基于ABAQUS的金屬家具椅背沖擊仿真分析

■王 琛 郁舒蘭 李 泉 羊 玢 Wang Chen & Yu Shulan & Li Quan & Yang Bin

(1 南京林業(yè)大學(xué)家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210037；2 南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

基于ABAQUS的金屬家具椅背沖擊仿真分析

■王 琛1郁舒蘭1李 泉2羊 玢2Wang Chen1& Yu Shulan1& Li Quan2& Yang Bin2

(1 南京林業(yè)大學(xué)家具與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇南京 210037；2 南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇南京 210037）

利用ABAQUS軟件的顯式動(dòng)力學(xué)分析模塊，對金屬家具椅背沖擊仿真模擬。結(jié)合模擬結(jié)果，對沖擊過程進(jìn)行分析。通過仿真分析有效的提高了家具的設(shè)計(jì)效率，降低了試驗(yàn)成本。本文探索了有限元法在金屬家具結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，研究ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)分析功能應(yīng)用于家具仿真分析的合理性。

有限元法；ABAQUS；金屬家具；沖擊仿真

有限元法作為有效的結(jié)構(gòu)分析手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于土木工程、機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，在國外家具設(shè)計(jì)中也有大量應(yīng)用[1]。目前，國內(nèi)家具結(jié)構(gòu)分析主要采用試驗(yàn)法[2]，部分研究者對有限元法在實(shí)木家具和板式家具中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，對有限元法在金屬家具中的應(yīng)用研究較少。

ABAQUS軟件作為功能強(qiáng)大的有限元軟件，可以解決各種復(fù)雜的工程分析問題，包括簡單的線性分析和復(fù)雜的非線性問題[3]。已有研究者利用該軟件對家具靜態(tài)承載能力進(jìn)行分析。利用ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)模塊對家具進(jìn)行沖擊仿真分析是新的探索。

1 有限元模型的建立

1.1 ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)

ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)分析產(chǎn)生于實(shí)際工程需要，是一種準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)求解方法[4]。該模塊是基于顯式積分準(zhǔn)則與對角單元質(zhì)量矩陣共同實(shí)現(xiàn)的。相對于隱式動(dòng)力學(xué)分析，顯式算法效率較高、穩(wěn)定性好、計(jì)算精準(zhǔn)[5]。適用于解決各種復(fù)雜的接觸問題、高速動(dòng)力學(xué)問題以及非線性準(zhǔn)靜態(tài)問題[6]。ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)分析在實(shí)際工程中起著非常重要的作用。

1.2 三維模型的建立

ABAQUS軟件擁有獨(dú)立的部件模塊，包含一系列的建模命令和特征命令，可以完成基本部件模型的建立[7]。對于復(fù)雜的部件模型，通過第三方CAD軟件直接或間接的傳送到ABAQUS中。本研究采用的金屬家具模型為鋼管椅，主要分為鋼管和座椅兩部分。通過UG軟件建立模型，包含座椅、鋼管以及仿真分析使用的沖擊器。在不影響家具結(jié)構(gòu)的前提下對座椅和鋼管模型進(jìn)行簡化，減少倒角和異形面（如圖1所示）。完成模型并導(dǎo)出igs格式，通過幾何轉(zhuǎn)換器在ABAQUS中導(dǎo)入igs文件，將導(dǎo)入的部件模型進(jìn)行復(fù)制，使接觸面處相分離，并將座椅、鋼管、沖擊器拆分為三個(gè)部分。

1.3 材料屬性的定義

創(chuàng)建材料并將材料屬性賦予各部件。本研究共創(chuàng)建三種材料，座椅材料為ABS，密度Ρ=1.05g/cm3，彈性模量G=2000MPa，泊松比μ=0.394，屈服應(yīng)力為80MPa。鋼管密度Ρ=7.85g/cm3，彈性模量G=210000MPa，泊松比μ=0.26，屈服應(yīng)力為235MPa，沖擊器為剛體材料。在ABAQUS中，材料不能直接賦予部件，只能通過截面來賦予[8]。創(chuàng)建三種截面，每種截面都被賦予一種材料屬性，然后將截面屬性賦予給各部件。賦予完成后，座椅、鋼管、沖擊器就有了各自的材料屬性。

1.4 模型裝配

三維模型建立時(shí)，由于將椅面、鋼管、沖擊器拆為三個(gè)部件，各部件均處于局部坐標(biāo)系中。需要通過裝配模塊將其統(tǒng)一為全局坐標(biāo)系，形成一個(gè)整體。對各部件進(jìn)行裝配，通過平移、旋轉(zhuǎn)等命令定位部件。裝配過程中最重要的是調(diào)整沖擊器和椅面合適的碰撞距離。

1.5 網(wǎng)格劃分

模型建立與裝配完成后，需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是將幾何體離散成有限元的過程[9]。本研究中的沖擊器和椅面形狀規(guī)則，可以使用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，劃分為六面體網(wǎng)格，顯示動(dòng)力學(xué)分析方法下的三維應(yīng)力分析。椅座形狀不規(guī)則，首先要進(jìn)行切割為規(guī)則的形狀，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為六面體網(wǎng)格，顯示動(dòng)力學(xué)分析下的三維應(yīng)力分析。網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

2 椅背沖擊仿真分析

2.1 模擬分析

本研究模擬日常使用座椅過程中，人的背部對椅背的沖擊。參考家具力學(xué)檢測國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10357.3—1989[10]。將人的背部模擬為沖擊器，考慮仿真分析的準(zhǔn)確性，沖擊器簡化為勻速直線沖擊的剛體，沖擊速度為2m/s。沖擊過程中，假設(shè)椅子相對地面沒有位移。

2.2 仿真計(jì)算

根據(jù)模擬分析條件，定義椅子的邊界條件。將椅子與地面的接觸定義為全約束。定義沖擊器只能沿X軸方向移動(dòng)，約束其他自由度，在X軸正方向的沖擊速度為2m/s。設(shè)置總計(jì)算時(shí)間為0.1s，增量步等選擇默認(rèn)和自動(dòng)計(jì)算方式。分析結(jié)果有應(yīng)力輸出和位移輸出。設(shè)置完成后，在作業(yè)環(huán)境中創(chuàng)建作業(yè)，數(shù)據(jù)檢查沒有錯(cuò)誤后開始進(jìn)行計(jì)算。

2.3 仿真結(jié)果

計(jì)算完成，通過場輸出和歷程輸出得到可視化結(jié)果。分析沖擊過程（如圖3所示），沖擊器撞擊椅背的瞬間，椅背發(fā)生變形，應(yīng)力集中區(qū)域在椅背表面。隨后，應(yīng)力逐漸擴(kuò)散，應(yīng)力集中區(qū)域隨時(shí)間在不斷變化。危險(xiǎn)位置依次出現(xiàn)在椅背與鋼管結(jié)合處、鋼管扶手圓角處、鋼管與地面接觸圓角處。最大應(yīng)力值出現(xiàn)在鋼管與地面接觸圓角處（如圖4所示），最大值為98.7MPa，小于常溫下鋼的屈服應(yīng)力235MPa。選取圓角處一節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)出應(yīng)力變化曲線（如圖5所示），可以看出當(dāng)t=0.033s時(shí)，該節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)最大應(yīng)力，應(yīng)力值為98.7MPa，驗(yàn)證了上述分析過程。綜上所述，本研究中金屬椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在沖擊仿真過程中達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本研究基于ABAQUS軟件對金屬家具椅背進(jìn)行沖擊仿真分析，模擬椅背在沖擊過程中的受力和變形情況。得到以下結(jié)論：（1）通過對金屬家具進(jìn)行有限元分析，探索有限元法在金屬家具仿真分析中的應(yīng)用。（2）通過椅背沖擊仿真分析實(shí)例，探索利用ABAQUS顯式動(dòng)力學(xué)模塊對家具進(jìn)行沖擊仿真分析的方法，為椅背沖擊試驗(yàn)提供參考。

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[2]張杰,李樹森,王逢瑚.有限元法在家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].家具,2009(2):33-36.

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[4]朱躍峰.基于ABAQUS的顯式動(dòng)力學(xué)分析方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(3):21-25.

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[8]馬貞,宋俞成,劉文金.基于有限元分析的梓木家具直榫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].木材加工機(jī)械,2013,24(2):39-43.

[9]張帆.基于有限元法的實(shí)木框架式家具結(jié)構(gòu)力學(xué)研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2012.

[10]徐卓,張帆,張亞池.基于ANSYS/LS-DYNA的實(shí)木家具跌落仿真分析[J].家具與室內(nèi)裝飾,2011(5):13-15.

Impact Simulation of Metal Furnitures’ Back Based on ABAQUS

Use the explicit dynamic analysis module of ABAQUS software, doing impact simulation of the metal furnitures’ back. Combined w ith simulation results, analyze the impact process. To explore the application of f nite element method in the analysis of metal furniture structure, and to study the rationality of the ABAQUS explicit dynamic analysis function in the furniture simulation analysis.

Finite Element Method; ABAQUS; Metal Furniture; Impact Simulation

TS664.07

A

1006-8260(2015)08-0028-02

10.16771/j.cnki.cn43-1247/ts.2015.08.006

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（編號(hào)：31415009）

王琛,郁舒蘭,李泉,羊玢.基于ABAQUS的金屬家具椅背沖擊仿真分析[J].家具與室內(nèi)裝飾,2015,(08):28-29.

北 方）