现代家具结构设计的科学方法陈爱丽

现代家具结构设计的科学方法陈爱丽

陈爱丽

华鹤集团华鹤家俱有限责任公司黑龙江省齐齐哈尔市161005

摘要：工业革命揭开了现代家具设计的序幕。随着生产机械化的发展和新技术、新材料的出现，家具设计师们广泛吸收最先进的技术和美学的现代家具理念，设计美观，结构合理，生产的现代家具，高技术的效率和经济性。自进入第二十一世纪，迎来了知识经济时代，随着全球经济一体化和信息综合处理技术和国际家具产业的普及发展使家具行业迅猛发展，在世界经济贸易中的作用越来越重要。

关键词：现代家具；结构设计；科学方法

1我国家具设计现状分析

1.1工作环境差、待遇低

家具厂，一般位于城市郊区或农村，工作环境恶劣，缺乏低污染、低噪音的家具厂，有明亮的窗户和干净的桌子。同样，大学和研究生毕业后，家具设计师的薪水比其他行业低。因此，与同龄人相比，他们的心理差距很大，他们的价值并没有直接反映出来。在现实利益的驱动下，改行似乎是他们唯一的选择。家具行业，像中国的西部，也面临同样的处境。

1.2创新动力弱，社会需求低

对于大量的中小型家具企业来说，一个产品的原始设计可能是好的，但一旦投入到产品开发和生产中，就无法获得相应的商业价值，这对企业来说是致命的。因此，很难改变长时间的轻量化设计气氛。此外，由于设计尚未形成独立的知识产权，在中国，许多企业也考虑节省成本，认为它更经济、快速复制的家具店，在国内外具有很高的聘请设计师的成本。所以，在过去的几年里，中国家具行业几乎没有什么原创设计，从香港、欧洲或美国的复制产品，或按照老板的意图，离开了复制权的改变，并派驻设计师充其量只是绘图员。在这样的氛围中，即使是具有创新欲望和天赋的设计师，也缺乏发展的空间，只能被束缚和埋没。

2有限元法是家具结构设计的有效方法

家具设计一般包括造型设计、结构设计、功能设计和生产工艺设计。而结构设计是其他设计的基础，结构的强度达不到要求，不可能谈论家具的造型、功能和后续的相关生产技术。过去，家具的结构设计主要是基于近似经验、简化计算或试验测试的方法，没有科学准确的分析方法。该方法虽然取得了一定的成果，已有一些公式和结论，但这些结果只适用于具体的家具形式，还没有形成准确、适用范围广的结论，可供后续研究参考。产品设计中易出现的问题在两个方面，即要么规模太小，家具的安全结构的强度和刚度达不到要求；要么家具尺寸过大，远远超过使用要求的强度，不能最大限度地节约原材料，导致更多的原材料和能源的浪费。

20世纪50年代以来，随着有限元方法的出现及其在许多科学技术领域的广泛应用，它已成为产品性能分析和仿真分析的有效手段。由于其在产品结构分析中的显著优势，它已成为现代设计的重要组成部分。近年来，这种科学有效的方法逐渐被家具设计师所接受和采纳。从1966年，Eck-elman和Suddarth首先在家具结构分析中采用有限元方法开始，国外学者做了大量的研究，包括许多形式的家具，包括橱柜、椅子、凳子、桌子、沙发和楼梯。对橱柜家具进行了研究，采用有限元单元，整体柜作为箱体的框架结构，进行了强度和刚度分析，有限元壳单元，变形计算箱的加载，并研究了橱柜家具的稳定性，采用刚性或半刚性有限元模型。橱柜家具角部接头强度分析螺栓连接柜应力的非线性有限元分析。研究人员还对椅子的实用单元法进行了一些研究，包括椅子侧架的强度和稳定性，圆榫的位置和数量对椅腿和后关节的影响，椅子结构的强度和不同材质椅子的强度。将沙发上其他形式家具的研究离散到桁架结构的有限元分析中，对实木楼梯进行有限元分析和足尺试验。国外研究者对有限元分析及优化设计的家具结构设计，给出了一个更为准确和合理的结构，与结构分析与实验比较，最大误差为30%，表明仿真结果与实验结果比较符合表明该方法适用于家具、结构分析、提高精度和效率分析，并提供高质量的家具生产的一种科学方法。

自上世纪80年代以来，家具的设计和研究人员在中国已经开始使用有限元法设计的家具。主要对橱柜和椅子家具做了一定的研究。采用有限元法对不同形式的强度和刚度的角接接头零件柜家具；和有限元方法对书架板长度优化和支撑构件的位置进行优化，以确定和实验分析的有限元分析的正确性。研究人员提出的扶手椅和灯挂椅家具力学性能试验按国家标准进行了分析和有限元仿真优化结果，实验验证是没有用的。虽然有限元仿真分析已在中国家具设计，精度和设计质量都有了很大的进步，但从深度和广度的研究，不管它是远低于国外。因此，应加强这一研究，提高我国家具设计的效率、精度和质量。

3有限元法进行家具结构分析的步骤

有限元分析和优化设计技术在家具设计中的应用提供了一种有效实用的方法。下面的例子来说明主要步骤的有限元分析与优化设计的家具和中国研究人员的参考设计。表面家具因其造型美观、结构简单、工艺先进，适合当代人的审美，可以节省材料成为流行的家具风格。因此，对层压木层压木木椅进行了有限元分析。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60mm，椅腿厚度为25mm。

3.1有限元模型的建立

曲木椅外载荷的选取是结构剖析的条件和根底。此款曲木椅的首要为居家运用，因而参照国标家具力学检测规范GB/T10357.3—1989选取恰当载荷及规范进行有限元剖析。选用载荷首要包括座面静载荷、椅背静载荷、座面椅背静载荷及座面冲击载荷。（1）静载荷有限元模型建立。静载荷有限元剖析选用ANSYS－Multiphysics静力剖析程序。建立模型的资料特性经实验测定弹性模量为11.5GPa，泊松比为0.27，密度为0.67×103kg/m3。有限元建模选用SOLID187体单元，选用智能网格区分，经剖析选用单元区分精度为4。（2）冲击载荷有限元模型建立。冲击载荷有限元剖析选用ANSYS/LS－DYNA显式非线性动力剖析程序。建立模型时曲木椅资料特性为性，弹性模量为11.5GPa；泊松比为0.27，密度为0.67×103kg/m3。冲击器资料特点为密度弹性模量为200GPa泊松比0.3，密度为7.8×103kg/m3。选用显现块单元SOLID164单元，选用智能网格区分，区分精度为4。

3.2有限元分析结果

座面静载荷国标最高5级水平载荷2000N加载时的运转成果，椅最大强度出现在椅腿上曲折部分，MX处最大值为62.7MPa。加载座面静载荷椅背静载荷国标最高5级水平载荷2000/760N时的运转成果，得其最大应力值为97.9MPa，坐落椅腿下曲折部位。冲击载荷国标5水平冲击高度300mm时，椅强度最大值为86.7MPa，坐落椅椅上曲折部位。经实验验证，仿真剖析与实验成果最大差错在33%以内，此有限元剖析成果可用。3种载荷情况的最大应力值为97.9MPa，且小于资料的损坏强度115MPa。曲木椅强度满足国家规范规定的最高5级水平。

结论

通过对家具结构的有限元分析和优化设计，从许多可行的设计方案中找到最佳的设计方案，有效地减少了原材料和能源的浪费，提高了家具设计的质量和效率。在此基础上，将有限元分析与计算机辅助设计与制造相结合，建立了集设计、仿真、分析、优化、制造为一体的家具科学系统，为进一步深入研究奠定基础。应努力改善与中国家具设计的创新能力，实现家具制造大国向家具设计强国的转变。

参考文献：

[1]王玲燕.论家具产品创新[J].包装工程，2013，24（2）：103—105.

[2]罗琳.材料情感及其在工业设计中的应用方法[J].设计，2014（3）：163—166.