夏興華，陳 峰，曲英杰

（遼寧林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽 110101）

辦公家具是人們生活中所用家具的重要組成部分，家具的安全性和舒適性越來越受到人們的關(guān)注，家具設(shè)計(jì)強(qiáng)度問題日益引起人們的關(guān)注。在國外，家具強(qiáng)度安全有著嚴(yán)格的要求。因此對家具設(shè)強(qiáng)度分析在產(chǎn)品研發(fā)有著巨大的實(shí)用價(jià)值。目前家具強(qiáng)度設(shè)計(jì)處于初步發(fā)展階段，目前國內(nèi)一些學(xué)者利用ANSYS軟件對家具32mm系統(tǒng)的合理性及家具框架和腳部的強(qiáng)度研究取得很大進(jìn)展[1～3]，但是這些研究還停留在理論研究階段，研究者的研究成果在模型處理和網(wǎng)格劃分需要花費(fèi)大量的時(shí)間，在建模過程中往往是重復(fù)性的工作，實(shí)際應(yīng)用效果較差。

SolidWorks軟件是世界上廣泛應(yīng)用的實(shí)體參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，這款軟件可以快速地實(shí)現(xiàn)模型庫的建立、裝配和工程圖的繪制，該軟件廣泛應(yīng)用在機(jī)械領(lǐng)域中，但是在家具領(lǐng)域中應(yīng)用較少[4]。另外，Solid-Works可將模型完整導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，實(shí)現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)交換[5]。本研究對辦公家具的擱板及柜體受力進(jìn)行分析，采用Solidworks軟件建立模型，并運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench軟件對擱板受力狀態(tài)進(jìn)行模擬，并對擱板變形進(jìn)行進(jìn)行分析，計(jì)算出最大變形，最大應(yīng)力，判斷該部件尺寸在受力狀態(tài)下是否可行。并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比，探討該產(chǎn)品的合理性。

1 辦公柜類結(jié)構(gòu)

本文研究對象是辦公家具，辦公家具由結(jié)構(gòu)部件和系統(tǒng)部件構(gòu)成。結(jié)構(gòu)部件起強(qiáng)度作用，主要采用三合一連接件和圓棒榫接合，系統(tǒng)部件采用模數(shù)化接口，可以連接門板、抽屜、擱板等部件。研究對象的柜體高1700mm，寬900mm，深500mm，單獨(dú)的擱板部件為900*300*16mm，為固定擱板，本文主要分析柜類整體及單獨(dú)擱板受力情況。

2 SolidWorks和ANSYS WorkBench平臺(tái)對擱板力學(xué)分析

2.1 辦公柜類模型建立

本文柜體模型由SolidWorks?2014軟件建立，通過模型庫實(shí)現(xiàn)裝配體裝配，對建立好的裝配體進(jìn)行保存。通過SolidWorks模型庫建立縮短了研發(fā)周期，還能保證模型的正確性。在ANSYS Workbench 14.5中，可以快速導(dǎo)入SolidWorks建立的模型。

2.2 定義材料屬性

文中的辦公家具模型采用中密度纖維板作為基材，基材是由微小顆粒組成，中密度板屬于粘彈性材料，在長時(shí)間承載載荷下會(huì)發(fā)生蠕變，分析書籍在瞬間加載在家具中的力學(xué)現(xiàn)象，假設(shè)在這種情況下發(fā)生彈性變形，因此材料設(shè)置為線性材料，不考慮擱板長時(shí)間收到載荷。中密度纖維板彈性模量及泊松比通過試驗(yàn)獲得[6]。因此在Engineering Data模塊中設(shè)置材料屬性，材料屬性參數(shù)如表1所示，材料屬性如圖1所示。并將Mechanical界面將材料參數(shù)添加到模型中。

表1 辦公家具材料屬性設(shè)置

圖1 辦公家具材料屬性

2.3 網(wǎng)格劃分

在Mechanical界面中選擇Mesh選項(xiàng)進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置并生成網(wǎng)格，本文選擇六面體網(wǎng)格作為劃分單元，單元尺寸為4mm。

2.4 邊界條件設(shè)置

在Static Structural設(shè)置邊界條件，由于擱板為固定擱板，將擱板與柜體接觸部分的兩個(gè)面設(shè)置為Fixed Support剛性約束，約束X、Y、Z 3個(gè)方向的位移。常見書籍為16開本，尺寸為260*184*26mm，標(biāo)準(zhǔn)紙張密度為700kg/m3，文中選用的擱板件滿負(fù)荷時(shí)，總書的重量約295.36N，擱板自重30.24N，合計(jì)重量為325.6N，設(shè)置擱板件表面承受向下的均布載荷為 1.205E～3MPa。

2.5 有限元求解及輸出結(jié)果

在Solution選項(xiàng)中進(jìn)行求解，求解結(jié)束后，在結(jié)果中顯示變形云圖、等效應(yīng)力云圖及應(yīng)力線性化云圖，并在擱板的（0,0,0）坐標(biāo)至（900,8,150）坐標(biāo)路徑處顯示應(yīng)力數(shù)據(jù)圖，顯示在長度方向的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 擱板變形分析結(jié)果

由圖2-a可知，擱板在均布載荷下在中心的變形量最大，最大位移為2.9672mm，因此中間部分最容易發(fā)生變形。在圖2-b和2-c中，擱板在均布載荷下最大應(yīng)力為1.8249MPa，由圖2-d可知，應(yīng)力分布呈線性分布，中間應(yīng)力最大。由ANSYS Work-Bench軟件分析圖中端部應(yīng)力值較大，在剛性約束載荷下，采用連接件應(yīng)保持連接件有足夠的抗拔力。

2.6 擱板力學(xué)分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

試驗(yàn)采用900*300*16mm規(guī)格的中密度纖維板固定兩側(cè)，對擱板施加325.6N的載荷，將板平均取19份，每隔50mm取一次測量，取每個(gè)點(diǎn)平均測量值測器垂直方向變化值，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 ANSYS WorkBench變形分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較

由表看出ANSYS WorkBench分析值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，但也存在一定偏差，這是由于試驗(yàn)材料的中密度板并不是線性的彈性材料，用ANSYS計(jì)算變形時(shí)把中密度板看成理想的彈性材料，在實(shí)驗(yàn)過程中，施加載荷必然會(huì)有部分的塑性變形，撤去載荷會(huì)有部分的殘余應(yīng)變。而連接件會(huì)產(chǎn)生次要變形，ANSYS WorkBench假設(shè)中忽略擱板和側(cè)板的次要變形，但次要變形對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響是微小的。柜類擱板主要受垂直載荷，在彎矩作用下產(chǎn)生彎曲變形，因而往往略去剪力和軸力作用所產(chǎn)生的次要變形，使得計(jì)算更加簡單，并且對于材料強(qiáng)度值影響較低。因?yàn)樵诖怪陛d荷作用下節(jié)點(diǎn)線位移數(shù)值相當(dāng)小，采用人造板制作的柜類產(chǎn)品擱板與側(cè)板通常采用圓棒榫和偏心連接件接合，這類連接件主要承受彎曲力矩，而受拉、壓等軸向力的影響不大，可忽略不計(jì)，可按無節(jié)點(diǎn)線位移計(jì)算。

根據(jù)以下公式對擱板受力情況進(jìn)行理論計(jì)算，得出中點(diǎn)撓度值和中點(diǎn)應(yīng)力值分別為2.79mm和0.97MPa。

式中：M—最大彎矩（N·mm）；W—截面抗彎系數(shù)（mm3）；I-慣性矩；Y—彎曲變形量 （mm）；P—負(fù)荷（N）；L—支點(diǎn)間的距離 （mm）；E—材料的彈性模量（Pa）；σ—應(yīng)力值（Pa）。并通過模擬結(jié)果與公式理論計(jì)算結(jié)果對比得出的結(jié)果如表3所示。

表3 理論計(jì)算和ANSYS WorkBench模擬計(jì)算結(jié)果比較

由表3可知，剛性約束中密度擱板撓度和應(yīng)力值分析理論與ANSYS WorkBench軟件分析結(jié)果相差分別為3.7%和4.0%，計(jì)算結(jié)果小于5%的允許誤差，在允許誤差范圍之內(nèi)，可知ANSYS WorkBench軟件與理論分析結(jié)果吻合較好。該誤差可能是由于所選單元的網(wǎng)格大小、泊松比大小以及網(wǎng)格單元的選用導(dǎo)致的，在計(jì)算撓度、應(yīng)力值大小時(shí)需要比較多的單元和網(wǎng)格數(shù)才能得到比較準(zhǔn)確的數(shù)值。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和ANSYS結(jié)果吻合性較好，這說明有限元分析方法分析在家具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是可行的。

3 柜體受力變形分析

在柜體受力分析采用以下假設(shè):1.板件在平行板面方向不變形；2.板件之間相互連接的邊不傳遞彎矩，即彎矩不能由一塊板傳遞到另一塊板上，在板件柜體結(jié)構(gòu)中，第一條假設(shè)能得到滿足，而第二條得不到滿足，因?yàn)樗泄耋w結(jié)構(gòu)中，板件連接邊都有一定的剛性。在采用鉸鏈連接時(shí)滿足第二種假設(shè)，因?yàn)殂q鏈連接只傳遞剪切力和軸向力，不傳遞彎矩。實(shí)際上板件角部結(jié)構(gòu)和都是半剛性的。所以真實(shí)的剛度比計(jì)算值稍微偏大，穩(wěn)定性較好，不同的連接件剛度影響大小不同，采用偏心連接件的剛度較好。

柜體是由16mm厚的中密度板組成，中密度彈性模量為2.2MPa，柜高1700mm（除去腳高），柜寬900mm，柜深500mm。由公式可知，要使柜體自由角產(chǎn)生1mm的變形，需加102.63N的力。

頂板、底板扭轉(zhuǎn)剛度

旁板扭轉(zhuǎn)剛度

背板扭轉(zhuǎn)剛度

把這些數(shù)據(jù)帶入上式

運(yùn)用Solidworks及ANSYS WorkBench軟件對柜角進(jìn)行分析，如圖3所示，對柜體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對三個(gè)柜角進(jìn)行約束，對第四個(gè)角懸空，施加外載荷F。分析結(jié)果如圖4所示，柜體施加102.63N的力，自由角變形為1.0852mm?？梢娷浖治鼋Y(jié)果與理論分析值相近，可見ANSYSY軟件能夠簡化數(shù)學(xué)分析，可以進(jìn)行有效的分析。圖5為增加一塊固定擱板的變形圖。柜體最大變形由41.295mm減少到28.375mm，說明增加柜體擱板可增強(qiáng)柜體剛度，可以抵抗變形能力增強(qiáng)?？梢妿Ч潭〝R板的書柜，其剛性較好，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。

ANSYS WorkBench軟件只是在不考慮連接件的情況下，將板件看為一體，對于有連接件的柜體，需要對連接件進(jìn)行建模，進(jìn)行參數(shù)確定，但需要考慮多種因素，如連接件的規(guī)格、材料和板件的配合方式等，ANSYS軟件都要進(jìn)行參數(shù)的確定。目前國內(nèi)外還沒有對模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化建模相關(guān)的研究，對連接件的參數(shù)和建模，需要進(jìn)行深入的研究。

圖3 對柜體進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置

圖4 柜體變形結(jié)果

圖5 增加擱板后柜體變形

4 結(jié)論

家具設(shè)計(jì)作為工程設(shè)計(jì)的一種，將虛擬仿真平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)引入到家具產(chǎn)品研發(fā)中勢在必行，通過SolidWorks和 ANSYS WorkBench軟件可以快速，有效地對家具力學(xué)性能進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效節(jié)約成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。本文對辦公家具擱板進(jìn)行分析，得出SolidWorks和 ANSYS WorkBench力學(xué)分析與理論分析吻合度較好，誤差在5%以內(nèi)。另外將試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果進(jìn)行對比，分析接近試驗(yàn)值。另外分別對有無擱板的柜體進(jìn)行受力分析，結(jié)果表明，固定擱板可以有效地增加柜體剛度，建議在柜體中增加固定擱板的數(shù)量以減少剛度變形。SolidWorks和ANSYS WorkBench軟件的聯(lián)用為家具設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)開發(fā)了新的途徑。

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