家具結(jié)構(gòu)有限元分析研究綜述

A Review of Finite Element Analysis in Furniture Structure

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號:1006-8260(2015)09-0018-02

基金項目:國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項項目（編號：201404502-1）

引文格式:蔡葵,陳于書.家具結(jié)構(gòu)有限元分析研究綜述[J].家具與室內(nèi)裝飾,2015,(09):18-19.

Abstract: Furniture products are designed on the basis of personal experience. Even for the experienced designers, it is diffi cult for them to take all factors into account. Finite element method can be used to evaluate the feasibility of different materials that berfore the furniture produced. From the current research results, Do that right, the data of the fi nite element method is not very different from the real one. The fi nite element method can be used as an effective method of virtual simulation and it will replace furniture physical experiments. As it is a new research method in China, it is not perfect and there are still many unfi nished research fi elds.

KeyWords: Finite Element Method; Optimal Design; Physical Verifi cation; Fast Growing Wood

現(xiàn)代家具產(chǎn)品皆依據(jù)個人的經(jīng)驗和創(chuàng)意設(shè)計而成，一般是先由設(shè)計師初步設(shè)計草圖，后將草圖制作成CAD圖，依據(jù)CAD圖利用各類三維軟件建立模型，再去生產(chǎn)樣品，樣品生產(chǎn)出后，經(jīng)過相關(guān)檢驗確保產(chǎn)品的可用性，一旦產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到要求，會再返回到設(shè)計師那修改草圖、畫CAD圖、建模型、做樣品。其中，家具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)由設(shè)計師依靠經(jīng)驗確定，設(shè)計師在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，不但要根據(jù)材料的特點(diǎn)選擇理想的接合方式，而且要注意合理確定零件的斷面尺寸，而斷面尺寸的確定往往需要考慮產(chǎn)品形態(tài)與比例關(guān)系、接合點(diǎn)的位置、受力特征、強(qiáng)度要求和材料的特性 [1]。即使是經(jīng)驗老道的設(shè)計師在做設(shè)計時，也難做到面面俱到，當(dāng)出現(xiàn)錯誤返工時，既費(fèi)工費(fèi)時也造成了資源的浪費(fèi)。

近年來，得益于計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外已經(jīng)較廣泛采用了計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）和有限元技術(shù)（FEM）進(jìn)行家具設(shè)計制造和家具結(jié)構(gòu)分析。有限元法（FEM）最初被用來研究復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，它是將彈性理論、計算數(shù)學(xué)和計算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù) [2]。早在1966年，美國學(xué)者Eckelman等人率先將矩陣結(jié)構(gòu)分析引入到家具設(shè)計中，他們用FORTRAN編寫了一個分析家具結(jié)構(gòu)的語言程序，這是最早將有限元法引入到家具結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的案例 [3-4]。隨著有限元分析技術(shù)的的越來越成熟，有限元法在家具結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析、家具結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料接合性能研究等方面正發(fā)揮著越來越重要的作用。利用有限元法可以對未生產(chǎn)的不同材料的家具產(chǎn)品進(jìn)行可行性評估，在滿足使用載荷前提下，通過計算比較尋找到最節(jié)省材料最優(yōu)方案，具有快速、靈活、成本低等一系列優(yōu)勢。

1　研究內(nèi)容綜述

1.1 對于柜類家具的研究

對于柜類家具結(jié)構(gòu)的有限元研究，最早是在1985年，Eckelman和Rabiej把柜體看作是一種框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，這個框架的變形無論是在頂部、底部還是兩邊都是相等的，他們還開發(fā)出了一個程序用來預(yù)測柜類家具變形情況 [5]。1993年Smardzewski和Dziegielewski分析了背板分別采用纖維板和松木膠合板柜類家具的穩(wěn)定性，他們認(rèn)為柜類家具的剛度和載荷取決于框架和背板板材的穩(wěn)定性，同時實(shí)驗驗證了他們的有限元計算 [6]。國內(nèi)學(xué)者蔡力平等人早在1991年，就采用彈性薄板單元離散分析“L”形和“T”形板件角接合的性能，所得的數(shù)據(jù)誤差和實(shí)驗驗證的誤差在30%以內(nèi)，驗證了有限元法預(yù)測板式家具變形是可靠的。1996年，蔡力平、王逢瑚等人又對柜類板式家具的角部接合性能進(jìn)行了進(jìn)一步研究，利用有限元法對融化噴射斜角接合與單圓榫接合的柜體的位移做比較，結(jié)果表明用融化噴射斜接的柜體的強(qiáng)度和剛度較高 [7-8]。2002 年Nicholls等人探討了典型箱柜類角部應(yīng)力和應(yīng)變的可能性，設(shè)計了新模型把角結(jié)合看作是箱柜類家具中的一種宏觀和相互聯(lián)系的部分，固定連接件被彈性有限元模型替代，這個有限元模型可以對箱柜類家具的變形進(jìn)行預(yù)測 [9]。2003年Sawata等人對螺栓連接的柜體進(jìn)行了非線性有限元分析，實(shí)驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本一致 [10]。2008年，東北林業(yè)大學(xué)的宋明強(qiáng)建立了櫥柜實(shí)體模型，研究中有限元分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗分析數(shù)據(jù)誤差大，他分析了其可能發(fā)生的原因 [11]。2008年，東北林業(yè)大學(xué)的何風(fēng)梅把有限元分析法引入到板式家具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，得出“T型”連接的強(qiáng)度優(yōu)于“L型”連接，三合一連接的各項性能指標(biāo)要優(yōu)于二合一連接的結(jié)論，也針對典型的書柜進(jìn)行整體建模有限元分析，得出書柜的變形情況，為后續(xù)的書柜的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ) [12]。

1.2 對于椅類家具的研究

有限元椅類家具的分析，最早是在1995年，Gustafsson將有限元程序應(yīng)用到設(shè)計過程之中，展示了經(jīng)過有限元設(shè)計的椅子。隨后他在1996年對椅子進(jìn)行了負(fù)載測試，獲得了一些和實(shí)物測試符合度良好的應(yīng)變和應(yīng)力值。他又在1997年的研究中，對一把椅子進(jìn)行分析、再設(shè)計，并得到了椅子的應(yīng)力和應(yīng)變圖 [13]。1998年，Smardzewski開發(fā)了目標(biāo)函數(shù)為最小化材料使用同時節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度最大有限元分析程序，該程序可以準(zhǔn)確、快速、多樣的分析木結(jié)構(gòu)家具框架結(jié)構(gòu)的剛度 [14]。1999年，Daudevilled對螺栓連接的椅子進(jìn)行有限元破壞測試和實(shí)驗破壞測試，實(shí)驗和有限元模擬結(jié)果表明，有限元要正確預(yù)測到螺栓連接椅子的最大載荷 [15]。2002年，蔣志峰等人把看作為各向同性材料層壓膠合彎曲木安樂椅的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了分析，實(shí)驗結(jié)果和理論計算符合度較好 [16]。2010年，北京林業(yè)大學(xué)的張立測試了幾種木材的彈性常數(shù)，并對現(xiàn)代紅木椅凳類家具結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了分類 [17]。2011年，北京林業(yè)大學(xué)的徐卓利用靜力載荷和沖擊載荷對花梨木官帽椅、花梨木燈掛椅整體結(jié)構(gòu)和局部零部件進(jìn)行了分析，首次實(shí)踐了家具跌落仿真分析 [18]。2012年，東北林業(yè)大學(xué)的張杰選取一把層壓彎曲木椅子，對其框架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了理論分析、仿真分析和試驗研究，理論分析與實(shí)驗分析的誤差在可接受范圍內(nèi) [19]。2012年，呂艷紅等人對一把比較常見的蘋果梨木椅子的座面和靠背進(jìn)行壓力分析，證實(shí)該椅子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是合理的 [20]。2013年，中南林科技大學(xué)的舒巍對典型的可拆裝椅子進(jìn)行了分析，通過ANSYS/APDL參數(shù)化設(shè)計語言對易損壞部位榫頭進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，減少了榫頭的木材使用量和它所受應(yīng)力 [21]。2013年，中南林科技大學(xué)的馬貞選取了一把圖書館的椅子，對其分析后得出了榫卯尺寸對椅子結(jié)點(diǎn)的抗彎性能有很大影響的結(jié)論，論證了有限元法在家具力學(xué)研究的可靠性 [22]。

1.3 對于沙發(fā)家具的研究

2002年Eckelman等人對帶有彈簧的沙發(fā)前板進(jìn)行了力學(xué)有限元分析，他們認(rèn)為沙發(fā)前板的受力模擬應(yīng)該當(dāng)作一個面而不是一個梁，并將其離散化為桿件互相平行的桁結(jié)構(gòu)，所得的仿真分析數(shù)據(jù)與實(shí)驗數(shù)據(jù)更接近了 [23]。2006年，Ali.Kasal對比了分析分別采用實(shí)木材料和木質(zhì)復(fù)合材料的沙發(fā)框架的強(qiáng)度，得出在軟墊座椅類家具中實(shí)木框架可由實(shí)木復(fù)合材料的框架替代的結(jié)論 [24]。2007年，Dai L等人在一個立體的沙發(fā)框架內(nèi)，用梁模型計算每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大彎矩值，在考慮疲勞強(qiáng)度和靜力彎矩的同時，推導(dǎo)了框架沙發(fā)的關(guān)鍵構(gòu)件尺寸，他們探討了一種簡化的分析沙發(fā)框架的方法 [25]。

1.4 利用有限元法的其他研究

2009年，李雪梅通過對梁單元模型的模擬分析和優(yōu)化設(shè)計，得到了梁單元合理的截面尺寸 [26]。2010年，南京林業(yè)大學(xué)的蕫廣斌通過ANSYS語言編程，分析優(yōu)化出丁字榫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度最大情況下的榫長和榫厚比，為家具關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了方法借鑒 [27]。2010年，北京林業(yè)大學(xué)的張帆把有限元引入實(shí)木框架式家具力學(xué)研究之中。他測定了18種硬木的彈性常數(shù)和力學(xué)強(qiáng)度，歸納了椅凳類、桌案類、柜架類三類家具構(gòu)件的構(gòu)成關(guān)系和受力情況，并在簡化了相關(guān)模型后，計算出了家具應(yīng)力應(yīng)變情況，證明了有限元法在家具結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的適用性 [28]。2011年，南京林業(yè)大學(xué)何盛通過有限元法研究了樟子松指接材的接合性能，模擬預(yù)測出端壓取值范圍及不同嵌合度條件下樟子松結(jié)構(gòu)用指接材抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度值 [29]。

2　研究評述

2.1 當(dāng)前主要研究總評

從目前的研究狀況上來看，有限元家具結(jié)構(gòu)力學(xué)研究思路總共有兩條，一條是對于整體框架的研究，一條是對于局部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分析。柜類家具結(jié)構(gòu)的問題主要是在其角部接合處的變形和接合性能問題，國內(nèi)外學(xué)者利用有限元法對其做了各種形式的研究。椅類家具的有限元研究最多，也最為廣泛，研究者一般是通過整體力學(xué)分析，找出椅子易損壞的部位，再進(jìn)行優(yōu)化的研究思路。國外早期的沙發(fā)家具的研究主要在有限元研究方法的改進(jìn)方面，國內(nèi)目前還沒有開展沙發(fā)類家具有限元的研究。

總的來說，國外的有限元研究開展的比國內(nèi)早，隨著近些年計算機(jī)硬件的快速更新，有限元法研究家具結(jié)構(gòu)的案例也越來越多，國外家具結(jié)構(gòu)研究偏重于柜類、椅類和沙發(fā)類家具，國內(nèi)偏重于典型椅類結(jié)構(gòu)的研究與優(yōu)化。但是國內(nèi)家具行業(yè)的有限元研究落后于國外，國外的研究注重研究精度并且研究人員往往能夠?qū)Ｗ⒀芯恳粋€問題很多年，國內(nèi)在做家具有限元研究的大多數(shù)是研究生，他們主要借助Ansys和Abaqus等軟件進(jìn)行家具結(jié)構(gòu)研究，且他們的研究時間較短，只能跟隨著前人的腳步，所能做的有限元研究的深度和精度比較有限，研究手法也比較單一。同時，因為有限元的研究精度會受到各種因素的影響，國內(nèi)外的學(xué)者往往會在有限元分析后，再實(shí)物驗證可行性，容易造成人力物力的浪費(fèi)，從目前的研究成果上看，只要方法得當(dāng)，有限元的研究數(shù)據(jù)與實(shí)物驗證的數(shù)據(jù)差別不大，一般不高于30%，有限元法可以作為一種有效的虛擬仿真驗證的方法，替代傳統(tǒng)的實(shí)物家具的驗證 [30]。

2.2 研究趨勢展望

目前國內(nèi)外已經(jīng)做了一些家具結(jié)構(gòu)有限元的研究，但該方法在國內(nèi)還算作是一種較新的研究方法，并不完善，尚有許多未完成的研究方向，筆者認(rèn)為下面幾個方向?qū)蔀槲磥硌芯康闹攸c(diǎn)和難點(diǎn)。

（1）速生材等低質(zhì)材料的有限元研究。當(dāng)前已經(jīng)通過各種方法測得了一些木材的彈性常數(shù)，并把它們用在了有限元分析研究當(dāng)中，比如紅木材料，這類材料由于其自身的材料特性較好，一般在家具實(shí)物和有限元分析中都不會出現(xiàn)太大問題。低質(zhì)速生材往往容易在家具結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上出現(xiàn)問題，利用有限元法去分析研究這些問題，并且通過合理的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，相比之下，會具有很好的實(shí)用意義。

（2）提高有限元的研究精度和實(shí)用性。木材為各向異性材料，早期的一些研究把木材定義為各向同性材料，這是不準(zhǔn)確的，木材是一種彈塑性材料，是一種非線性材料，把它們當(dāng)作一種線性材料研究，對所做的模型適當(dāng)簡化，這些都會造成誤差。要能考慮到人對于家具的實(shí)際使用情況，對家具進(jìn)行動態(tài)疲勞仿真分析，這樣的分析更具有實(shí)用意義。

（3）多種家具類型的有限元研究。目前的有限元分析主要集中在椅類、沙發(fā)類、柜類家具和一些木材的材性研究，而且往往只選取了一些典型的家具類型，雖然具有一定的代表性，但所研究的范圍不夠廣泛，后續(xù)的研究應(yīng)該繼續(xù)研究同種種類不同類型的家具，同時繼續(xù)完善對于凳類、床類、桌類等類型的家具結(jié)構(gòu)有限元研究。

（責(zé)任編輯：北　方）