浅析榫结构的应用及优化方式

马 贞，唐立华

（中南林业科技大学 家具与艺术设计学院， 湖南 长沙 410004）

浅析榫结构的应用及优化方式

马 贞，唐立华

（中南林业科技大学 家具与艺术设计学院， 湖南 长沙 410004）

对榫在木家具、传统建筑和其他木制品的应用进行分析，在满足家具功能要求、减少用料量和不破坏产品的前提下，提出了用有限元来优化，并建议对其推广。

榫结构；传统建筑；木家具；强度

榫结构在传统建筑和木家具的结点应用中（木家具的榫卯结构由传统建筑结构演变而来），数量大、质量要求高，占有很重要的地位。中国明清家具不仅是中国传统家具文化的顶峰，在世界家具史上也是举足轻重的。明清家具以榫接合形式为主，可以说榫结构是它们的灵魂。

一、榫结构在木家具中的应用

我国传统家具的各个部件被精细的榫卯结构紧密的结合在一起（成为牢固扎实的整体）是与西方家具的明显区别。金属结构组合解决了西方家具的部件连接。榫和家具是一个整体，寿命相当，材质相当是榫卯结构的优点。《明式家具研究》中以下十种榫接合有代表意义：格肩榫、楔钉榫、插肩榫、攒边格角榫、抱肩榫、大进小出榫、棕角榫、卡腰子榫、夹头榫、挖烟袋锅榫。特别是格肩榫常被应用在家具结构中方材或圆材丁字型接合，而横竖材接合一般应用在床围子、椅凳横枨、花牙子、柜类家具中间枨以及柜腿、门扇边的结合。各种榫接合在传统家具史中起着不可替代的作用。如图1所示。

图1 格肩榫 抱肩榫 夹头榫 攒边格榫

历史悠久、技艺精湛、驰名中外的榫结构是木家具的主要接合方式，它采用的种类对家具的美观、强度和加工过程以及使用或搬运的方便都有直接影响。榫接合是由榫头（插）入榫眼、榫空或榫沟所组成的结合。各种结构复杂的榫均是由基本结构演变而来的，榫结合的种类[1]按照以下方式进行划分：

1．按榫头与工件本身的关系分：有整体榫和插入榫。整体榫是在方材零件上直接加工而成，如直角榫、椭圆榫、燕尾榫和指榫；而插入榫与零件不是一个整体，单独加工后在装入零件预制的孔或槽中，如圆榫、片榫等。见图2。

2．按榫头数目分为：有单榫、双榫和多榫，见图3。

3．按榫眼（孔）深度分：有明榫和暗榫（不惯通榫），见图4。

4．按榫眼侧开程度分：有开口贯通榫、半开口（半闭口）贯通榫、半开口（半闭合）不惯通榫、闭口贯通榫，见图5。

5．按榫头肩颊切削形式分：有单肩榫、双肩榫、三肩榫、四肩榫、夹口榫和斜肩榫等，见图6。

图2 榫头的形状

图 3 单榫 双榫 多榫

图 4 明榫 暗榫

图5 开口贯通榫 版开口贯通榫 半开口不惯通榫 闭口贯通榫和闭口不贯通榫

图6 单肩榫 双肩榫 三肩榫 四肩榫 夹口榫和闭斜肩榫

种类繁多的榫结合被广泛的应用在木家具中桌、椅、床、柜和沙发的结点上。

二、榫结构在传统建筑中的应用

首先，木构架建筑是传统建筑的主要表现体系。例如中国古代宫殿式木构建筑,一座大的要以万计的单件组合而成,一座小型的结构简单的古建筑,也要有数几百的木构件。如此多的木构件,除去椽子、望板的接合要使用钉子,剩余的构件几乎全部是凭借榫卯结合在一起。

其次，中国传统建筑木结构的主要特点之一就是柱和额枋组成的构架以及其他构件之间采用榫卯连接（见图7）。由于采用的榫卯连接方式为半刚性连接，[2]允许产生一定的变形。这样的连接方式不仅具备一定的抗弯能力及良好的耗能能力，也使其避免由于出现局部拔榫、节点松脱，造成结构整体或者局部构架歪闪倾斜的现象发生。[3]同时，榫结构在作为抵抗水平地震作用时的节点应用，其可靠度特性显得尤为突出。[4]榫结构之所以能承受一定载荷作用是因为由榫和卯组成的榫卯节点具有良好的弹性及较好抵消水平推力作用特性。

关于榫结构的处理技术,除去宋代李诫的《营造法式》，目前很少有专门的文献书籍记述,大都是工匠们凭借经验口传心授。榫结合惊人的技术建构，体现了蕴含在其中的各种美，是不同寻常的技术艺术的和谐。

图7 典型榫卯结构

三、榫结构在其它木制品中的应用

当下木窗木门要数欧式的最为流行了，分为直角榫结合、斜角榫结合（单肩斜角明榫、单肩斜角插入榫、斜角插入圆榫和斜角插入条榫）。

随着木地板业的蓬勃发展，木地板已经成为林产工业的一个重要的产品，[5]木板之间的接合大部分采用榫结合。

榫结构被应用的如此广泛，但是给售后出了难题，很多精细的家具很难修复。因此，我们在设计的时候需要更科学的技术作为依托来完善其不足。

四、利用有限元分析软件ANSYS优化榫结构

木制品框架榫结构的设计是整个设计过程中最重要的一环，木制品在外力作用下，即使它的构件强度足够，如果榫结构强度不够，那么整个木制品也会被破坏。在现实情况下，由于榫结构强度低而导致的木制品破坏比其他原因要多，因此科学的设计木制品结构中的榫结构就特别重要，这样木质品在使用中就能安全地承受外力作用。

ANSYS软件作为一款大型通用有限元分析软件，能够进行结构、热、流体、电磁以及声学等科学研究,他广泛应用在机械制造、汽车、航空航天、船舶、土木工程、地质矿产、水利、铁路、石油化工、轻工、电子等工业及科学研究之中。目前，有限元法也已被广泛的应用于榫结构的分析当中，并在国内外家具结构设计中得到活跃的应用[6]。使用有限元对家具局部榫结构尺寸配合进行分析及优化，最终得到强度和刚度最优的榫接合尺寸形式。有限元法在家具结构分析方面的应用，能够为现代家具设计向高技术型发展提供有力帮助，并可以有效的提高家具设计质量。对企业来讲，可以在缩短设计周期的同时降低设计和生产成本，达到提高市场竞争力的目的。将有限元分析方法与传统的试验研究相比，它主要可以表现出以下突出优点：

1、使用有限元分析方法，可以对所开发的新产品在生产之前对其各种性能进行有效评估；

2、该方法可避免一些误差（如制造和装配等方面）对试验结果造成的影响，从而使结果更具有参考意义；

3、有限元分析法的可重复性、信息量大且方便快捷的特点也是此方法应用的优势所在。

五、有限元分析软件ANSYS在家具结构设计应用及不足

有限元法在国内外家具结构设计中得到活跃的应用，对我国来讲，家具结构力学方面的仿真分析研究远远落后于国外先进发达国家，尤其是家具结构的有限元模拟分析及优化设计方面，仍有相当广泛的领域值得去深入的分析和探讨。

目前来讲，主要的研究范畴集中在对简化的结构模型以及整体结构方面进行的静力分析，对于应用有限元对家具局部榫结构尺寸的配合方面的研究较少，然而该尺寸配合较大的影响着家具的结构强度及其稳定性。除此之外，大多数研究并没有考虑到实际使用中产生的动载荷。同时，在国内，这种参数化的有限优化方式在家具结构设计领域的应用是少之又少，几乎没有。由于材料的特性是非常关键的因素，它对于获取可靠的结果起着重要作用。对于木材这种家具制作常用材料来讲，它的各向异性往往在研究中被忽略。此外，有限元方法需要输入数据过于繁琐，不利于普及。

六、结论

①应用有限元研究榫结构时应确定研究材料、产品以及在实际使用情况下对产品产生动载荷。对产品的构件进行多样化分析，进而优化出更科学合理的榫结构的榫头、榫眼和缝隙。

②尝试在高校及相关院校应效仿CAD和3D开设课程，来解决普及问题。榫结构是我国传承几千年的文化，如何更好的发扬光大，还需要更加深入的研究和探讨。

[1] 吴智慧.木质家具制造工艺学[M].北京：中国林业出版社，2004.41-42

[2] 姚 侃,赵鸿铁,葛鸿鹏.古建木结构樟卯连接特性的试验研究[J].工程力学，2006,(10):42-44

[3] 杨亚弟,杜景林,李杜荣.古建筑震害特性分板[J].世界地震工程，2000，16(3):12-16.

[4] 葛鸿鹏,周 鹏,伍 凯，等.古建木结构榫卯节点减震作用研究[J].建筑结构，2010,(6):30-32.

[5] 李志高.国家标准《捧接地板块技术条件》 有待改进[J].林业科技开发，1998,(2):52.

[6] 王金龙，王清明，王伟章.ANSYS12.0有限元分析范例解析[M].北京：机械工业出版社，2010.2-3.

A Preliminary Study of the Application and Improvement of the Tenon Structure

MA Zhen, TANG Li-hua

(College of Ffurniture and Art Design,Central South University of Forestry &Techology, Changsha 41004, Hunan,China)

The literature review method is used to analyze tenon application in wood furniture, traditional building and other wood productions. With the premises of meeting the functional requirements well, and reducing building materials without destroying the product quality, the paper proposes to well use the finite element method to optimize the design of tenon.

the tenon structure; traditional architecture; wood furniture; strength

TS633

A

1673-9272(2012)02-0176-03

2011-12-28

中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目“基于有限元分析的梓木家具直榫结构设计研究”（2010sx20）。

马 贞（1988-），女，河南商丘人，硕士，主要从事木制品的设计与制造技术的研究。

唐立华( 1966-) , 女, 湖南洞口人, 中南林业科技大学副教授, 研究方向: 人体工程学、家具设计及设计教育。

[本文编校：李浩慧]