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基于ANSYS的板式家具结构强度分析与优化设计研究

何风梅  
【摘要】: 板式家具具有结构简单,易拆装、易运输,生产方式便于实现机械化、自动化、协作化等特点,能够大幅度降低成本,有效地减少木材消耗,有利于森林资源保护。因此板式家具逐渐成为家具市场上的主流产品。但是目前板式家具结构设计中一直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。 为此,本文以有限元理论、ANSYS分析软件和优化设计技术等为基础,采用理论分析、计算机模拟仿真、实验研究等手段,对板式家具的结构型式、连接方式和连接位置等进行理论分析、实验验证和优化设计研究。 首先,进行了板式家具的角部接合强度研究:研究了“L型”和“T型”连接的连接强度,研究了“L型”连接中圆榫直径对角部连接强度的影响以及二合一连接件和三合一连接件对连接强度的影响,分析了连接结构、连接方式对连接强度的影响并进行了实验验证;第二,进行了板式家具的优化设计研究,对连接件的位置及长度进行了优化设计,得出了优化设计结果;最后以书柜为例,进行了板式家具的整体和局部强度分析,提出了设计改进建议。 具体研究结果归纳如下: 1.利用有限元理论,结合ANSYS分析软件进行板式家具结构强度分析,能够避免简化计算产生的误差、模型失真等问题,能够更容易、更准确直观地得到诸如应力分布、应力水平、应变等信息;同时有限元方法可以计算出构件内部的应力(这对实验方法来说非常困难),可以方便进行异形曲面的应力分析,ANSYS软件可以很方便的显示各剖面的应力、应变状态,人们可以按照某一点、某一条直线或某一平面进行强度评定,使得结构设计和改进具有针对性,达到既安全又经济的目的。同时,有限元分析所得到的计算结果可作为结构优化设计的基础。 2.通过对板式家具的“L型”和“T型”连接模型进行理论分析,得出变形及应力分布情况,两种连接方式通过在载荷作用下的应力和变形对比,可以得出:“T型”连接的连接性能要优于“L型”连接,连接强度大约高出35%左右。实验结果也验证了这一结论。 3.通过圆榫直径对角部连接强度的影响分析,可以得出:圆榫直径对角部连接强度具有重要影响。圆榫直径增大,连接件最大变形量减小,横板左侧偏心连接件及圆榫下表面最大应力越接近,板内最大应力也呈下降趋势,在设计时应该注意合理选择圆榫直径。 4.通过对二合一连接件连接模型和三合一连接件连接模型在载荷作用下的应力和变形情况对比分析,可以得出:三合一连接件的连接性能要优于二合一连接件连接,连接强度大约高出44.91%左右。实验结果也验证了这一结论。 5.采用有限元法利用ANSYS软件对书柜搁板连接件长度和连接件位置进行优化设计,得到了优化设计结果,找到了支撑连接件的最佳长度和位置,在同样工作条件下可以减小连接件位置处应力,改善材料工作时的应力状态,增强安全性,延长制品的使用寿命。 6.通过对书柜整体强度进行建模分析,得到了书柜各部分的变形及应力情况,从外观整体、局部和剖面等角度分析了应力、应变情况,发现搁板支撑件处应力集中较为严重,通过对支撑件位置进行优化设计,提出了改进建议。


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