(jié)，擋臂安裝在左右扶手桿的前端，擋臂可擋在胸前，可防止學(xué)生看書寫字時(shí)過于前傾，端正了學(xué)生的坐姿，同時(shí)也控制了眼睛到書本的距離。防近視多功能學(xué)習(xí)椅設(shè)計(jì)安裝了報(bào)警裝置，報(bào)警裝置的信號(hào)檢測(cè)裝置裝于桿臂連接件的下方，報(bào)警喇叭和報(bào)警發(fā)光裝置裝于椅背上。若學(xué)生前傾身體使擋臂轉(zhuǎn)過的角度超過正常轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍，則報(bào)警裝置就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲音，并且報(bào)警發(fā)光裝置會(huì)發(fā)出光線，提醒學(xué)生寫字姿勢(shì)錯(cuò)誤。整體機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由擋臂機(jī)構(gòu)、椅座、靠背及報(bào)警裝置等組成。

防近視多功能學(xué)習(xí)椅的核心部件是擋臂機(jī)構(gòu)，擋臂機(jī)構(gòu)主要由扶手桿、桿臂連接件和擋臂三部分組成。扶手桿為π形，扶手桿的兩滑動(dòng)桿穿過緊固件，緊固件位于椅座板上，滑動(dòng)桿可沿著緊固件上下滑動(dòng)，緊固件可使扶手桿固定在一定范圍內(nèi)的任意高度，以適應(yīng)不同坐高的學(xué)生需要。扶手桿也有伸縮功能，外面是一根外徑稍大的鋁合金圓桿，其內(nèi)為一直徑稍小的圓桿，可滿足不同胖瘦學(xué)生或就坐不同的需求，方便擋臂的收縮。當(dāng)伸長(zhǎng)扶手桿上桿，擋臂收縮時(shí)不會(huì)碰到身體。在扶手桿上桿的前端裝有桿臂連接件，連接了扶手桿和擋臂。擋臂可繞桿臂連接件轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到收縮的功能。

3 防近視多功能學(xué)習(xí)椅的靜力學(xué)分析

從防近視多功能學(xué)習(xí)椅的結(jié)構(gòu)可知，防近視多功能學(xué)習(xí)椅的扶手桿的跨度最大，要承受胳膊的重力壓迫，為柔性體易變形，左右扶手桿相同且對(duì)稱布置，此防近視多功能學(xué)習(xí)椅的左右扶手桿切向的受力最大和力矩最大，扶手桿的可靠性、精確定位及穩(wěn)定性如果滿足條件，其他部件自然滿足要求，因此文章只對(duì)防近視多功能學(xué)習(xí)椅的扶手桿進(jìn)行了有限元分析[3]。左右扶手桿由鋁合金型材構(gòu)成，主要是支撐作用，因此要求材料的剛度與韌性好。因此，Solidworks軟件中建立了左右扶手桿梁實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS workbench軟件中進(jìn)行有限元分析。扶手桿的材料的密度ρ是2770kg/m3，材料的楊氏彈性模量E是7.1*1010Pa，材料的泊松比μ是0.33。扶手桿的橫截面是圓環(huán)，采用ANSYS workbench軟件自動(dòng)網(wǎng)格劃分[3]。

扶手桿上的載荷主要是均布載荷、集中載荷、扭矩載荷[4]。均布載荷指扶手桿自身重量；集中載荷指的是胳膊壓上的重量；防近視多功能學(xué)習(xí)椅的扶手桿還受到擋臂的扭矩作用，因此會(huì)產(chǎn)生扭矩載荷，扭矩載荷位于扶手桿頂端，根據(jù)線性偏移等量變換也可施加到扶手桿的中部。分析可知，集中載荷越靠近扶手桿中心，則扶手桿形變?cè)酱?。扶手桿所受集中載荷、均布載荷、扭矩載荷分析示意圖如圖2所示。

使用ANSYS workbench軟件對(duì)扶手桿進(jìn)行有限元分析，得到扶手桿在防近視多功能學(xué)習(xí)椅的應(yīng)變圖。扶手桿應(yīng)變量的最大位置是集中載荷、自身的均布載荷處于扶手桿的中部，扭矩載荷處于扶手桿頂端位置，因此只需分析均布載荷、集中載荷、扭矩載荷處于中心位置是否滿足條件即可判定扶手桿是否滿足設(shè)計(jì)要求[5]。扶手桿兩端通過簡(jiǎn)化可認(rèn)為是固定端約束，然后給扶手桿加載集中載荷、均布載荷、扭矩載荷，扶手桿受到彎矩最大的位置是扶手桿的中部，得到載荷處于扶手桿中心位置時(shí)的應(yīng)變圖如圖3所示。

從圖3扶手桿有限元應(yīng)變圖可知，扶手桿在垂直方向的變形相對(duì)于其他兩個(gè)方向的變形要大得多，且變形關(guān)于其中心對(duì)稱，扶手桿最大變形是0.2mm，變形量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

使用Solidworks軟件建立了防近視多功能學(xué)習(xí)椅的三維圖，并使用ANSYS workbench軟件對(duì)學(xué)習(xí)椅進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到應(yīng)變圖。從應(yīng)變圖可知，此防近視多功能學(xué)習(xí)椅的設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。使用ANSYS workbench軟件分析設(shè)計(jì)防近視多功能學(xué)習(xí)椅的方法明顯縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品的可靠性，此方法為以后防近視多功能學(xué)習(xí)椅的設(shè)計(jì)提供了一種快速的方法，可以推廣使用。

參考文獻(xiàn)

[1]方萬駿，楊國僑，等.防近視多功能學(xué)習(xí)椅的設(shè)計(jì)[J].科技視界，2015（30）：39.

[2]林悅.廈門市中小學(xué)教室課桌椅及光環(huán)境的工效學(xué)研究[D].福建師范大學(xué)，2005.

[3]徐丹妮.中小學(xué)生課桌椅的設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[4]陸劍雄，張福昌，申利明.坐姿與座椅設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)探討[J].人類工效學(xué)，2005（4）：44-46.

[5]陸劍雄.無錫中小學(xué)普通教室課桌椅設(shè)計(jì)的人機(jī)工程學(xué)研究[D].南京林業(yè)大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：楊國僑，嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械122班學(xué)生。