探讨现代家具结构设计的科学方法

2018-01-09邬沛峰陶靓子

科技与创新 2018年2期

关键词：分析模型榫卯载荷

邬沛峰，陶靓子

（浙江艺术职业学院，浙江杭州 310000）

探讨现代家具结构设计的科学方法

邬沛峰，陶靓子

（浙江艺术职业学院，浙江杭州 310000）

随着我国现代家具生产体系的建立，促进了整个家具行业生产发展的迅速扩大和提升，对世界范围内的家具生产与发展都形成了更加明显的影响。在我国家具设计现状分析基础上，结合现代家具结构设计的原则及特点，对现代家具结构设计的科学方法及应用进行了分析。

现代家具；结构设计；造型设计；功能设计

1 我国家具设计的现状分析

一般情况下，家具设计包括结构设计、造型设计以及功能设计、生产工艺设计等多个设计内容，其中，结构设计是家具设计的基础内容。在结构设计中，家具的结构强度直接影响着其造型以及功能、生产工艺等多个内容，由此可见，结构设计在现代家具设计中的重要性。值得注意的是，在传统的家具设计中，结构设计是通过借鉴经验或简化计算、试验测试等方式完成的，缺乏相对科学、精确的结构设计方法，且在传统家具结构设计上形成了一些理论，在特定的家具形式设计中，适应性较好，但缺乏相对准确、广泛的设计使用结论，因此，对现代家具结构设计科学方法的研究，仍是当前家具设计研究和关注的重要内容。

2 现代家具结构设计的原则与特点分析

结构设计作为家具设计的基础，对家具的造型和功能等都存在着较大的影响，根据这一情况可看出，结构设计在家具设计中的重要性。而在家具结构设计中，也需要遵循相应的科学性设计原则。一般情况下，家具结构设计中科学性设计原则即尊重材料的自然结构性能，选择能够满足家具结构承重需求的材料进行设计应用，从而确保家具结构的科学性。此外，还需要从现代家具的机械化生产工艺层面进行家具结构设计，以满足现代家具的市场以及工艺生产需求，确保其结构设计的科学、合理。在现代家具设计中，家具由单纯的功能性向功能性与装饰性共存的产品方向转变，因此，家具结构设计中也需要对这些方面进行考虑，在满足家具结构功能需求上，注意装饰性效果设计。

纵观现代家具的设计特点，不仅具备家具平面榫卯结构的特征，还具备家具立体榫卯结构特征。其中，家具平面榫卯结构设置是指由家具结构中的一个面，连接着相应的结构走向，并通过这种连接方式，使家具整体结构的承重能力强度更加突出。比如，在家具设计中，在原材料较少的情况下，通过锯齿拼接方式将不同的木材拼接起来，构成家具结构的形式，具有平面的榫卯结构设计特点。而家具的立体榫卯结构设计则是基于三面或三面以上的拼接构成的榫卯结构，与平面榫卯结构相比，这种立体榫卯结构形式设计难度更高，对结构中各个零件的分布把握要求也比较高，需要通过尺寸分析，满足相应的力学变化需求，进而构成家具的结构形式。

3 现代家具结构设计的科学方法

以现代家具中外观造型以及结构、工艺特征都比较突出的曲面家具结构设计为例，这种结构形式的家具在当前市场中受欢迎程度以及家具设计本身的环保节约性能都比较突出。如图1所示，白蜡木层层压弯曲木椅，其结构设计中就采用了有限元分析法进行设计，该椅子的高度为76.5 cm，正面宽46.5 cm，侧面宽46.0 cm，座面高43.0 cm。此外，椅子腿宽度为0.6 cm，厚度为0.25 cm。

图1 白蜡木层层压弯曲木椅

该椅子在应用有限元分析法进行结构设计的过程中，首先通过有限元模型的构建，对椅子的外部载荷根据其功能用途及有关家具力学设计标准进行选取，分别基于椅子的座面静载荷以及椅子背部的静载荷、座面椅背静载荷、座面冲击载荷等因素条件对该椅子曲面结构下的外部载荷进行分析，然后建立相应的有限元分析模型；通过仿真试验验证，对其模型设计与实际测验结果之间的误差可能性进行分析，并计算出相应的曲面结构载荷应力值，从而实现该椅子的结构设计，并验证其结构强度符合国家家具结构设计的强度标准。在上述椅子的曲面结构外部荷载分析与有限元分析模型建立中，根据其结构荷载作用，分别建立了静载荷有限元分析模型与冲击载荷有限元分析模型。静载荷有限元分析模型利用ANSYS-Multiphysics静力分析程序进行构建，在对其结构材料的弹性模量以及泊松比、密度等数值计算获取的情况下，实现相应的静荷载模型图，而针对椅子冲击荷载的有限元分析则通过ANSYS/LS-DYNA显式非线性动力分析程序进行模型构建与计算分析。通过模型构建与计算分析，最终确定出椅子结构中最大强度的座面静载荷作用位于椅子腿部弯曲结构处，最大荷载达到67.2 MPa，而加载座面静载荷与椅子背部静载荷最大为97.9 MPa，位于椅腿下弯曲部位，冲击载荷最高时，最大强度为86.7 MPa，位于椅子上弯曲部位。根据各种计算分析结果进行该椅子结构模型设计，并经仿真试验验证分析后显示，该椅子结构强度符合国家家具结构设计的强度标准。根据上述有限元分析模型对椅子结构的各种强度数值进行计算设计后，所实现的椅子结构设计满足国家家具结构设计强度等级标准（5级）。根据该情况，结构曲面结构椅子的家居使用功能一般只需满足3级家具结构强度等级标准即可。在此情况下，为了确保结构设计的合理优化，还通过优化设计方法对上述计算分析的结构模型进行优化设计，最终形成较为合理的结构设计方案。