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隨著家具工業(yè)的不斷發(fā)展，各種美觀大方的家具應(yīng)運而生，特別是層壓彎曲木家具以其輕巧、美觀、省材的優(yōu)點及不用樺接即可以制成曲線形狀的特點，深受消費者的喜愛。但新的加工工藝和制品對家具研究人員和生產(chǎn)單位提出了許多新的問題。例如，彎曲木家具曲形部位的應(yīng)力狀態(tài)如何？怎樣的曲線才既美觀大方又符合強度和剛度的要求？同一用途的產(chǎn)品怎樣才算優(yōu)化結(jié)構(gòu)等等。當(dāng)然，不少問題，像產(chǎn)品的強度、疲勞等可以通過試驗來測試，但要把用試驗方法取得的試驗結(jié)果推廣到多種家具卻是困難的。因此，本文力圖通過計算機，用有限元方法進行家具結(jié)構(gòu)有限元分析。在國外，已有一些學(xué)者對木椅進行過分析，并取得與試驗相符的結(jié)果。國內(nèi)也有學(xué)者進行過嘗試，但采用的是二維單元分析法。本文采用三維有限單元法對層壓彎曲木制成的安樂椅進行剛度和強度分析，并用電測法測試強度，兩者符合較好。本文的分析方法，可供家具設(shè)計人員在初步設(shè)計中選擇家具結(jié)構(gòu)方案時參考。
層壓彎曲木的力學(xué)特性比較復(fù)雜，對剪切變形的影響大小難以確定，這一影響在材料力學(xué)中通常是忽略的。但為了更精確地反映層壓彎曲木的受力情況，我們在受力分析時計人剪切變形，并采用考慮剪切變形影響的三維桿件單元，這已在我們自己編制的有限元程序運算中通過。
安樂椅的結(jié)構(gòu)式樣美觀大方，坐臥舒適，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。由于安樂椅結(jié)構(gòu)的對稱性，我們將結(jié)構(gòu)的一半離散成24個結(jié)點和23個單元。結(jié)點數(shù)和椅子所受的外力情況標(biāo)于圖中。計算時，我們把位于對稱軸上結(jié)點Y軸方向的線位移，以及x，z軸方向的角位移所受的約束作為邊界條件，并認(rèn)為結(jié)點3處為固定約束、結(jié)點1處在z方向的約束為z。從計算結(jié)果可知，椅子下部的位移較小，而上部的位移量較大。但在所給定的外力作用下，其位移與椅子的尺寸相比是很小的。其最大位移值發(fā)生在結(jié)點“23”處，因此，安樂椅使用的安全性是比較理想的。根據(jù)計算結(jié)果可繪制出椅子結(jié)構(gòu)各桿件單元所承受的軸力、剪力、扭矩和彎矩圖，由于篇幅所限，在這里我們只繪制了扭矩圖和彎矩圖，如圖①軸力分析軸力主要集中在椅子的鉛垂木質(zhì)前腳上，其最大壓力為541N，而其他軸力較大的部位都為鋁桿，故應(yīng)對鉛垂的木質(zhì)前腳進行結(jié)構(gòu)的強度校核。②剪力分析除了在受載鋁桿處明顯受到外力引起的剪力外，由載荷引起的木質(zhì)桿件部位的剪力兒乎都集中在椅子的前腳上部及曲形手護部位，最大值為283N，而其他木質(zhì)桿件部位的剪力都很小。鋁桿的剪切強度不成問題，故結(jié)構(gòu)上只要對椅子的桿腳上部和手護部位進行剪切強度校核即可。③扭矩分析從圖2可知，由載荷引起的木質(zhì)桿件的最大扭矩集中在前腳部位，最大扭矩值為30bN/cm。④彎矩分析從圖可知，由載荷引起的木質(zhì)桿件上的彎矩集中在前腳和手護部位，其最大彎矩值為17420N/cm，位于前腳下部的彎曲點處。
讓一體重為700N的人以自然狀態(tài)坐到椅子上，頭部靠在結(jié)點處。在結(jié)點“14”處安放200N祛碼，以彌補兩腳踏地所造成與指令載荷的差別。在結(jié)點“10”處安放100N祛碼，在結(jié)點“20”處加一定拉力，以彌補頭部不能完全實現(xiàn)200N側(cè)向力的情況口根據(jù)理論計算結(jié)果和對實際結(jié)構(gòu)的觀察，在椅子的等幾個有限單元的截面上內(nèi)力較大，可能是危險部位。表列出了結(jié)構(gòu)中若干有限元結(jié)點附近的內(nèi)力值。從表中結(jié)果可知，在5,6,9,15五個結(jié)點附近的截面是危險截面，這也符合實際情況。我們在這五個對稱截面的邊緣上粘貼電阻應(yīng)變片進行應(yīng)變測量。第5結(jié)點處電阻應(yīng)變片的布置情況如圖所示，其他結(jié)點處也類似。
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