家具結構設計是家具設計的重要內容。影響家具的使用壽命，原材料的合理利用等。一直以來，我國家具結構設計一直采用經驗和模仿固定的形式，沒有一種科學的分析方法。而這種傳統(tǒng)方法一方面造成家具零部件尺寸過小，達不到強度要求而破壞，浪費了材料；另一方面，家具設計產品的尺寸過大，遠超過使用強度要求，到達使用年限后人為廢除，更造成了原材料的浪費。20世紀40年代，隨著有限元方法的產生和國內外研究人員在家具設計領域的應用，證明了這種方法是家具結構設計的一種非常有效的方法，能提高家具設計的精度和效率。目前我國在這方面已有了一定的研究，但僅限于對某種形式的柜類、椅凳和桌類，還需要家具從業(yè)人員和研究者廣泛開展這方面的研究，以提高我國家具設計的水平和質量。
2 載荷狀況在家具結構設計中影響
在有限元分析中，家具載荷種類和水平的選取是首要問題，需要充分合理地預見這種家具在實際使用中的各種載荷情況。這也是家具設計的前沿思考問題。載荷狀況會決定最終家具零部件的尺寸及整個家具的強度，也會影響家具設計的其他方面。家具結構設計的外載荷，包括靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷。靜載荷是家具制品在使用中可能遇到的重載荷條件；動態(tài)載荷是家具制品在使用中偶然遇到的載荷如沖擊載荷等，通常它對產品的破壞有較大影響。
要確定家具在使用中承受的全部載荷狀況，實際上是比較困難的，既要考慮家具在工作環(huán)境中的各種使用情況，又要考慮家具在使用、銷售、運輸過程的誤用時承受載荷的情況。而這些不確定的因素也增加了設計的難度，目前，對家具外載荷狀況的總體研究比較困難，也越來越受到家具設計師的重視。因此，為了確定這些載荷，在家具設計的開始，家具設計師和研究人員就要對家具在使用中處于何種狀況做一個全面透視的了解。比如設計椅子，我們不僅要知道椅子的正常使用，還要知道椅子不合理使用的情況。誤用最常見的就是運輸中工人將椅子從車上仍到地面上，椅子就會受到地面的沖擊載荷。即便是在家使用時，偶有頑皮的孩子跳到椅子上，對椅面造成沖擊。這些情況很容易導致椅子的破壞。即使是人們正常坐在椅凳上，也需要知道如向后倚靠，或坐在上面移動或轉動時，施加在椅凳上的載荷狀況。雖然我們不可能將其在使用中的全部情況都預想到，但家具在使用中的一些典型情況是必須考慮的。
目前，在確定家具承受外載荷種類及等級時，通常是按家具在正常使用和習慣性誤用時，各部位受到一次或重復性載荷的條件下所具有的強度或承受能力來確定�，F(xiàn)行國家標準是根據(jù)產品在預定使用條件下的正常使用頻數(shù)，可能出現(xiàn)的誤用程度，按每種載荷大小與加載次數(shù)把強度分為五個水平。這樣，在進行家具設計時，首先參照國家標準，根據(jù)家具的使用功能和實際使用要求，選取相應的載荷狀況和等級進行結構強度分析，如某家具有特殊要求需要設計時考慮更多情況，可再適當增加載荷狀況。全面考慮載荷后，就能較合理地設計出滿足所需強度要求的家具結構并確定出零部件的規(guī)格尺寸。從而使設計的家具在保證達到使用要求的前提下，給出經濟合理的結構和尺寸，進而達到節(jié)約材料，降低成本。不僅提高了家具設計精度和質量，也從根本上提升了家具設計的原創(chuàng)能力。
3 有限元法分析家具結構強度
以一款白蠟木層壓彎曲木椅為例，考察外載荷情況對結構強度的影響。此款層壓彎曲木椅是針對居家使用而設計，且造型為懸挑式曲面構形。此款椅子的外載荷檢驗標準，可以參照國家標準來選用而無須增加載荷項目。選用載荷包括：座面靜載荷、椅背靜載荷、座面沖擊載荷、椅背沖擊載荷、跌落試驗。根據(jù)國家標準GB/T 10357.3—1989，每種載荷分五個水平，即水平1～水平5，1為低水平載荷（載荷值最小），5為高水平載荷（載荷值最大）。下面給出椅子承受一種靜載荷和一種動態(tài)載荷時分別選用不同等級的外載荷水平，對結構強度影響的結果。采用有限元法進行分析，建模參數(shù)為：層壓彎曲木椅尺寸為：椅子高765mm，椅子正面寬，465mm，側面寬460mm，座面高430mm，椅腿寬度為60 mm，椅腿厚度為25mm。材料經試驗測定彈性模量為11.5GPa；泊松比為0.27，密度為。選用SOLID187體單元。
3.1 層壓彎曲木椅承受座面靜載荷
圖1為層壓彎曲木椅承受座面靜載荷時的有限元模型，將五種水平座面靜載荷分析結果列于表1中。最大等效應力位置在椅腿的上彎曲部位即圖上標有MX的部位。參照國標由于此椅為家庭環(huán)境使用，選用國標4水平載荷可滿足使用要求，有限元運行結果為椅強度最大值為50.5MPa，國標5水平載荷下，椅強度最大值為62.7MPa。且遠小于椅子的破壞強度115MPa。同時也說明選用4水平載荷既可滿足要求，按此外載荷水平設計的產品，可以節(jié)省材料和能源，并達到設計強度要求。
3.2 層壓彎曲木椅承受座面沖擊載荷
圖2為此層壓彎曲木椅承受座面沖擊靜載荷時的有限元模型，分析采用ANSYS/LS-DYNA程序。最大等效應力位置在椅腿的上彎曲部位。分析結果表明，隨著載荷水平的提高，即沖擊載荷沖擊器高度的增加，層壓彎曲木椅的最大強度值增加，國標4水平即沖擊高度為240mm時，椅最大強度為85.1MPa。在國標5水平即高度為300mm時，椅最大強度值為86.7Mpa。均小于椅破壞強度。同時也說明椅子在不同外載荷水平下，產生的強度不同，進而所設計的椅子零部件規(guī)格尺寸不同。通過兩種類型載荷同水平比較可以看出，此椅在承受沖擊載荷時的各水平強度值大于座面靜載荷各水平強度值，可以看出偶然誤用承受的外載荷對椅子的破壞作用。其余種類載荷的有限元分析過程同理。
4 結論
通過這個例子可以說明，家具設計的載荷種類及選用的載荷水平對家具結構強度分析和設計有著重要影響，尤其是家具的誤用情況，會對家具產生很大的破壞作用，是我們不容忽視的情況。因此根據(jù)家具的使用要求，選取合適的載荷種類和載荷水平，才能精確設計出產品的零部件尺寸和結構，達到材料最省，強度最大，能源消耗最低。通過這種科學合理的方法和思路設計出的產品，便于用戶根據(jù)自己的使用場合、使用要求和使用方法，從眾多的產品中找到經濟適用的家具制品。 文章來源:中國南康家具網(wǎng)http://m.zhennin.com/ 順德家具網(wǎng)http://www.sdjjw.com/ 轉載請保留原文鏈接
2 載荷狀況在家具結構設計中影響
在有限元分析中，家具載荷種類和水平的選取是首要問題，需要充分合理地預見這種家具在實際使用中的各種載荷情況。這也是家具設計的前沿思考問題。載荷狀況會決定最終家具零部件的尺寸及整個家具的強度，也會影響家具設計的其他方面。家具結構設計的外載荷，包括靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷。靜載荷是家具制品在使用中可能遇到的重載荷條件；動態(tài)載荷是家具制品在使用中偶然遇到的載荷如沖擊載荷等，通常它對產品的破壞有較大影響。
要確定家具在使用中承受的全部載荷狀況，實際上是比較困難的，既要考慮家具在工作環(huán)境中的各種使用情況，又要考慮家具在使用、銷售、運輸過程的誤用時承受載荷的情況。而這些不確定的因素也增加了設計的難度，目前，對家具外載荷狀況的總體研究比較困難，也越來越受到家具設計師的重視。因此，為了確定這些載荷，在家具設計的開始，家具設計師和研究人員就要對家具在使用中處于何種狀況做一個全面透視的了解。比如設計椅子，我們不僅要知道椅子的正常使用，還要知道椅子不合理使用的情況。誤用最常見的就是運輸中工人將椅子從車上仍到地面上，椅子就會受到地面的沖擊載荷。即便是在家使用時，偶有頑皮的孩子跳到椅子上，對椅面造成沖擊。這些情況很容易導致椅子的破壞。即使是人們正常坐在椅凳上，也需要知道如向后倚靠，或坐在上面移動或轉動時，施加在椅凳上的載荷狀況。雖然我們不可能將其在使用中的全部情況都預想到，但家具在使用中的一些典型情況是必須考慮的。
目前，在確定家具承受外載荷種類及等級時，通常是按家具在正常使用和習慣性誤用時，各部位受到一次或重復性載荷的條件下所具有的強度或承受能力來確定�，F(xiàn)行國家標準是根據(jù)產品在預定使用條件下的正常使用頻數(shù)，可能出現(xiàn)的誤用程度，按每種載荷大小與加載次數(shù)把強度分為五個水平。這樣，在進行家具設計時，首先參照國家標準，根據(jù)家具的使用功能和實際使用要求，選取相應的載荷狀況和等級進行結構強度分析，如某家具有特殊要求需要設計時考慮更多情況，可再適當增加載荷狀況。全面考慮載荷后，就能較合理地設計出滿足所需強度要求的家具結構并確定出零部件的規(guī)格尺寸。從而使設計的家具在保證達到使用要求的前提下，給出經濟合理的結構和尺寸，進而達到節(jié)約材料，降低成本。不僅提高了家具設計精度和質量，也從根本上提升了家具設計的原創(chuàng)能力。
3 有限元法分析家具結構強度
以一款白蠟木層壓彎曲木椅為例，考察外載荷情況對結構強度的影響。此款層壓彎曲木椅是針對居家使用而設計，且造型為懸挑式曲面構形。此款椅子的外載荷檢驗標準，可以參照國家標準來選用而無須增加載荷項目。選用載荷包括：座面靜載荷、椅背靜載荷、座面沖擊載荷、椅背沖擊載荷、跌落試驗。根據(jù)國家標準GB/T 10357.3—1989，每種載荷分五個水平，即水平1～水平5，1為低水平載荷（載荷值最小），5為高水平載荷（載荷值最大）。下面給出椅子承受一種靜載荷和一種動態(tài)載荷時分別選用不同等級的外載荷水平，對結構強度影響的結果。采用有限元法進行分析，建模參數(shù)為：層壓彎曲木椅尺寸為：椅子高765mm，椅子正面寬，465mm，側面寬460mm，座面高430mm，椅腿寬度為60 mm，椅腿厚度為25mm。材料經試驗測定彈性模量為11.5GPa；泊松比為0.27，密度為。選用SOLID187體單元。
3.1 層壓彎曲木椅承受座面靜載荷
圖1為層壓彎曲木椅承受座面靜載荷時的有限元模型，將五種水平座面靜載荷分析結果列于表1中。最大等效應力位置在椅腿的上彎曲部位即圖上標有MX的部位。參照國標由于此椅為家庭環(huán)境使用，選用國標4水平載荷可滿足使用要求，有限元運行結果為椅強度最大值為50.5MPa，國標5水平載荷下，椅強度最大值為62.7MPa。且遠小于椅子的破壞強度115MPa。同時也說明選用4水平載荷既可滿足要求，按此外載荷水平設計的產品，可以節(jié)省材料和能源，并達到設計強度要求。
3.2 層壓彎曲木椅承受座面沖擊載荷
圖2為此層壓彎曲木椅承受座面沖擊靜載荷時的有限元模型，分析采用ANSYS/LS-DYNA程序。最大等效應力位置在椅腿的上彎曲部位。分析結果表明，隨著載荷水平的提高，即沖擊載荷沖擊器高度的增加，層壓彎曲木椅的最大強度值增加，國標4水平即沖擊高度為240mm時，椅最大強度為85.1MPa。在國標5水平即高度為300mm時，椅最大強度值為86.7Mpa。均小于椅破壞強度。同時也說明椅子在不同外載荷水平下，產生的強度不同，進而所設計的椅子零部件規(guī)格尺寸不同。通過兩種類型載荷同水平比較可以看出，此椅在承受沖擊載荷時的各水平強度值大于座面靜載荷各水平強度值，可以看出偶然誤用承受的外載荷對椅子的破壞作用。其余種類載荷的有限元分析過程同理。
4 結論
通過這個例子可以說明，家具設計的載荷種類及選用的載荷水平對家具結構強度分析和設計有著重要影響，尤其是家具的誤用情況，會對家具產生很大的破壞作用，是我們不容忽視的情況。因此根據(jù)家具的使用要求，選取合適的載荷種類和載荷水平，才能精確設計出產品的零部件尺寸和結構，達到材料最省，強度最大，能源消耗最低。通過這種科學合理的方法和思路設計出的產品，便于用戶根據(jù)自己的使用場合、使用要求和使用方法，從眾多的產品中找到經濟適用的家具制品。 文章來源:中國南康家具網(wǎng)http://m.zhennin.com/ 順德家具網(wǎng)http://www.sdjjw.com/ 轉載請保留原文鏈接
