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层压弯曲木椅结构的有限元分析

发布于:2018-09-03 20:40
有限元分析

      随着家具工业的不断发展,各种美观大方的家具应运而生,特别是层压弯曲木家具以其轻巧、美观、省材的优点及不用桦接即可以制成曲线形状的特点,深受消费者的喜爱。但新的加工工艺和制品对家具研究人员和生产单位提出了许多新的问题。例如,弯曲木家具曲形部位的应力状态如何?怎样的曲线才既美观大方又符合强度和刚度的要求?同一用途的产品怎样才算优化结构等等。当然,不少问题,像产品的强度、疲劳等可以通过试验来测试,但要把用试验方法取得的试验结果推广到多种家具却是困难的。因此,本文力图通过计算机,用有限元方法进行家具结构有限元分析。在国外,已有一些学者对木椅进行过分析,并取得与试验相符的结果。国内也有学者进行过尝试,但采用的是二维单元分析法。本文采用三维有限单元法对层压弯曲木制成的安乐椅进行刚度和强度分析,并用电测法测试强度,两者符合较好。本文的分析方法,可供家具设计人员在初步设计中选择家具结构方案时参考。
      层压弯曲木的力学特性比较复杂,对剪切变形的影响大小难以确定,这一影响在材料力学中通常是忽略的。但为了更精确地反映层压弯曲木的受力情况,大家在受力分析时计人剪切变形,并采用考虑剪切变形影响的三维杆件单元,这已在大家自己编制的有限元程序运算中通过。
      安乐椅的结构式样美观大方,坐卧舒适,其结构简图如图所示。由于安乐椅结构的对称性,大家将结构的一半离散成24个结点和23个单元。结点数和椅子所受的外力情况标于图中。计算时,大家把位于对称轴上结点Y轴方向的线位移,以及x,z轴方向的角位移所受的约束作为边界条件,并认为结点3处为固定约束、结点1处在z方向的约束为z。从计算结果可知,椅子下部的位移较小,而上部的位移量较大。但在所给定的外力作用下,其位移与椅子的尺寸相比是很小的。其最大位移值发生在结点“23”处,因此,安乐椅使用的安全性是比较理想的。根据计算结果可绘制出椅子结构各杆件单元所承受的轴力、剪力、扭矩和弯矩图,由于篇幅所限,在这里大家只绘制了扭矩图和弯矩图,如图①轴力分析轴力主要集中在椅子的铅垂木质前脚上,其最大压力为541N,而其他轴力较大的部位都为铝杆,故应对铅垂的木质前脚进行结构的强度校核。②剪力分析除了在受载铝杆处明显受到外力引起的剪力外,由载荷引起的木质杆件部位的剪力儿乎都集中在椅子的前脚上部及曲形手护部位,最大值为283N,而其他木质杆件部位的剪力都很小。铝杆的剪切强度不成问题,故结构上只要对椅子的杆脚上部和手护部位进行剪切强度校核即可。③扭矩分析从图2可知,由载荷引起的木质杆件的最大扭矩集中在前脚部位,最大扭矩值为30bN/cm。④弯矩分析从图可知,由载荷引起的木质杆件上的弯矩集中在前脚和手护部位,其最大弯矩值为17420N/cm,位于前脚下部的弯曲点处。
      让一体重为700N的人以自然状态坐到椅子上,头部靠在结点处。在结点“14”处安顿200N祛码,以弥补两脚踏地所造成与指令载荷的差别。在结点“10”处安顿100N祛码,在结点“20”处加一定拉力,以弥补头部不能完全实现200N侧向力的情况口根据理论计算结果和对实际结构的观察,在椅子的等几个有限单元的截面上内力较大,可能是危险部位。表列出了结构中若干有限元结点附近的内力值。从表中结果可知,在5,6,9,15五个结点附近的截面是危险截面,这也符合实际情况。大家在这五个对称截面的边缘上粘贴电阻应变片进行应变测量。第5结点处电阻应变片的布置情况如图所示,其他结点处也类似。


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