基于有限元分析的椅类家具稳定性研究.pdf
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1、书书书竹子学报,():收稿日期:基金项目:上海市技术性贸易措施应对专项项目();教育部项目();上海市科委项目();上海市质检院启明星项目()作者简介:黄鹏飞,教授级高级工程师,博士,从事知识产权、标准化、检测认证等研究。:基于有限元分析的椅类家具稳定性研究黄鹏飞,李芳菲,张磊,厉(上海市质量监督检验技术研究院,国家家具质量检验检测中心,国家建筑材料及装饰装修材料质量检验检测中心,上海 )摘要【目的】该文撰写的主要目的是为引起读者对椅类家具稳定性的重视,从设计阶段提升椅类稳定性。【方法】以弓形椅为例,运用建模法、有限元分析法以及试验验证法分析评估稳定性。【结果】分析评估的结果为弓形椅稳定性不合
2、格,结合理论分析,提出了优化设计方案,有限元分析结果显示该优化方案稳定性显著提升,将优化后的设计方案制作样品并进行试验,试验结果再次验证了稳定性显著提升。【结论】基于两次有限元分析和试验验证得出运用有限元分析提升椅类稳定性是可行的结论。关键词椅类家具;稳定性;有限元分析;优化设计 ,(,)【】,【】,【】,【】,;在日常生活中,椅类家具是与人体接触最多的家具类型之一(李梅,),随着人民生活水平的提高和生活方式的转变,传统造型的椅子无法满足人们日益增长的审美水平和对椅类舒适程度的要求。椅类家具的设计呈现出舒适度提升、功能增多、造型丰富的趋势(李凯烨等,)。然而随着设计的多元化,其作为坐具最基本的
3、要求 安全性常常被忽视,在 年办公椅国家监督抽查中,共抽查了 批次办公椅,其中 批次不合格,稳定性不合格高达 批次,稳定性项目不合格率为 ,椅类家具的稳定性现状堪忧(李芳菲等,)。传统的家具生产方式无法在设计时对椅类稳定性进行评估,造成生产出大批量不合格产品。如果家具生产企业将生产出的椅子送往检测机构进行检测,所测得的结果无法为企业提供科学精准的改进建议,面对一纸报告,企业难以对不合格产品进行科学的结构调整。以上问题,运用有限元分析方法可以得到很好地解决(马贞,;刘娜等,)。有限元分析利用数学近似对真实的载荷工况进行模拟,将复杂问题简单化、可视化,向工程人员直观展示受力、形变、运动等结果,是工
4、程上行之有效的模拟手段(,)。椅类稳定性试验方法椅类家具稳定性是指椅类家具在加载后具有的抵抗倾翻的能力(赵汉伟,),稳定性检测通过模拟使用者落座于座面前部、座面一侧和座面后部时座面、扶手和椅背的受力情况,考察各种使用情形时椅子是否会发生倾翻现象。根据现行国家标准 家具力学性能试验第 部分:椅凳类稳定性(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,),椅类稳定性分为:椅子向前倾翻试验、无扶手椅侧向倾翻试验、扶手椅侧向倾翻试验和椅子向后倾翻试验。结合表 和图 所示,椅子稳定性具体试验方法为:将椅子放在水平平整的试验平台上,用挡块挡住受试侧椅脚,通过直径 、加载表面为球面的加载垫施加垂直力,通过测力装
5、置施加水平力,观察椅子是否倾翻。表 椅子稳定性试验加载力 椅类稳定性试验 垂直力 力值 加载位置 水平力 力值 加载位置 椅子向前倾翻 座面左右中心线距离座面前沿 处 座面和加载垫接合处 无扶手椅侧向倾翻 座面前后中心线距离座面前沿 处 座面和加载垫接合处 扶手椅侧向倾翻 距座面左右中心线一侧 与距座面后沿 范围内的任何相交点 扶手和加载垫接合处 距扶手外侧边沿 处 椅子向后倾翻 座面左右中心线上距该线与椅背左右中心线相交点 处 由 确定 椅背中心线上距该线与座面中心线相交点 处 说明:为加载后座面和地面的距离。当 ,水平力 ;当 ,水平力 ()。:,;,()竹子学报第 卷图 椅子稳定性试验加
6、载方法 椅类稳定性常见问题分析不合理的结构设计是椅类稳定性不合格的主要原因(罗启星,)。椅类家具作为人们日常生活中使用最频繁的坐具,稳定性是其作为坐具使用时至关重要的要求。椅类稳定性不合格现象集中在椅子向前倾翻试验、扶手椅侧向倾翻试验和椅子向后倾翻试验。如图 所示,椅子向前倾翻,容易磕伤使用者下颌和面部;椅子侧向倾翻,容易扭伤使用者腰部,挫伤使用者手臂;椅子向后倾翻,容易磕伤使用者后脑,严重时可能引发脑震荡。图 椅子倾翻现象 第 卷第 期黄鹏飞等:基于有限元分析的椅类家具稳定性研究图 弓形椅 弓形椅如图 所示,从椅子侧面看,弓形椅的外形设计常呈现出座面前沿延伸至主体框架外,而支撑脚缩进主体框架
7、内的形式,当使用者落座于座面前沿时,椅子后部的质量难以维持整体的平衡,会造成椅子和使用者共同向前倾翻。靠背可调办公椅该类办公椅不仅能够作为办公坐具使用,还能在休息时将整个产品展开,供使用者躺卧。如图 中左图所示,从侧面看,该类办公椅的五星支撑脚与座面相比位置靠后,这就导致其作为办公椅使用时,容易向前倾翻(任英丽等,)。由图 中右图可见,之所以采用此设计,主要是为了保证产品在完全平躺状态时不会向后倾翻,该设计可谓顾此失彼。图 靠背可调办公椅 图 扶手可调办公椅 扶手可调办公椅该类办公椅侧向稳定性不合格主要由两方面因素叠加引起,即扶手向外展开和五星支撑脚较小。如图 所示,该类扶手椅扶手角度可调,当
8、扶手向外张开到极限位置时,根据 家具力学性能试验第 部分:椅凳类稳定性,在扶手椅侧向倾翻试验中,共 的垂直力有 是加载在扶手上的,如果椅子的五星支撑脚较小,椅子呈现出上大下小的不稳定状态,容易在使用者落座于座面前沿一角或使用者起身时发生侧向倾翻。课椅根据 家具工业术语,课椅是在学校教室里使用,供学生听课、读书和写字用的椅子,课椅常与课桌配套使用(国家市场监督管理总局等,)。由于中小学学生活泼好动,课桌椅 对课椅的向后稳定性要求更高(中华人民共和国工业和信息化部,),但实际上许多课椅的向后稳定性远不如普通家用椅。如图 所示,从侧面看,许多课椅椅背在地面上的投影位于支撑脚后方,当学生落座于课椅并靠
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