A Review of Finite Element Analysis in Furniture Structure

文献标识码：A

文章编号:1006-8260(2015)09-0018-02

基金项目:国家林业公益性行业科研专项项目（编号：201404502-1）

引文格式:蔡葵,陈于书.家具结构有限元分析研究综述[J].家具与室内装饰,2015,(09):18-19.

Abstract: Furniture products are designed on the basis of personal experience. Even for the experienced designers, it is diffi cult for them to take all factors into account. Finite element method can be used to evaluate the feasibility of different materials that berfore the furniture produced. From the current research results, Do that right, the data of the fi nite element method is not very different from the real one. The fi nite element method can be used as an effective method of virtual simulation and it will replace furniture physical experiments. As it is a new research method in China, it is not perfect and there are still many unfi nished research fi elds.

KeyWords: Finite Element Method; Optimal Design; Physical Verifi cation; Fast Growing Wood

现代家具产品皆依据个人的经验和创意设计而成，一般是先由设计师初步设计草图，后将草图制作成CAD图，依据CAD图利用各类三维软件建立模型，再去生产样品，样品生产出后，经过相关检验确保产品的可用性，一旦产品质量达不到要求，会再返回到设计师那修改草图、画CAD图、建模型、做样品。其中，家具的结构强度标准由设计师依靠经验确定，设计师在设计结构时，不但要根据材料的特点选择理想的接合方式，而且要注意合理确定零件的断面尺寸，而断面尺寸的确定往往需要考虑产品形态与比例关系、接合点的位置、受力特征、强度要求和材料的特性 [1]。即使是经验老道的设计师在做设计时，也难做到面面俱到，当出现错误返工时，既费工费时也造成了资源的浪费。

近年来，得益于计算机技术的迅猛发展，国外已经较广泛采用了计算机辅助设计（CAD）和有限元技术（FEM）进行家具设计制造和家具结构分析。有限元法（FEM）最初被用来研究复杂的飞机结构中的应力，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术 [2]。早在1966年，美国学者Eckelman等人率先将矩阵结构分析引入到家具设计中，他们用FORTRAN编写了一个分析家具结构的语言程序，这是最早将有限元法引入到家具结构设计研究的案例 [3-4]。随着有限元分析技术的的越来越成熟，有限元法在家具结构力学仿真分析、家具结构结构优化、材料接合性能研究等方面正发挥着越来越重要的作用。利用有限元法可以对未生产的不同材料的家具产品进行可行性评估，在满足使用载荷前提下，通过计算比较寻找到最节省材料最优方案，具有快速、灵活、成本低等一系列优势。

1　研究内容综述

1.1 对于柜类家具的研究

对于柜类家具结构的有限元研究，最早是在1985年，Eckelman和Rabiej把柜体看作是一种框架结构进行有限元分析，结果表明，这个框架的变形无论是在顶部、底部还是两边都是相等的，他们还开发出了一个程序用来预测柜类家具变形情况 [5]。1993年Smardzewski和Dziegielewski分析了背板分别采用纤维板和松木胶合板柜类家具的稳定性，他们认为柜类家具的刚度和载荷取决于框架和背板板材的稳定性，同时实验验证了他们的有限元计算 [6]。国内学者蔡力平等人早在1991年，就采用弹性薄板单元离散分析“L”形和“T”形板件角接合的性能，所得的数据误差和实验验证的误差在30%以内，验证了有限元法预测板式家具变形是可靠的。1996年，蔡力平、王逢瑚等人又对柜类板式家具的角部接合性能进行了进一步研究，利用有限元法对融化喷射斜角接合与单圆榫接合的柜体的位移做比较，结果表明用融化喷射斜接的柜体的强度和刚度较高 [7-8]。2002 年Nicholls等人探讨了典型箱柜类角部应力和应变的可能性，设计了新模型把角结合看作是箱柜类家具中的一种宏观和相互联系的部分，固定连接件被弹性有限元模型替代，这个有限元模型可以对箱柜类家具的变形进行预测 [9]。2003年Sawata等人对螺栓连接的柜体进行了非线性有限元分析，实验结果和有限元分析结果基本一致 [10]。2008年，东北林业大学的宋明强建立了橱柜实体模型，研究中有限元分析数据与实验分析数据误差大，他分析了其可能发生的原因 [11]。2008年，东北林业大学的何风梅把有限元分析法引入到板式家具的结构强度分析中，得出“T型”连接的强度优于“L型”连接，三合一连接的各项性能指标要优于二合一连接的结论，也针对典型的书柜进行整体建模有限元分析，得出书柜的变形情况，为后续的书柜的结构优化设计提供理论基础 [12]。

1.2 对于椅类家具的研究

有限元椅类家具的分析，最早是在1995年，Gustafsson将有限元程序应用到设计过程之中，展示了经过有限元设计的椅子。随后他在1996年对椅子进行了负载测试，获得了一些和实物测试符合度良好的应变和应力值。他又在1997年的研究中，对一把椅子进行分析、再设计，并得到了椅子的应力和应变图 [13]。1998年，Smardzewski开发了目标函数为最小化材料使用同时节点强度最大有限元分析程序，该程序可以准确、快速、多样的分析木结构家具框架结构的刚度 [14]。1999年，Daudevilled对螺栓连接的椅子进行有限元破坏测试和实验破坏测试，实验和有限元模拟结果表明，有限元要正确预测到螺栓连接椅子的最大载荷 [15]。2002年，蒋志峰等人把看作为各向同性材料层压胶合弯曲木安乐椅的结构强度进行了分析，实验结果和理论计算符合度较好 [16]。2010年，北京林业大学的张立测试了几种木材的弹性常数，并对现代红木椅凳类家具结构类型进行了分类 [17]。2011年，北京林业大学的徐卓利用静力载荷和冲击载荷对花梨木官帽椅、花梨木灯挂椅整体结构和局部零部件进行了分析，首次实践了家具跌落仿真分析 [18]。2012年，东北林业大学的张杰选取一把层压弯曲木椅子，对其框架结构形式进行了理论分析、仿真分析和试验研究，理论分析与实验分析的误差在可接受范围内 [19]。2012年，吕艳红等人对一把比较常见的苹果梨木椅子的座面和靠背进行压力分析，证实该椅子的结构强度是合理的 [20]。2013年，中南林科技大学的舒巍对典型的可拆装椅子进行了分析，通过ANSYS/APDL参数化设计语言对易损坏部位榫头进行了优化设计，减少了榫头的木材使用量和它所受应力 [21]。2013年，中南林科技大学的马贞选取了一把图书馆的椅子，对其分析后得出了榫卯尺寸对椅子结点的抗弯性能有很大影响的结论，论证了有限元法在家具力学研究的可靠性 [22]。

1.3 对于沙发家具的研究

2002年Eckelman等人对带有弹簧的沙发前板进行了力学有限元分析，他们认为沙发前板的受力模拟应该当作一个面而不是一个梁，并将其离散化为杆件互相平行的桁结构，所得的仿真分析数据与实验数据更接近了 [23]。2006年，Ali.Kasal对比了分析分别采用实木材料和木质复合材料的沙发框架的强度，得出在软垫座椅类家具中实木框架可由实木复合材料的框架替代的结论 [24]。2007年，Dai L等人在一个立体的沙发框架内，用梁模型计算每个结构构件的最大弯矩值，在考虑疲劳强度和静力弯矩的同时，推导了框架沙发的关键构件尺寸，他们探讨了一种简化的分析沙发框架的方法 [25]。

1.4 利用有限元法的其他研究

2009年，李雪梅通过对梁单元模型的模拟分析和优化设计，得到了梁单元合理的截面尺寸 [26]。2010年，南京林业大学的蕫广斌通过ANSYS语言编程，分析优化出丁字榫结构强度和刚度最大情况下的榫长和榫厚比，为家具关键节点结构优化提供了方法借鉴 [27]。2010年，北京林业大学的张帆把有限元引入实木框架式家具力学研究之中。他测定了18种硬木的弹性常数和力学强度，归纳了椅凳类、桌案类、柜架类三类家具构件的构成关系和受力情况，并在简化了相关模型后，计算出了家具应力应变情况，证明了有限元法在家具结构力学研究的适用性 [28]。2011年，南京林业大学何盛通过有限元法研究了樟子松指接材的接合性能，模拟预测出端压取值范围及不同嵌合度条件下樟子松结构用指接材抗弯弹性模量和抗弯强度值 [29]。

2　研究评述

2.1 当前主要研究总评

从目前的研究状况上来看，有限元家具结构力学研究思路总共有两条，一条是对于整体框架的研究，一条是对于局部结构关键节点的分析。柜类家具结构的问题主要是在其角部接合处的变形和接合性能问题，国内外学者利用有限元法对其做了各种形式的研究。椅类家具的有限元研究最多，也最为广泛，研究者一般是通过整体力学分析，找出椅子易损坏的部位，再进行优化的研究思路。国外早期的沙发家具的研究主要在有限元研究方法的改进方面，国内目前还没有开展沙发类家具有限元的研究。

总的来说，国外的有限元研究开展的比国内早，随着近些年计算机硬件的快速更新，有限元法研究家具结构的案例也越来越多，国外家具结构研究偏重于柜类、椅类和沙发类家具，国内偏重于典型椅类结构的研究与优化。但是国内家具行业的有限元研究落后于国外，国外的研究注重研究精度并且研究人员往往能够专注研究一个问题很多年，国内在做家具有限元研究的大多数是研究生，他们主要借助Ansys和Abaqus等软件进行家具结构研究，且他们的研究时间较短，只能跟随着前人的脚步，所能做的有限元研究的深度和精度比较有限，研究手法也比较单一。同时，因为有限元的研究精度会受到各种因素的影响，国内外的学者往往会在有限元分析后，再实物验证可行性，容易造成人力物力的浪费，从目前的研究成果上看，只要方法得当，有限元的研究数据与实物验证的数据差别不大，一般不高于30%，有限元法可以作为一种有效的虚拟仿真验证的方法，替代传统的实物家具的验证 [30]。

2.2 研究趋势展望

目前国内外已经做了一些家具结构有限元的研究，但该方法在国内还算作是一种较新的研究方法，并不完善，尚有许多未完成的研究方向，笔者认为下面几个方向将会成为未来研究的重点和难点。

（1）速生材等低质材料的有限元研究。当前已经通过各种方法测得了一些木材的弹性常数，并把它们用在了有限元分析研究当中，比如红木材料，这类材料由于其自身的材料特性较好，一般在家具实物和有限元分析中都不会出现太大问题。低质速生材往往容易在家具结构和强度上出现问题，利用有限元法去分析研究这些问题，并且通过合理的方法进行补强，相比之下，会具有很好的实用意义。

（2）提高有限元的研究精度和实用性。木材为各向异性材料，早期的一些研究把木材定义为各向同性材料，这是不准确的，木材是一种弹塑性材料，是一种非线性材料，把它们当作一种线性材料研究，对所做的模型适当简化，这些都会造成误差。要能考虑到人对于家具的实际使用情况，对家具进行动态疲劳仿真分析，这样的分析更具有实用意义。

（3）多种家具类型的有限元研究。目前的有限元分析主要集中在椅类、沙发类、柜类家具和一些木材的材性研究，而且往往只选取了一些典型的家具类型，虽然具有一定的代表性，但所研究的范围不够广泛，后续的研究应该继续研究同种种类不同类型的家具，同时继续完善对于凳类、床类、桌类等类型的家具结构有限元研究。

（责任编辑：北　方）