基于SolidWorks和ANSYS WorkBench平臺的辦公家具柜體力學分析

夏興華，陳 峰，曲英杰

（遼寧林業(yè)職業(yè)技術學院，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注，家具設計強度問題日益引起人們的關注。在國外，家具強度安全有著嚴格的要求。因此對家具設強度分析在產品研發(fā)有著巨大的實用價值。目前家具強度設計處于初步發(fā)展階段，目前國內一些學者利用ANSYS軟件對家具32mm系統(tǒng)的合理性及家具框架和腳部的強度研究取得很大進展[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格劃分需要花費大量的時間，在建模過程中往往是重復性的工作，實際應用效果較差。

SolidWorks軟件是世界上廣泛應用的實體參數化設計軟件，這款軟件可以快速地實現模型庫的建立、裝配和工程圖的繪制，該軟件廣泛應用在機械領域中，但是在家具領域中應用較少[4]。另外，Solid-Works可將模型完整導入到有限元分析軟件ANSYS Workbench中，實現軟件之間的數據交換[5]。本研究對辦公家具的擱板及柜體受力進行分析，采用Solidworks軟件建立模型，并運用有限元分析軟件ANSYS Workbench軟件對擱板受力狀態(tài)進行模擬，并對擱板變形進行進行分析，計算出最大變形，最大應力，判斷該部件尺寸在受力狀態(tài)下是否可行。并通過試驗數據與模擬分析結果進行對比，探討該產品的合理性。

1 辦公柜類結構

本文研究對象是辦公家具，辦公家具由結構部件和系統(tǒng)部件構成。結構部件起強度作用，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擱板受力情況。

2 SolidWorks和ANSYS WorkBench平臺對擱板力學分析

2.1 辦公柜類模型建立

本文柜體模型由SolidWorks?2014軟件建立，通過模型庫實現裝配體裝配，對建立好的裝配體進行保存。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，在長時間承載載荷下會發(fā)生蠕變，分析書籍在瞬間加載在家具中的力學現象，假設在這種情況下發(fā)生彈性變形，因此材料設置為線性材料，不考慮擱板長時間收到載荷。中密度纖維板彈性模量及泊松比通過試驗獲得[6]。因此在Engineering Data模塊中設置材料屬性，材料屬性參數如表1所示，材料屬性如圖1所示。并將Mechanical界面將材料參數添加到模型中。

表1 辦公家具材料屬性設置

圖1 辦公家具材料屬性

2.3 網格劃分

在Mechanical界面中選擇Mesh選項進行網格設置并生成網格，本文選擇六面體網格作為劃分單元，單元尺寸為4mm。

2.4 邊界條件設置

在Static Structural設置邊界條件，由于擱板為固定擱板，將擱板與柜體接觸部分的兩個面設置為Fixed Support剛性約束，約束X、Y、Z 3個方向的位移。常見書籍為16開本，尺寸為260*184*26mm，標準紙張密度為700kg/m3，文中選用的擱板件滿負荷時，總書的重量約295.36N，擱板自重30.24N，合計重量為325.6N，設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果

在Solution選項中進行求解，求解結束后，在結果中顯示變形云圖、等效應力云圖及應力線性化云圖，并在擱板的（0,0,0）坐標至（900,8,150）坐標路徑處顯示應力數據圖，顯示在長度方向的應力變化數據，如圖2所示。

圖2 擱板變形分析結果

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力為1.8249MPa，由圖2-d可知，應力分布呈線性分布，中間應力最大。由ANSYS Work-Bench軟件分析圖中端部應力值較大，在剛性約束載荷下，采用連接件應保持連接件有足夠的抗拔力。

2.6 擱板力學分析結果與試驗數據對比

試驗采用900*300*16mm規(guī)格的中密度纖維板固定兩側，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，取每個點平均測量值測器垂直方向變化值，分析結果與試驗結果如表2所示。

表2 ANSYS WorkBench變形分析結果和試驗結果比較

由表看出ANSYS WorkBench分析值與實驗值吻合較好，但也存在一定偏差，這是由于試驗材料的中密度板并不是線性的彈性材料，用ANSYS計算變形時把中密度板看成理想的彈性材料，在實驗過程中，施加載荷必然會有部分的塑性變形，撤去載荷會有部分的殘余應變。而連接件會產生次要變形，ANSYS WorkBench假設中忽略擱板和側板的次要變形，但次要變形對實驗結果影響是微小的。柜類擱板主要受垂直載荷，在彎矩作用下產生彎曲變形，因而往往略去剪力和軸力作用所產生的次要變形，使得計算更加簡單，并且對于材料強度值影響較低。因為在垂直載荷作用下節(jié)點線位移數值相當小，采用人造板制作的柜類產品擱板與側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，可按無節(jié)點線位移計算。

根據以下公式對擱板受力情況進行理論計算，得出中點撓度值和中點應力值分別為2.79mm和0.97MPa。

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

表3 理論計算和ANSYS WorkBench模擬計算結果比較

由表3可知，剛性約束中密度擱板撓度和應力值分析理論與ANSYS WorkBench軟件分析結果相差分別為3.7%和4.0%，計算結果小于5%的允許誤差，在允許誤差范圍之內，可知ANSYS WorkBench軟件與理論分析結果吻合較好。該誤差可能是由于所選單元的網格大小、泊松比大小以及網格單元的選用導致的，在計算撓度、應力值大小時需要比較多的單元和網格數才能得到比較準確的數值。從實驗數據和ANSYS結果吻合性較好，這說明有限元分析方法分析在家具設計中的應用是可行的。

3 柜體受力變形分析

在柜體受力分析采用以下假設: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，在板件柜體結構中，第一條假設能得到滿足，而第二條得不到滿足，因為所有柜體結構中，板件連接邊都有一定的剛性。在采用鉸鏈連接時滿足第二種假設，因為鉸鏈連接只傳遞剪切力和軸向力，不傳遞彎矩。實際上板件角部結構和都是半剛性的。所以真實的剛度比計算值稍微偏大，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，要使柜體自由角產生1mm的變形，需加102.63N的力。

頂板、底板扭轉剛度

旁板扭轉剛度

背板扭轉剛度

把這些數據帶入上式

運用Solidworks及ANSYS WorkBench軟件對柜角進行分析，如圖3所示，對柜體進行網格劃分，對三個柜角進行約束，對第四個角懸空，施加外載荷F。分析結果如圖4所示，柜體施加102.63N的力，自由角變形為1.0852mm。可見軟件分析結果與理論分析值相近，可見ANSYSY軟件能夠簡化數學分析，可以進行有效的分析。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柜體剛度，可以抵抗變形能力增強?？梢妿Ч潭〝R板的書柜，其剛性較好，有較強的穩(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，需要對連接件進行建模，進行參數確定，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軟件都要進行參數的確定。目前國內外還沒有對模型進行標準化建模相關的研究，對連接件的參數和建模，需要進行深入的研究。

圖3 對柜體進行網格劃分和邊界條件設置

圖4 柜體變形結果

圖5 增加擱板后柜體變形

4 結論

家具設計作為工程設計的一種，將虛擬仿真平臺的結構強度設計引入到家具產品研發(fā)中勢在必行，通過SolidWorks和 ANSYS WorkBench軟件可以快速，有效地對家具力學性能進行驗證，可以有效節(jié)約成本，縮短產品研發(fā)周期。本文對辦公家具擱板進行分析，得出SolidWorks和 ANSYS WorkBench力學分析與理論分析吻合度較好，誤差在5%以內。另外將試驗結果與分析結果進行對比，分析接近試驗值。另外分別對有無擱板的柜體進行受力分析，結果表明，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量以減少剛度變形。SolidWorks和ANSYS WorkBench軟件的聯用為家具設計的檢驗開發(fā)了新的途徑。

參考文獻：

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