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解剖实木家具框架力学结构分析

发布:2018/1/5 13:39:27  来源:互联网  浏览次  编辑:佚名

    我国传统家具以明式家具为典型,使用天然实木加工而成,主要采用框架式结构,构件间常以榫卯形式接合,因构造上的科学性与合理性而被广泛沿用。随着家具工业化的不断发展,现代实木家具结构中的榫卯接合已相对简单,框架结构也得到了极大的简化。

  目前对实木家具力学性能的测定主要依据国标GB/T 10357.2~3相关试验方法。然而我国木材资源匮乏,若按上述破坏性试验进行测定是不经济的,也不能为木材资源的节约与实木家具力学结构的设计提供可靠依据。由于框架式家具榫卯结构的弹性模量与刚度的特殊性,力学结构的整体化分析较其它类型的家具更为复杂。因此,对这类家具的非破坏性力学结构分析方法进行归纳和研究很有必要。珍贵木材生长缓慢,蕴藏量逐年减少,该方法对于珍贵木材制作的家具尤为适用。

  家具力学结构研究现状

  试验与计算分析法

  经过长期的实践与发展,家具结构的力学分析逐渐得到重视。国内外运用材料力学以及各种试验方法推进了框架和板式类家具的结构、构件、榫卯接合、金属连接件接合的设计和研究。

  在框架榫卯接合强度设计方面,卡尔•艾克曼试验所得结果常常被作为特定家具接合部位强度分析与设计的依据,然而试验所得数据往往有限,不同结果间又无法进行比较,因此未能推导出广泛适用的接合部位强度设计计算公式。在计算分析方法的应用上,我国研究者唐开军对方材直角双插入榫、方材45°斜角双插入榫、90°开口贯通单榫和丁字形闭口单榫这四类常见实木家具结构用榫进行了分析,并在此基础上给出了对压应力、拉应力、弯曲应力和剪切应力进行量化计算的数学模型。

  框架整体结构分析方面,多采用将三维框架结构简化为二维平面的方法,通过材料力学进行应力计算,并对复杂结构做刚性、半刚性、柔性的分类与假设近似分析;榫卯接合强度则根据试验分析结果进行讨论,通过整体和局部两方面的研究最终得出对家具力学结构强度的综合判定。然而二维简化应力分析方法在分析真正的家具框架过程中是不可行的,如直接手工计算三维框架又是不可能的,也是不经济的。

  上述研究虽能对实木框架类家具的力学强度从整体结构和局部接合上做出了判定,但未能将榫卯接合纳入框架的整体研究中。然而榫卯接合处的刚度与弹性模量的变化是不可忽略的,若以相接构件的力学性能直接代替接合点就可能造成强度、刚度设计满足不了使用要求。

  有限元分析法

  随着各种有限元软件的出现和其功能的不断完善,有限元理论逐渐被应用到家具力学结构设计中。尽管此方法发展至今已较为成熟,但在家具中的应用却始于近15年。国外主要将有限元法应用到板式家具、框架家具以及接合处强度设计的研究中,侧重于五金连接件连接的板式家具和简单结构的框架家具,并将其结果与检测结果比较,确立了有限元法在家具结构分析中的可行性。国内则侧重于有限元常用软件ANSYS在家具结构强度分析中的应用。目前,主要对板式家具、层压弯曲木家具和方材做出了相关应用研究。与传统的计算分析方法相比,有限元分析法能从三维整体上分析框架家具的力学结构,因此大大简化了手工运算,为实现三维框架的整体设计与检验提供了有效途径。有限元软件应用中,榫卯接合部位的整体化分析是必要的,它使研究结果更接近实际。然而接合处的刚度、弹性模量等力学性能常数又同相接构件有关,据李素瑕的研究,接合处节点可分为刚性和半刚性,而家具榫卯结合处的节点几乎全为半刚性。国内外大多数没有将构件和接合部位区别对待,仅有的相关研究为蔡力平等人提出的试验方法,通过对部件加载和线性回归分析得到接合部位的当量弹袌Z抔篵緲E'E圸抔篵緲芯克湮雍喜课坏恼寤治鎏峁┝朔椒ǎ砸允匝槲鳎嬖谝欢ǖ木窒扌浴

  木结构建筑榫卯结构分析研究

  我国传统家具与我国独具风格的木结构建筑一脉相承,由于家具有限元分析中榫卯的相关研究很少,为此借鉴木结构建筑中榫卯的相关研究进行讨论。木结构建筑中的榫卯连接具有比刚接变形大而比铰接变形小,介于刚接和铰接之间的半刚性连接的特点,因此在有限元模型中,将柱设为普通的空间单元,而将三维半刚性连接的空间二节点虚单元(没有质量也没有几何尺寸)作为梁柱间的过渡性单元加在梁的两端。因此每一根带榫头的梁都将被分为3个单元,自由度由12个变为36个。这类结构分析方法若应用于家具半刚性连接的力学分析,可考虑将纵向构件设为普通单元,而将横向构件分为3个单元进行分析。

  分析方法

  有限元软件

  可用于研究的有限元软件,国外的主要有MSC/NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、ABAQUS、PAFEC、SAP等,国内研制的主要有JIFEX、HAJIF、FEPS、DDJ—W等。其中ANSYS大型通用程序应用最为广泛,已初步用于家具力学结构研究中,对实木框架类家具的力学结构分析研究可选用此种软件。

  模型的建立

  ANSYS有限元软件进行分析时,家具模型一般可通过有限元软件本身或其他三维软件建立。ANSYS提供了两种模型生成方法,实体建模和直接生成模型。然而,这两种建模方式都不适用于大型或复杂模型的建立,更不利于类似构件和结构尺寸的修改。因此,对较为复杂的框架结构家具模型的建立可采用其它可导入并方便修改的三维软件,如IGES、UG、PRO/E、CATIA、PARASOLID、SAT等。通过接口将模型导入ANSYS软件,然后进行网格划分,加载求解。

  外载荷与约束方式

  目前,家具外载荷大小及加载方式主要依据国标GB/T10357.1~7相关规定,其有关试验项目主要有耐久性试验、冲击试验和跌落试验。为使有限元分析改进的家具与实际使用环境相符,应对有限元分析过程的外载荷、约束方式进行设定。

  运用ANSYS集成程序LS-DYNA模拟国标试验时需作相应的设定,冲击试验需设定冲击物的质量、材料属性、初始速度、加速度、冲击高度;跌落试验需设定目标面的材料、加速度与跌落高度;横向冲击试验,冲击摆锤的高度与角度可换算为接触家具时的速度与加速度;而耐久性试验的载荷可直接应用软件进行加载等。此外,国标中的加载点与约束方式因考虑了实际使用情况,同样可被直接用在软件分析过程,即对相应约束点的三个平动自由度和三个转动自由度进行规定。

  榫卯接合部位

  榫卯接合部位的处理,按接合情况首先分为刚性和半刚性连接。其中,刚性接合部位划分单元的弹性模量为材料本身的弹性模量,而半刚性接合部位可借鉴木结构建筑在横向构件两端加入三维半刚性过渡虚单元的方式加以讨论。

  现有的针对实木框架类家具的非破坏性力学结构分析方法中,计算分析法因其二维简化,在实际应用中存在许多问题。随着有限元分析软件的出现和功能的不断完善,有限元分析方法逐渐被应用于框架家具这类较复杂结构的力学讨论中,但目前这方面的研究还缺少将榫卯接合纳入整体做统一处理,需要进一步研究提高。

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