多功能樓梯椅的設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件受力分析

姜德龍 劉海慶

摘要：本文通過(guò)介紹一種多功能樓梯椅的結(jié)構(gòu)和使用條件，為以后設(shè)計(jì)適應(yīng)我國(guó)小戶(hù)型家庭家具提供理論依據(jù)。針對(duì)樓梯椅的椅子和梯子兩種形態(tài)，分別在座位和臺(tái)階位置施加2000N的垂向壓力，經(jīng)有限元受力分析可得，椅子和梯子所受最大應(yīng)力分別為1.5Mpa和3.9Mpa，從靜力學(xué)角度分析，多功能樓梯椅的兩種形態(tài)完全符合使用要求。

關(guān)鍵詞：樓梯椅；一具多用；有限元；受力分析

引言

伴隨我國(guó)房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，近年來(lái)多地出現(xiàn)“高房?jī)r(jià)，高供給”現(xiàn)象，然而許多外出打工的群體以及當(dāng)?shù)氐墓ば诫A層，為滿(mǎn)足住宅需求[1]，大多數(shù)人選擇小戶(hù)型或者迷你戶(hù)型的住宅，這樣的戶(hù)型價(jià)格相對(duì)便宜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于裝修[2]。為了促進(jìn)我國(guó)房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和滿(mǎn)足人們對(duì)住宅的需求，國(guó)務(wù)院在2006年5月7日，頒布《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)房地產(chǎn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的六條意見(jiàn)》，意見(jiàn)中明確指出“套型建筑面積90%以下的住宅面積占比重必須達(dá)到開(kāi)發(fā)建筑總面積70%以上”，可見(jiàn)小戶(hù)型房產(chǎn)政策將成為以后的發(fā)展方向[3]。然而，窄小的居住空間內(nèi)，不僅要有家庭成員基本活動(dòng)的空間，還要滿(mǎn)足家庭內(nèi)各式各樣家具的擺放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分家庭空間內(nèi)，家具占有57%左右的面積。而且目前國(guó)家開(kāi)放二胎政策，家庭成員不斷增多的同時(shí)，使用的必需品和工具也越來(lái)越多。

綜上所述，對(duì)于小戶(hù)型有限空間內(nèi)，如果一個(gè)工具不僅僅具有自己的功能，而且還能實(shí)現(xiàn)一具兩用或一具多用，可減少家具在整個(gè)小戶(hù)型家庭空間內(nèi)占比。多功能樓梯椅就是這樣一個(gè)集椅子、梯子和置物架于一體的工具。

1.總體方案

日常生活中，我們經(jīng)常會(huì)將物品放在房間的高處，但是取物品時(shí)常常要用到梯子，但是梯子也就僅僅在拿高處物品時(shí)才能發(fā)揮用處。一般的家庭內(nèi)都會(huì)用到椅子，但是一般家庭只準(zhǔn)備家庭本人口數(shù)的椅子，如果有客人來(lái)，日常的椅子就不能滿(mǎn)足需要。如果有一個(gè)家具，在閑置時(shí)可以當(dāng)做置物架，擺放書(shū)本、花卉、玩偶等。將它折疊起來(lái)，可以招待客人，當(dāng)椅子使用，展開(kāi)時(shí)可以當(dāng)梯子使用。樓梯椅就是這樣一個(gè)，兼具椅子、梯子和置物架作用的家具。

1.1整體結(jié)構(gòu)

多功能樓梯椅主要由底座、椅背、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和緩沖裝置等組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，底座作為整個(gè)系統(tǒng)的主要承重裝置，利用四個(gè)支撐腿，起平衡支撐作用，椅背可以分為上下兩個(gè)部分，上半部分為類(lèi)似椅子結(jié)構(gòu)，下半部分與底座的斜腿形成統(tǒng)一角度進(jìn)行契合，共同起支撐作用。轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接椅背和底座，緩沖裝置起保護(hù)作用[4]。

1.2工作原理

多功能樓梯椅可以實(shí)現(xiàn)兩種形態(tài)。當(dāng)作為椅子使用時(shí)，底座的四個(gè)支撐腿平穩(wěn)接觸地面，支撐腿的前半部分與地面成45°，可以增加結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，也可以在當(dāng)梯子使用時(shí)增加斜向摩擦力，起防滑作用。四個(gè)支撐腿的上部連接一平板，此平板作椅子使用時(shí)，隱藏在結(jié)構(gòu)內(nèi)。椅背可分為上下兩個(gè)部分，上部分具有椅子的結(jié)構(gòu)，可以供人休息，下半部分有一對(duì)支撐腿與底座的支撐腿與地面形成相同角度并契合，增加結(jié)構(gòu)的負(fù)重能力，支撐腿之間連接一隱藏平板，如圖2（a）所示。當(dāng)作為梯子使用時(shí)，要將整個(gè)結(jié)構(gòu)的椅背部分繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，椅背在轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置，與底座連接處具有一定弧度，可以隨意進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動(dòng)軸位置具有緩沖裝置，可以減輕椅背與底座的碰撞。翻轉(zhuǎn)之后，之前作為椅背使用的部分達(dá)到地面，作為支撐部件使用。原來(lái)椅背坐墊位置的背面，作為梯子的第二個(gè)臺(tái)階使用，而與底座前腿契合的支撐腿之間的隱藏平板作為第三個(gè)臺(tái)階使用，如圖2（b）所示。

1.3有限元建模

應(yīng)用ANSYS bench軟件對(duì)樓梯椅的兩種形態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)特性和受力分析，通過(guò)施加具體數(shù)值載荷，進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分和有限元分析，確定樓梯椅工作過(guò)程的受力情況，為以后提高結(jié)構(gòu)合理性和延長(zhǎng)使用壽命提供依據(jù)。

1.3.1 材料屬性

樓梯椅使用材料為三合板，其性質(zhì)為：密度為0.6×103kg/m3，彈性模量為15GPa，泊松比為0.27。

1.3.2有限元分析

首先應(yīng)用三維軟件UG建立樓梯椅的三維幾何模型。針對(duì)樓梯椅的兩種形態(tài)進(jìn)行受力分析。根據(jù)計(jì)算需要，對(duì)椅子的臺(tái)階和座椅位置進(jìn)行了倒圓角處理。應(yīng)用hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣對(duì)模型受力分析有很大影響。本模型采用四面體實(shí)體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格平均尺寸為10mm，共有121886個(gè)單元。

在workbench中整個(gè)模型加載重量加速度，三個(gè)零件之間設(shè)置面面接觸，在座椅底部用剛性平面模擬地面，設(shè)置地面與零件之間的接觸，所以接觸的摩擦系數(shù)為0.3。針對(duì)座椅及梯子兩種狀態(tài)，椅子形態(tài)受到主要載荷為作用在座位上，梯子形態(tài)受到的主要載荷作用在最高階臺(tái)階處，分別施加2000N的垂向力。

（1）樓梯椅椅子形態(tài)有限元分析

經(jīng)求解得到位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖3所示。通過(guò)分析可得，樓梯椅狀態(tài)位移云最大為0.23mm，最大應(yīng)力為1.55Mpa。由應(yīng)力分析圖可知，椅子最大應(yīng)力出現(xiàn)在椅背座位下端的支撐腿位置，由于材料最大應(yīng)力為15Gpa，所以從靜強(qiáng)度觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，樓梯椅的結(jié)構(gòu)完全滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

（2）樓梯椅樓梯形態(tài)有限元分析

經(jīng)求解得到位移云圖和應(yīng)力云圖，如圖4所示。

通過(guò)分析可得，樓梯椅狀態(tài)位移云最大為0.31mm，最大應(yīng)力為3.9Mpa。由應(yīng)力分析圖可知，樓梯椅最大應(yīng)力，與椅子形態(tài)相同，同樣出現(xiàn)在第三階臺(tái)階下端的支撐腿位置，材料最大應(yīng)力為15Gpa，所以從靜強(qiáng)度觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，樓梯椅的結(jié)構(gòu)完全滿(mǎn)足實(shí)際使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃薇.小戶(hù)型住宅的實(shí)用與舒適的設(shè)計(jì)探討[J].家具與室內(nèi)裝修.2013（5）：15

[2]陳熙.系統(tǒng)化視角下的小戶(hù)型住宅家具設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程.2015，36（22）：112-115

[3]雷鳴.論擴(kuò)展小戶(hù)型家居的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].包裝工程.2014，35（22）：37-40

[4]韓寶泰.一種折疊樓梯椅：中國(guó)，201520606657.2[P].2015-08-13

作者簡(jiǎn)介：

姜德龍（1989-），男，遼寧省大連市人，碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。

項(xiàng)目名稱(chēng)：

2017年云浮市科技計(jì)劃項(xiàng)目”羅竹“星創(chuàng)天地空間平臺(tái)（項(xiàng)目編號(hào)201702-7）；2018年廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（攀登計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)）（項(xiàng)目編號(hào)pdjhb0939）多功能樓梯椅