电动餐桌支架有限元仿真分析研究

2020-09-01周阳峰ChenLiampZhouYangfeng

家具与室内装饰 2020年6期

■陈理，周阳峰 Chen Li ＆amp; Zhou Yangfeng

(福建森源家具有限公司，福建永安 366000）

电动餐桌是近年来餐桌椅的一个创新产品，方便用餐人员夹取菜肴，多用于高档酒店包间及私人豪宅，已成为餐桌椅类家具的重要细分产品，具有较大的市场潜力[1]。但目前电动餐桌的设计及制造并没有相关行业指导标准，市场产品质量参差不齐，企业售后客诉较多，增加了企业成本，也严重影响了消费者的体验[2]。电动餐桌支架由专门工厂独立生产，对更多家具企业来说，属于外协产品。电动餐桌支架的质量及承重要求直接影响整个电动餐桌的产品品质。因此对电动餐桌支架进行力学分析，研究承重与形变位移和应力分布的关系将具有重要意义。

1 电动餐桌简介

1.1 电动餐桌的结构和用材

电动餐桌主要由底座、固定台面、转动台面、电动支架、电机、控制器、检修门等部分组成（图1）。底座及固定台面主要以实木、密度板、夹板等材料制作；转动台面除木质材料外，多采用大理石及钢化玻璃制作；电动支架目前以金属为主，类型分为铝圈式和落地式。电动餐桌电动线路装置有遥控装置，可以远程调整电动的转速和旋转方向。

铝圈式电动支架分为圆环和实心两种（图2）。环形电动支架采用电机驱动，实心电动支架采用锂电池驱动，使用时直接与固定台面及转动台面同心放置，带动台面一起旋转。

落地式电动支架一般采用钢铁制作，由承重臂、盘面、转轴、电机、大小齿轮、落地脚等部件组成（图3）。承重臂各分部件采用焊接方式进行连接，中轴盘面出厂时多数已组装成一体，承重臂、落地脚与盘面之间采用螺杆进行连接。电动餐桌使用时，电机转动牵引大小齿轮带动中轴旋转，从而带动台面转动。落地式电动支架的尺寸需根据电动餐桌的设计尺寸进行定制，一般来说，转动台面距离餐桌边缘的间距为500mm。

1.2 电动餐桌的承重

电动餐桌的承重主要由转动台面和菜品组成。其中转动台面质量计算公式：M=ρv=ρπr2h，其中：

M—质量，单位为kg

ρ—转动台面材料密度，单位为kg/m3，其中胶合板密度取600kg/m3，中密度板取725kg/m3，大理石取2500kg/m3，天然花岗石取2600kg/m3，钢化玻璃取2500kg/m3

π—圆周率，取3.14

r—转动台面半径，单位为m

h—转动台面厚度，单位为m

菜品重量取50-60kg，以直径4m电动餐桌为例，一般可放置底部直径为30cm的餐盘24个，每个菜品以2.5kg测算。（电动餐桌直径≥4m取60kg，直径＜4m取50kg）。

1.3 电动餐桌的安装流程

①按照产品说明将电动支架在指定的位置组装成型。

②调整调节螺丝，使支架台面成水平状，并用水平尺进行检测。

③将转盘（大理石盘面或木质盘面等）平放在落地式电动支架上，并使三者同心，安装好螺丝固定。

④滚筒上电机连接控制器，再接通电源，查看转盘转动是否正常，正常后切断电源。

⑤以电动转盘为中心组装餐台，每两块台面分部件安装，需用两套半月牙螺杆，两个木榫，两个铁梢进行连接固定。转动台面与固定台面之间的垂直间隙需保留一致，用游标卡尺进行检测。

表1 电动餐桌安装质量要求

表2 镀锌钢的材料属性表

1.4 电动餐桌的技术要求

1.4.1 现场预埋水电要求

①明确电线在现场电动餐桌安装的预留位置及用电功率要求。

②电动餐桌功能涉及水的，要明确水管预埋位置及要求。

1.4.2 CAD绘图要求

①图纸绘制时明确产品材质、走线方式、部件拆分及连接方式、拼缝要求。

②明确电动餐桌支架承重、电机功率要求。

1.4.3 电动餐桌支架采购要求

①电动餐桌支架用镀锌钢板厚度、方材壁厚及连接角铁厚度满足项目承重要求。

②采购与电动餐桌电机功率相匹配的国标电线（不得用非标）。电线横截面积与承载电流参照《GB 4706.1-2005 家用和类似用途电器的安全通用要求》。

③采购与项目电动餐桌功能相匹配的电机，载重量（含支架、转盘、菜品）300kg以内的选择25W电机，超过300kg的选择40W以上的电机。

④采购性能优良的的轴承及齿轮。

1.4.4 电动餐桌安装质量要求

电动餐桌的安装质量评估指标主要有平整度、间隙、分缝、性能要求(表1)。

2 电动餐桌支架有限元仿真分析

2.1 实验目的

验证公司采购的3米电动餐桌支架是否符合400kg承重要求，并为电动餐桌的设计提供可行性建议。

2.2 实验材料

电动餐桌支架三维模型，赋予材质为镀锌钢。

2.3 实验方法

本文采用的方法为有限元法仿真分析，使用UG软件。UG是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段，是目前常用的有限元仿真软件之一[3-4]。在UG软件高级仿真模块中模拟电动餐桌真实实际使用状态，查看支架的形变位移和各处应力分布云图。

2.4 实验步骤

2.4.1 三维模型建立

产品三维模型是进行有限元法仿真分析的前提，精准的模型和尺寸有助于得到理想的家具仿真结果[5]。根据电动餐桌支架的实际尺寸在UG软件中建立三维模型，如图4所示。其中转盘承托截面镀锌钢板厚度为4mm，镀锌方材壁厚3mm，支架圆盘面厚度5mm。

2.4.2 材料赋予

正确赋予模型材料属性是得到精准仿真结果的重要条件之一[6-7]。有限元法仿真分析涉及到的主要材料属性为密度、弹性模量、切线模量、泊松比。打开UG软件仿真模块，对模型赋予镀锌钢材质，镀锌钢的材料属性如表2所示。

2.4.3 网格划分

主流网格划分分为手动和自动两种，合适的网格大小可以加快仿真结果的收敛[8]。本文采用CTETRA（4）方式进行网格划分，软件自动匹配网格大小为22.9mm，对模型进行自动划分，网格划分结果如图5所示。

2.4.4 施加约束和载荷

外载荷是家具设计一个重要考量点，外载荷的类型和水平程度与家具设计强度和尺寸息息相关[9]。在外载荷的作用下，支撑点会产生反作用力，每种支撑具有不同的自由度和约束度。对模型施加正确的约束和载荷就是模拟产品在真实场景的使用状态，由此得到的仿真结果才具有科学性和参考性[10]。

①约束

电动餐桌使用时，落地部分是不动的，因此对电动餐桌的落地部分施加固定约束。

②载荷

目前家具企业选用的电动餐桌驱动电机功率主要为15W及40W两种，超过40W电机一般内含散热风扇，使用时噪音较大，影响顾客使用体验。而经验表明，将电动餐桌的承重控制在400kg以内，40W电机能正常驱动且使用寿命较长。电动餐桌在实际使用时，支架转盘承托截面与转动台面相接触，承受转动台面的压力，因此对支架转盘承托截面施加-4000N的均匀力载荷，如图6所示。

2.4.5 求解

选择UG软件仿真模块的求解器对模型进行求解。

2.4.6 结果与讨论

①形变位移分析

通过对形变位移云图见图7分析可知：电动餐桌支架形变位移最大为0.141mm，形变位置为支架转盘承托截面外沿。

②应力分布分析

通过对应力分布云图见图8分析可知：电动餐桌支架最大应力分布在为支架转盘承托截面中心位置，应力值为22.05Mpa。