ANSYS環(huán)境下座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析

張 祥 程玉龍 王 巍

(1.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450000； 2.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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ANSYS環(huán)境下座椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析

張 祥1程玉龍2*王 巍2

(1.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州 450000； 2.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

基于人因工程學(xué)原理，對實木座椅進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并運用ANSYS有限元軟件，對松木、白樺、楊木三種材質(zhì)的實木座椅作了靜力分析研究，綜合考慮三種材質(zhì)實木椅的變形及受力情況，松木材質(zhì)最優(yōu)，白樺次之，楊木最差。

實木椅，ANSYS軟件，人因工程學(xué)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

椅類家具與人們的日常生活緊密相關(guān)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否直接影響使用者的舒適、健康以及工作效率[1]。近年來，隨著人們的消費觀念轉(zhuǎn)向追求自然、綠色、環(huán)保，實木家具因其具有生態(tài)環(huán)保、健康耐用等特色而越來越受到人們的青睞。在實木椅設(shè)計中，設(shè)計師應(yīng)緊密結(jié)合人體工程學(xué)，依據(jù)人體的基本尺寸、坐姿生理尺度和心理反應(yīng)進(jìn)行設(shè)計，為座椅的設(shè)計提供科學(xué)的理論依據(jù)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

目前，已有一些研究者利用ANSYS有限元法對家具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了可行性研究[2-4]，得出了一些結(jié)論，但利用人機(jī)工程學(xué)并結(jié)合有限元軟件對實木椅類家具進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計與強(qiáng)度分析的專項研究尚未看到。在利用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計出安全、舒適座椅的基礎(chǔ)上對實木椅進(jìn)行有限元模擬，分析實木椅在靜力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變，并根據(jù)材料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行比較分析，能夠很好地設(shè)計出安全耐用、強(qiáng)度合理的實木椅結(jié)構(gòu)。

1 根據(jù)人因工程學(xué)設(shè)計座椅

舒適安全的座椅，可使人提高工作和學(xué)習(xí)效率，減輕疲勞強(qiáng)度，不損害人體健康。那么，座椅的高度，深度和寬度，座位的基準(zhǔn)點，兩腳與地面的支撐情況等必須符合人體的生理結(jié)構(gòu)和尺度。

1.1 座面高度

座高應(yīng)以人的座位基準(zhǔn)點為準(zhǔn)來設(shè)定，座椅的高度要適中，不能過高或過低。適當(dāng)?shù)淖邞?yīng)使就座者大腿保持水平，小腿呈自然垂直的狀態(tài)，雙腳平放于地面。經(jīng)研究測定，如果座椅高度大于人體下肢長度500 mm時，人的兩足懸空不能落地，會使大腿內(nèi)側(cè)受壓，久坐則會血液循環(huán)不暢，肌腱發(fā)脹而麻木。如果高度小于380 mm，人的膝蓋就會拱起，大腿不能平放在椅面上，體壓過于集中在坐骨節(jié)點上，久坐則會產(chǎn)生酸痛感，人起立時顯得困難。

通過對人體的坐姿分析，符合上述要求的工作椅座高為：“小腿加足高”-(10 mm～15 mm)。這樣得出的座椅高度與GB/T 10000—1988坐姿人體尺寸中的“小腿加足高”基本吻合，從而有利于獲得合理的椅面體壓分布[5]。

考慮中國人體尺寸的測量數(shù)據(jù)，得到中國男女通用的工作椅坐高尺寸的調(diào)節(jié)范圍為350 mm～460 mm。本文選取的座椅高度為430 mm。

1.2 座深

座深是指椅面前緣至后緣的距離，座深的尺寸不能過大，正確的座深應(yīng)使靠背方便地支撐人體的腰椎部位。座深的設(shè)計要適中，若座深尺寸過大，人體不能靠背一旦靠上背就會產(chǎn)生很大的傾斜度，造成腰部缺乏支撐而懸空，使腰部肌肉強(qiáng)度加劇而產(chǎn)生疲勞及不舒適感，同時也會使膝窩處受壓而產(chǎn)生酸麻感，影響人的正常起立；若座深尺寸過小，坐者則須向座面前緣處移動，這樣會使大腿前部過分前凸，使重量全部集中在小腿上，久之小腿會感到酸麻不適，影響人的健康。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3326—1997規(guī)定:靠背椅座深為340 mm～420 mm，本文選取的座深為400 mm。

1.3 座寬

座寬是指座面的橫向?qū)挾取Ｗ鶎挼脑O(shè)定必須適合于身材高大的人，其相對應(yīng)的人體測量尺寸是臀寬。如果是單人使用的座椅，參考尺寸是臀寬，應(yīng)以女性群體尺寸的上限為設(shè)計依據(jù)。如果是有扶手的座椅，應(yīng)以扶手的內(nèi)寬作為座寬的尺寸，一般不應(yīng)小于470 mm。

座寬過小過大對坐姿舒適度都有不同程度的影響。若座寬過大，則肘部須盡力向兩側(cè)伸展以尋求扶手的支撐，從而導(dǎo)致肩部疲勞。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3326—1997規(guī)定：靠背椅座位前沿寬≥380 mm。本文選取的座椅寬度為470 mm。

根據(jù)以上人因工程學(xué)上對座椅的尺寸設(shè)計要求，設(shè)計的座椅尺寸為：座面高430 mm，座面寬470 mm，座面深400 mm，椅子腿寬度60 mm，總高765 mm。選取的實木椅材料質(zhì)分別為松木、白樺與楊木，其材料特性見表1。運用有限元軟件ANSYS對椅子的座面與椅背進(jìn)行靜力分析。

2 用ANSYS軟件對座椅進(jìn)行建模仿真

2.1 建立有限元模型

ANSYS軟件在幾何建模方面具有較大的局限性，故利用 ANSYS 與Pro/E的無縫銜接功能將其導(dǎo)入到 ANSYS中，見圖1。導(dǎo)入過程中，要特別注意單位的統(tǒng)一，以避免出現(xiàn)問題。下文所進(jìn)行的有限元分析中，單位均采用與MPa，mm相統(tǒng)一的單位制。

表1 材料的性能參數(shù)[6] MPa

選取的單元類型為Solid185單元，材料定義為木材特性、正交各向異性模型體，并依據(jù)表1輸入相對應(yīng)的彈性模量、泊松比等參數(shù)。并采用自由網(wǎng)格劃分法對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長為20，得到的有限元模型如圖2所示。

2.2 施加約束與載荷

對模型中座椅與地面接觸的底部施加約束，1 020 N～2 268 N是許多椅子必須滿足的性能試驗規(guī)范要求的載荷，因而適合在這里用作分析載荷，將座椅載荷均勻分配給所有的望板。本文在椅子的座面施加1 100 N/0.2 m2即5 500 Pa的垂直載荷。根據(jù)研究，靠背椅的靠背應(yīng)能承受340 N～1 360 N的載荷，本文在椅背施加400 N/0.08 m2即5 000 Pa的水平載荷[7]。

2.3 仿真結(jié)果與分析

下面選取落葉松材質(zhì)的座椅進(jìn)行結(jié)果分析，松木椅的位移云圖如圖3所示，從位移變形圖可以看出，最大變形區(qū)域位于松木椅后背的最上端，松木椅產(chǎn)生的變形量與其結(jié)構(gòu)尺寸相比十分微小，其最大位移變形量僅為1.449 88 mm，在座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計參照值允許的范圍內(nèi)，并不影響座椅的安全使用。

松木椅的Von Mises應(yīng)力云圖如圖4所示，結(jié)果表明，松木椅在后腿與座面結(jié)合處產(chǎn)生最大應(yīng)力，形成了一個實木椅最容易發(fā)生損壞的危險區(qū)域。最大應(yīng)力值為4.357 45 MPa，遠(yuǎn)小于落葉松的抗彎強(qiáng)度114.2 MPa和抗壓強(qiáng)度59.2 MPa，符合國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

的椅凳類在靜載荷作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不會出現(xiàn)失效、開裂、晃動等不安全情況。

同樣可以得到白樺、楊木材質(zhì)座椅的位移變形圖與最大應(yīng)力圖，其最大應(yīng)力值與最大形變值見表2。根據(jù)分析結(jié)果，在相同載荷作用下，三種材質(zhì)的座椅產(chǎn)生的最大應(yīng)力區(qū)域相同，均為座面與椅子后腿部分的結(jié)合處；最大變形區(qū)域相同，均出現(xiàn)在椅子靠背的最上方。根據(jù)表2，三種材質(zhì)的座椅所受到的最大應(yīng)力差別不大，均遠(yuǎn)小于三種材質(zhì)所對應(yīng)的抗彎強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度，均不影響實木椅的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。松木椅的最大形變量最小(1.449 88 mm)，其次為白樺椅(1.525 25 mm)，楊木椅產(chǎn)生的最大形變值最大，為5.279 77 mm。綜合考慮材料的物理性能以及變形、應(yīng)力情況，松木椅材質(zhì)最優(yōu)，白樺次之，楊木最差。

表2 三種材質(zhì)實木椅的有限元仿真結(jié)果[8]

3 結(jié)語

根據(jù)人因工程學(xué)原理對實木椅進(jìn)行專項設(shè)計，并利用ANSYS對三種材質(zhì)的實木椅結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，結(jié)論如下：

1)在同樣大小的靜載荷作用下，三種材質(zhì)的實木椅產(chǎn)生的位移變形量很小，不影響實木椅的正常使用，最大變形區(qū)域均發(fā)生在靠背的最上端。在座面與后腿的結(jié)合處產(chǎn)生最大應(yīng)力，是實木椅最容易發(fā)生損壞的危險區(qū)域，因此，在日常生活中應(yīng)特別注意此區(qū)域部件的損壞，做好防護(hù)措施。

2)材質(zhì)的性能是影響實木椅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與強(qiáng)度的重要因素之一，不同樹種的木材，其彈性、硬度、強(qiáng)度等物理力學(xué)性能差異很大。根據(jù)模擬結(jié)果，綜合考慮三種材質(zhì)實木椅的受力情況和變形情況，松木材質(zhì)最優(yōu)，白樺次之，楊木最差。

[1] 馬廣濤，田 煒，孫海義.基于人體靜態(tài)尺寸的座椅設(shè)計[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010,26(4):783-786.

[2] 楊 諾，柯 清，林 琳，等.ANSYS在實木椅結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].家具，2015,36(5):12-16.

[3] 呂艷紅，張遠(yuǎn)群.有限元軟件ANSYS在果木家具強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報，2012,27(6):181-184.

[4] 陳紹禹，柯 清，郭洪武，等.有限元軟件ANSYS在實木家具結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].林產(chǎn)工業(yè)，2014,41(2):41-43.

[5] 郭 伏.人因工程學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[6] 尹思慈.木材學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,1996.

[7] [美]卡爾·艾克曼.家具結(jié)構(gòu)設(shè)計(高等院校設(shè)計類通用教材)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2008.

[8] 劉一星.中國東北地區(qū)木材性質(zhì)與用途手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

On structural design and strength analysis of chairs under ANSYS environment

Zhang Xiang1Cheng Yulong2*Wang Wei2

(1.ZhengzhouYutongBusLimitedbyShareLtd,Zhengzhou450000,China; 2.CollegeofEngineeringTechnique,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the human factor engineering, the paper undertakes the structural design of the wooden chairs, adopts the ANSYS finite element software, undertakes the static stress analysis of the three kinds of chairs including pines, white birch, and aspen wood, and has the comprehensive consideration for the deformation and stress circumstances of the three kinds of wood chairs, and indicates the pines are the optimal, which is followed by the birch, and the aspen is the worst.

wood chair, ANSYS software, human factoring engineering, structural strength

1009-6825(2016)28-0216-02

2016-07-26

張 祥(1990- )，男，工程師； 王 巍(1975- )，女，副教授

程玉龍(1988- )，男，在讀碩士

TS664

A