王科中，秦宝荣，王郑兴

(1.浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江杭州 310014)

(2.浙江恒林椅业股份有限公司，浙江安吉 313300)

办公座椅五星脚优化设计

王科中1，秦宝荣1，王郑兴2

(1.浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江杭州 310014)

(2.浙江恒林椅业股份有限公司，浙江安吉 313300)

建立办公座椅五星脚的有限元分析模型，根据ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002，对五星脚的强度进行了仿真分析和优化设计。产品设计开模后，五星脚样品亦可通过椅脚静压测试标准，与仿真分析结果相符。该研究对进一步缩短办公椅研发周期具有良好的工程实用价值。

办公座椅;五星脚;仿真分析;优化设计

五星脚为办公椅的重要组成部件之一，它的强度特性直接影响办公椅的舒适性和使用寿命。椅脚按形状可分为:五星脚、弓形脚［1］。目前国内办公椅厂家采用设计—样件加工—试验—改进设计的单一循环方法，设计成本高，开发周期长。

本文设计一款办公椅五星脚，由全铝合金一体成型，表面镜面抛光处理，轻巧，耐用耐腐蚀，通用尺寸［2］，可与各类高端办公椅相匹配，并且采用有限元软件对其进行受力分析，优化设计，节省了设计时间和费用。

1 五星脚静压仿真分析［3］

1.1 五星脚三维模型的建立

本文所设计的五星脚三维模型由Solidworks建立，如图1所示。五星脚由底座和脚轮构成，底座由中心盘和由中心盘向外辐射的5个延伸臂连接构成，任意一个延伸臂上均沿其长度方向设置有插孔，脚轮插孔采用通用尺寸。五星脚的半径为350mm，中孔直径为5cm(所有气杆中间部位直径为5cm)。

图1 五星脚模型图

1.2 有限元模型计算

五星脚的材料选用铝合金，密度为2 700kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为71GPa，屈服强度为276MPa，剪切模量为27GPa;中柱选用结构钢，密度为 7 850kg/m3，泊松比为 0.3，弹性模量为200GPa，屈 服 强 度 为 250MPa，剪 切 模 量 为76.9GPa［4］。

为了实现与试验等效，根据五星脚的实际受力情况施加载荷。由于五星脚平放于工作台上，当施加力时椅脚可作横向移动，故对五星脚的5个脚轮面施加位移约束［5］，载荷施加在中柱的上表面，大小为11 120N，方向竖直向下。载荷变化过程为:施加11 120N的力保压1min，再除去力，重复两次。五星脚受力曲线图如图2所示［6］。

图2 五星脚受力曲线图

五星脚承载过程中的应变如图3所示，最大等效弹性应变为0.001 541 5，应力如图4所示，最大等效应力为109.45MPa。

图3 优化前的等效应变

图4 优化前的等效应力

1.3 优化设计

椅脚的宽度向内缩进3mm，去除多余材料。优化后的模型网格划分采用sizing10mm自由网格划分15 271个节点、7 853个单元，加载条件与优化前相同［8］，图5和6分别为优化后模型的应力应变分布图。

由图5和图6可以看出，优化后的五星脚模型所受最大等效弹性应变为0.002 662 4，最大等效应力为 189.03MPa，小于铝合金许用应力210.5MPa，符合强度要求［9］。

图5 优化后的等效应变

图6 优化后的等效应力

整体向内减少厚度3mm的模型，最大应力符合强度要求，可以满足厂方要求。体积降低比值为7.7%，见表1，降低了生产的材料成本。

表1 简化模型体积对比

2 五星脚的试验研究

五星脚三维模型确定之后，对其进行模具投产。取开模后的第一批五星脚样品进行强度特性试验。

试验标准参考ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002，此标准的作用是当厂家、规格订定者及使用者在评核一般用途办公椅的安全性、耐用性以及结构上的合理度时，能够提供一些共同基准。

2.1 试验装置

拆去脚轮，而以方块或支撑器代之，脚轮柄可作支撑用，方块或者支撑器需要有足够的高度，以免中柱在试验时接触到试验平台。将座位的支撑机械装置以及高度调节装置自底座拆出，把载荷加在垂直的中柱，或者是模拟锥形/底座连接面的试验装置器。如图7所示。

图7 五星脚静载测试

因为支撑底座的方块或者支撑物担任着类似原来脚轮的任务，不是去阻止试验时引起的偏斜或者横向移动，所以当施加力时椅脚可作横向移动，而底座的中心可以作纵向移动。

2.2 试验程序

施加11 120N(2 500ibf)的力并停留1min，除去力。施加第二次的11 120N(2 500ibf)的力并停留1min，除去荷载并根据标准的可接受水平去评核该产品［10］。

2.3 可接受水平

底座结构整体不应出现突然或者重大的改变，而施加载荷时中柱不应接触到试验平台。

2.4 试验结果

按照以上测试标准，对五星脚进行测试，测试载荷曲线如图8所示。

图8 五星脚测试荷载曲线图

测试过程中，五星脚的整体结构没有出现突然的改变。测试结束后，五星脚也没有重大的变形，并且施加荷载的中柱也未接触到试验平台。综上所述，五星脚通过测试，与前述的五星脚仿真分析结果相符，如图9所示。

3 结束语

以五星脚设计为例，根据测试标准ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002，运用有限元分析软件ANSYS Workbench进行仿真测试，并对其进行优化改进，将仿真测试结果与试验结果进行比较，结果相符。本文验证了仿真分析的可靠性，对进一步缩短开发办公椅研发周期具有良好的工程实用价值。

图9 五星脚测试图

［1］彭亮，张响三.论椅子设计的多样性［J］.家具，2002(1):16－18.

［2］彭亮，胡景初.家具设计与工艺［M］.北京:高等教育出版社，2003:42－43.

［3］张杰.用ANSYS有限元软件对椅子的变形和应力情况进行分析［D］.哈尔滨:东北林业大学，2008:33－34.

［4］初日德，聂毓琴.材料力学［M］.长春:吉林科学技术出版社，1995:27－30.

［5］金大鹏，李建勇，王恒，等.基于ANSYS Workbench的固晶臂机构柔性动力学分析［J］.机电工程，2012，29(10):1146－1149.

［6］陈蓉蓉.基于维持健康坐姿的工作椅设计研究［D］.杭州:浙江大学，2007:26－31.

［7］Li Da.Design and Structural Analysis of Sofa Fram［D］.Starkville:Mississippi State University，2007:46 －50.

［8］Bailey C，Cross M.A finite volume procedure to solve elastic solid mechanics problems in three dimensions on an unstructured mesh［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，1995，38:1757 －1776.

［9］Lee G H，Kobayashi S.New solutions to rigid plastic deformation problems using a matrix method［J］.Journal of Engineering for Industry－Transactions of the ASME，1973，95:102－107.

［10］Business and Institutional Furniture Manufacturers Association.ANSI_BIFMA_5.1.1_2002 Title leaves of books［S］.Grand Rapids:International Journal of BIFMA，2002.

The Optimization Design of Office Chair with Five－star Support

WANG Kezhong1，QIN Baoron1，WANG Zhengxing2
(1.Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)
(2.Zhejiang Henglin Chair Industry Co.Ltd.，Zhejiang Anji，313300，China)

It establishes the CAE model of chair and analyzes the strength on ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002.It shows the mold of the chair and simulates the sample of the chair for static load test，analyzes the simulating result of experiment conforms.The analysis and optimzation design is useful for reducing the period of the office chair development.

Office Base;Simulation;Optimization

TP311

A

2095－509X(2013)11－0084－03

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.021

2012－08－06

王科中(1988—)，男，浙江舟山人，浙江工业大学硕士研究生，主要从事机械结构设计与优化、办公椅机构方面的研究。