Ansys：家具力学性能仿真的解决方案

摘要

实木家具力学性能的测定主要依据国标相关试验方法，然而这种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。随着计算机软件和硬件的飞速发展，有限元法在家具力学性能仿真方面的应用技术也越来越广泛，在国外家具行业有成熟应用。ANSYS软件可以提高家具结构设计效率，降低人工、试验成本，提高产品质量，同时还能大大减少开发最终产品所需的测试/设计周期数，同时确保产品安全，节省成本并缩短上市时间。ANSYS软件为家具结构仿真分析提供一系列全面的解决方案，以满足家具结构相关的设计挑战。

一、家具力学性能设计标准和要求

为了确保家具产品的安全性和可靠性，家具设计时需要满足国家规定设计标准和行业设计规范的力学性能要求。

1.1.欧洲设计标准

ENV 12520:2000 室内家具：座椅 机械结构安全性要求

EN 1022:1996 室内家具：座椅 稳定性要求

EN 1728:2000 室内家具：座椅 强度和耐久性的测试方法

EN 581-1:1997 户外家具：露营、家庭、商用座椅和桌子 总体安全性要求

ENV 581-2:2000户外家具：露营、家庭、商用座椅和桌子 座椅的机械安全性要求和测试方法

EN 1335-1:2000 办公家具：办公椅 规格要求

EN 1335-2:2000 办公家具：办公椅 安全性要求

EN 1335-3:2000 办公家具：办公椅  安全性测试方法

1.2.中国设计国家标准

GB/T 10357.1-2013 家具力学性能试验 桌类强度和耐久性

GB/T 10357.2-2013家具力学性能试验 椅、凳类稳定性

GB/T 10357.3-2013家具力学性能试验 椅、凳类强度和耐久性

GB/T 10357.4-2011家具力学性能试验 柜类稳定性

GB/T 10357.5-2011家具力学性能试验 柜类强度和耐久性

GB/T 10357.6-2013家具力学性能试验单层床强度和耐久性

GB/T 10357.7-2013家具力学性能试验桌类稳定性

QB/T 2280-2016 中华人民共和国轻工行业标准 办公家具 办公椅

二、什么是家具力学性能？常见的力学性能试验设备有哪些？

力学性能是指家具材料在不同环境下，承受各种外加载荷，如压缩、持续加载、弯曲、扭转、耐久性、冲击等时所表现出的力学特征，力学性能不达标，会影响家具使用寿命及使用安全性。

常见的家具力学性能试验设备有：

椅子结构强度试验机：用于模拟日常生活中人员坐下后椅子靠背、座面、扶手的情况，评估椅子对于经受测试之后所引起的疲劳压力及磨损能力测试椅子的结构强度性能。

办公椅旋转耐久性测试仪：适用于椅面具有旋转功能的办公椅，对座面加载规定的荷载后使椅脚相对座位进行旋转，以测试其旋转机构的耐久性用于评估办公椅子抵受重复旋转的压力及磨损，可设定正转和反转角度，有些甚至可以单向360°旋转。

办公椅冲击试验机：用于测试沙发或家具在运输和安装时发生碰撞时的整体强度，测试座部冲击、扶手冲击、搁腿冲击，本产品测试座部冲击、扶手冲击、搁腿冲击。

椅子扶手椅脚疲劳测试仪:模拟办公椅的使用情况，测试椅子扶手结构抵受垂直压力和重复荷载压力的能力，此荷载可以看做作是离开座位时把扶手作为支撑而产生的力。除扶手测试外，还可以用于椅脚强度测试和脚踏耐用性测试。

办公椅脚轮耐久试验机：适用于脚轮或椅轮的办公椅，评核脚轮及椅框对于抵受椅子前后移动所引起的疲劳压力及磨损能力。座面放置负重，夹持夹具用气缸或电机提供动力，使办公椅或椅框作前后往返运动，以评估脚轮之耐磨寿命 ，行程、速率及次数均可设定，测试脚轮的耐久性能。

椅子稳定性测试仪：适用于转椅，扶手椅，凳子，摇摆椅等的进行稳定性测试的实验装置。可用于家具批量生产前期的研发测试及后期的质量检测。

椅子座背耐久综合试验机：测试办公家具等座椅在经历一定的力及一定次数的向后推背后，检查椅背座面抗疲劳能力及各部件受损的情况。该试验机可用于椅子背架耐久性试验。固定办公椅的脚轮，对椅子靠背按一定的力量、速度及规定测试作靠背动作，以评估产品之质量。

家具力学综合测试机：适用于测试办公椅扶手垂直、扶手水平和椅子靠背的强度试验。一般由PLC控制器搭配液晶触摸屏进行参数设定，可设定测试力值、保压与循环时间，达到规定力值，自动计时，计时到时自动回位。

三、家具力学结构研究现状

目前对实木家具力学性能的测定主要依据国标GB/T 10357.1～7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。由于家具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。

  3.1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榫接实木家具结构进行了分析，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。

3. 2 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十几年年。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性模量并将其用于整体分析。研究虽为接合部位的整体化分析提供了方法，但仍以试验为主，存在一定的局限性。 

3.3 有限元分析软件

可用于研究的有限元软件，国外的主要有ANSYS、MSC／NASTRAN、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，该软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，目前ANSYS软件是全球CAE领域应用率、知名度最高的公司。是集成结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电、家具等领域有着广泛的应用。ANSYS软件功能强大，操作简单方便，已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。越来越多的家具设计/生产厂家用ANSYS软件来做家具力学结构性能仿真，对于金属材料类、实木框架类、密度板材料类、复合板材料类等家具的力学结构分析研究均可选用此种软件。 

3.4 模型的建立

ANSYS提供了两种模型生成方法，一种方法是通过ANSYS SpaceClaim或ANSYS Designmodeler直接建模，这种建模方式利于后期的力学性能仿真和结构尺寸的修改及优化；另外一种方法是导入其他三维软件的模型，ANSYS兼容市面上常见的三维软件，如IGES、UG、PRO/E、CATIA、PARASOLID、SAT等。通过接口将模型导入ANSYS软件，然后进行赋材料参数、网格划分、加载约束、求解及后处理。 

3.5 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。

四、Ansys在家具力学性能的解决方案

4.1家具产品刚度性能

家具在载荷作用下抵抗变形的能力为家具的刚度。家具在受到载荷后往往要发生变形，家具的刚度高则出现变形小，否则会出现较大的变形。例如柜类家具在受到水平推压时，其节点部位就会出现角位移，使框架错位。床的床头板、桌面也会因为受水平的力而引起节点错位发生变形。实际使用时，家具应该具有抵抗这种变形的能力。对家具来说刚度要求不是很高的，在合理的承重下不会产生过大的变形，能够保证家具结构的稳定和牢固就可以了。测定刚度的检验项目，如柜类侧面水平加载、桌面垂直加载、测量家具产生的最大变形量，由变形量得到家具的刚度。

4.2家具的强度

家具在载荷作用下，不发生不允许的破坏的能力。这是家具一项重要的力学性能指标。载荷是由静载荷和动载荷两种形式表示。静载荷强度表示家具所具有的最大承载能力。它反映家具的安全使用范围。其中包括正常使用条件和偶然遇到的可允许的误用情况。例如桌面被人坐站或者堆放重物床板被多人集中坐 在一侧等异常情况。这些都要求家具有是够的静载荷强度能够承受超常的负载。另外，家具在使用中以常会受到动载荷的作用，如椅面、桌面被人体猛力坐下或被重物撞击等这都要求家具还必须具有足够有承受动载荷能力?以承受一次或重复性的动载荷。除了对家具整体强度试验外，对家具一些部件也要求做力学强度试验如柜门、抽屉、搁板、挂衣棍等。

4.3家具产品的稳定性

在载荷作用下家具具有的抗倾翻能力。这是表现家具在使用中保持体位稳定的一项性能指标。家具在使用时可能会遇到一些属于正常范围的特异情况。例如人坐在椅子上前倾或后仰，或者蹬踩，可能会倾翻；柜子的上层抽屉拉出后可能会使柜体前倾等。家具在遇到这种情况下应具有保持稳定的能力。这种性能可以通过家具稳定性试验进行测定。测定家具稳定性项目如椅类、柜类水平牵引稳定性，柜类的抽屉、拉门、搁板垂直加载稳定性试验等。

4.4家具的耐久性

检验家具产品在重复载荷作用下不发生不允许的破坏和变形能力。如椅背经常坐靠时间长久可能会出现松劲，沙发因为人反复起坐而出现凹陷，弹簧软床垫经过人的长期躺卧可以会产生永久性的变形等。这些都与家具的耐久性有关。反映家具的耐久性试验项目很多，如椅背的耐久性、柜门的耐久性、抽屉的耐久性、铰链的耐久性等。

4.5家具的结构优化

目前传统的家具结构设计设大多数采用经验设计和类比设计的方法，缺少深入分析和精确计算，结果一方面造成家具设计中安全性，即家具制品的强度和刚度满足不了设计要求，导致变形，甚至破坏，达不到设计年限，缩短了使用寿命；另一方面安全系数过大，没有最大限度地节省原料，造成资源浪费，所设计的制品粗大笨重，反过来又降低了艺术魅力。

随着人们生活水平的提高，新一代年轻人个性意识的觉醒；随着新材料、新技术、新工艺的广泛应用，电子商务等销售渠道的日益短平化，家具的个性化制作的成本和流通的成本不断降低。满足客户定制家具的需求成为许多传统家具企业转型的重要突破点。新常态下市场在变化，这就要求企业调整和优化产品结构，适应新的、正在变化的市场。目前许多细分市场还是有很大的空间的，但是没有引起我们办公家具企业的足够重视。随着仿真技术的发展，在产品的设计中结构仿真起到不可替代的作用，帮助工程师洞悉产品设计内因，优化产品性能、提高产品质量、提升产品竞争力、提高产品使用安全性和可靠性，进一步降低产品成本。

Ansys还可以根据用户的需求开展各种优化分析，比如：尺寸优化、形状优化、形貌优化、拓扑优化、材料优化、多参数优化、多物理场优化等。同时，还能输出各种优化结果，比如：结果列表、相关性表、散点相关图、三维散点图、气泡图、柱状图、方差分析、信噪比方差分析、改进试验表、参数的灵敏度、响应曲线、响应面等。

五、家具力学性能仿真的意义

对于生产者和经营者来说，了解有关家具力学性能试验的基本知识，对提高企业的管理水平，保证产品质量，开发新产品及开拓新的市场等方面都是非常有益而且必要的。世界上许多国家都有“家具力学性能测试不合格不能出厂”的规定。我国一些具有生产规模的厂家也开始自觉利用力学性能测试结果表明自己产品的质量，以取得市场竞争中占据有利的位置。

人们对家具的品质要求越来越高，不仅要满足实用性要求，而且还要满足造型美观、绿色环保、空间利用率、性价比等问题。随着计算机软件和硬件的飞速发展，信息化管理平台，虚拟设计，虚拟试验，创新设计等技术的应用也越来越广泛，ANSYS在国外家具行业的结构力学虚拟试验方面有成熟应用。

ANSYS软件支持中文界面、操作简单、自带三维建模功能、多种求解器、支持多物理场耦合、丰富的单元库、平台化设计、自动化分析流程、可视化的后处理、多域协同仿真、仿真分析结果精度高、自带设计参数优化功能。ANSYS软件自带材料数据库，支持用户材料数据库管理功能，同时自带丰富可靠的材料数据库，提供最优的整体材料选择解决方案。ANSYS软件可以提高家具结构设计效率，降低人工、试验成本，提高产品质量，同时还能大大减少开发最终产品所需的测试/设计周期数，同时确保产品安全，节省成本并缩短上市时间。ANSYS软件为家具结构仿真分析提供一系列全面的解决方案，以满足家具结构相关的设计挑战。

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