基于ANSYS-DYNA的松木座椅沖擊仿真分析

王 巍，程玉龍，王 博，李建文

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

當(dāng)今，實(shí)木家具因其健康、綠色、環(huán)保等特色而受到大眾的喜愛，但隨著國家對林木的限采限伐，用于生產(chǎn)實(shí)木家具的木材越來越少，所以如何科學(xué)高效地利用木材成為林業(yè)研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。我國東北地區(qū)松木資源豐富，同時(shí)松木具有抗彎強(qiáng)度高、不易變形等優(yōu)點(diǎn)，是制作實(shí)木家具的良好材料，因此用松木來制造家具能有效緩解國內(nèi)對實(shí)木家具用材極度需求的問題。

當(dāng)一個(gè)人坐進(jìn)椅子，或者由坐著站起來的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)座面載荷。研究表明，當(dāng)人無意識地坐下時(shí)，能對座椅產(chǎn)生近2倍于體重的載荷[1]，因此絕大部分家具產(chǎn)品的損壞都源于這種無意識的沖擊碰撞。同時(shí)也可能因?yàn)橐巫拥淖鎻?qiáng)度不夠，而發(fā)生沖擊破壞從而使人們受到不必要的傷害，因此很有必要研究座面在沖擊載荷下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。目前已有相關(guān)研究者[2-3]將ANSYS軟件應(yīng)用于家具結(jié)構(gòu)的分析中，呂艷紅[4]等運(yùn)用ANSYS軟件對果木座椅的座面和靠背進(jìn)行了強(qiáng)度分析，得出座椅的強(qiáng)度滿足使用要求。宋明強(qiáng)[5]等運(yùn)用有限元法對櫥柜隔板的應(yīng)力分布及結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行了分析，得到了隔板最容易發(fā)生破壞的危險(xiǎn)區(qū)域。馬巖[6]等運(yùn)用ANSYS方法對暗直榫木窗機(jī)床的主軸分別進(jìn)行了剛度分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證了主軸設(shè)計(jì)的合理性。也有學(xué)者運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對各類電子、機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行跌落模擬分析[7-9]，分析產(chǎn)品在跌落過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況，從而找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問題，提高產(chǎn)品的抗沖擊性能，但此方法用于松木家具受沖擊載荷的仿真較少看到。

本研究采用LS-DYNA對松木椅進(jìn)行瞬態(tài)分析，研究其在不同沖擊高度、有無襯墊的沖擊器作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過分析其應(yīng)力應(yīng)變云圖，得到產(chǎn)生應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域，針對該區(qū)域，可以預(yù)先采取保護(hù)措施以避免實(shí)木椅的損壞[10]。該方法避免了傳統(tǒng)沖擊試驗(yàn)的破壞性，同時(shí)有助于家具設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出高抗沖擊性的實(shí)木座椅，降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)實(shí)木椅的安全性與耐久性[9]。

1 材料與方法

1.1 產(chǎn)品與材料

該實(shí)木椅材質(zhì)為興安落葉松(Larixgmelinii)，平均含水率為14.2%，平均密度為0.774 g·cm-3。結(jié)合市場上實(shí)木座椅的常用尺寸，座椅尺寸取為：座面高420 mm、寬420 mm、深400 mm，椅腿的截面尺寸為35 mm×35 mm，總高860 mm。根據(jù)《GB/T 10357.3-2013椅凳類強(qiáng)度和耐久性》中有關(guān)座面沖擊試驗(yàn)的規(guī)范，圓柱體、彈簧組件與球狀表面的沖擊頭共同構(gòu)成了座面沖擊器。為便于研究，將沖擊器加以簡化(圖1、圖2)。其中圓柱體直徑為200 mm；沖擊頭為半徑100 mm的剛性圓形物體，其加載表面為球面，球面的曲率半徑為300 mm，其周邊倒圓半徑為12 mm，整個(gè)座面沖擊器的質(zhì)量為25 kg[11]。襯墊為泡沫塑料，厚度為25 mm，密度為0.03 g·cm-3，各部件的材料參數(shù)見表1。

1.2 研究方法

有限元模型選擇SOLID164實(shí)體單元，并把材質(zhì)相對較硬的沖擊器視為剛體，然后把座面沖擊器置于指定高度，使其在重力作用下以1 m·s-1的初速度下落，沖擊座面與椅背交點(diǎn)向前175 mm的部位。在模擬中忽略了沖擊器在下落過程中的摩擦阻力，以便減少建模工作量與計(jì)算用時(shí)[14]。鑒于對精度和運(yùn)算時(shí)間的考慮，本研究采用自由網(wǎng)格劃分。模型各部分之間接觸界面均采用面-面自動(dòng)接觸(ASTS)。模型1(無襯墊)(圖1)共有72 624個(gè)單元、21 777個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型2(有襯墊)(圖2)共有74 976個(gè)單元、25 141個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 材料參數(shù)[12-13]

圖1 模型1(無襯墊)

圖2 模型2(有襯墊)

2 結(jié)果與分析

2.1 沖擊高度對座椅動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

通過LS-PREPOST可以動(dòng)態(tài)顯示沖擊器從下落到接觸再到反彈的沖擊過程，還可以結(jié)合動(dòng)畫控制區(qū)的按鈕動(dòng)態(tài)顯示松木椅在沖擊過程中不同時(shí)刻的應(yīng)力變化過程。圖3是松木椅在沖擊作用下不同時(shí)刻的應(yīng)力云圖(h=0.14 m)，可以清晰地顯示各個(gè)部位的應(yīng)力大小，其中不同的顏色代表不同的應(yīng)力值。由圖3可知，應(yīng)力大多集中在座面的受沖擊區(qū)域以及望板與后腿的連接處。t=0.107 2 s時(shí)存在最大應(yīng)力，值為82.506 7 MPa。

圖3 不同時(shí)刻的Von Mises應(yīng)力分布

通過LS-DYNA動(dòng)畫控制區(qū)的按鈕還可以動(dòng)態(tài)顯示實(shí)木椅在沖擊過程中的變形情況。圖4所示是實(shí)木椅在0.105 6、0.107 2、0.112和0.16時(shí)刻的變形圖(h=140 mm)。通過觀察發(fā)現(xiàn)，座面在t=0.107 2 s時(shí)發(fā)生最大形變，最大變形量為3.444 45 mm。最大變形位置出現(xiàn)在座面的受撞擊區(qū)域，后腿與望板連接處產(chǎn)生局部最大變形。

圖4 各個(gè)時(shí)刻的變形圖

同樣可以得到?jīng)_擊高度分別為180、240、300 mm時(shí)實(shí)木椅受到的最大應(yīng)力與變形，具體結(jié)果見表2。結(jié)果表明，隨著沖擊高度的增加，實(shí)木椅受到的最大應(yīng)力與最大形變量也越來越大。應(yīng)力集中區(qū)域均分布在后腿與座面的結(jié)合處以及座面的受沖擊處，具體情況如圖5。

由應(yīng)力應(yīng)變圖還可以看出，由于在座面的中心處以及望板與椅腿連接處等位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，該區(qū)域在使用過程中會(huì)最先發(fā)生破壞。所以在對實(shí)木椅進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，處于應(yīng)力集中區(qū)域的座面、后腿、望板以及橫棖等部件的尺寸大小及其相互之間的連接方式需要特別注意，如根據(jù)不同的連接部位設(shè)計(jì)不同的榫卯結(jié)構(gòu)，增加望板厚度等方式來提高實(shí)木椅結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。另外，在應(yīng)力集中的危險(xiǎn)區(qū)域，可以預(yù)先采取保護(hù)措施，如在后腿與望板的連接處注膠加楔并用木螺絲固定等方法來增強(qiáng)此區(qū)域的安全性與牢固性；在實(shí)木椅使用過程中應(yīng)盡量避免誤用情況的發(fā)生，如盡量不要把腳放在橫棖上，也不要站在橫棖上從高處拿取物品，以防實(shí)木椅部件的突然失效破壞而使人們受到意外的傷害。

表2 不同高度的沖擊仿真結(jié)果

圖5 應(yīng)力集中位置及其放大

2.2 襯墊對實(shí)木椅動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

在沖擊高度同為140 mm的條件下，比較座面有無襯墊時(shí)松木椅的應(yīng)力應(yīng)變情況。襯墊的長、寬、高分別為250 mm×200 mm×25 mm。以無襯墊時(shí)座椅的應(yīng)力應(yīng)變情況作參考，有襯墊時(shí)座椅的應(yīng)力應(yīng)變云圖見圖6。圖6a是t=0.091 s時(shí)帶有襯墊的座椅受到的最大Von Mises應(yīng)力云圖，圖6b是t=0.0.091 s時(shí)帶有襯墊的座椅受到的最大變形圖。

比較有無襯墊時(shí)的效果圖可以發(fā)現(xiàn)：有襯墊時(shí)，座椅的最大應(yīng)力是41.685 5 MPa，最大形變量值為1.740 28 mm；無襯墊時(shí)的最大應(yīng)力是82.506 7 MPa，最大形變量值為3.444 5 mm。最大等效應(yīng)力與形變量值都有不同程度的下降，應(yīng)力從82.506 7 MPa減小到41.685 5 MPa，最大形變量則從3.444 5 mm減小到1.740 28 mm?？梢娨r墊能顯著減小沖擊時(shí)沖擊器上的慣性力和應(yīng)力，減輕對實(shí)木椅的破壞作用。此外，襯墊還具有緩沖沖擊的作用，在緩沖過程中能吸收沖擊器大部分的沖擊能，進(jìn)而有效地分散座面所受到的沖擊力，減輕對實(shí)木椅及其組件的破壞。

圖6 帶有襯墊的座椅受到的最大應(yīng)力與最大變形圖

3 結(jié)論與討論

本研究對松木椅在沖擊過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析，討論了沖擊高度和襯墊對實(shí)木椅受到的最大應(yīng)力與最大變形的影響。

LS-DYNA模擬仿真具有傳統(tǒng)試驗(yàn)無法比擬的優(yōu)勢。利用ANSYS LS-DYNA有限元法來模擬實(shí)木椅在偶然遇到的沖擊載荷條件下所產(chǎn)生的沖擊力，可以降低生產(chǎn)成本，避免傳統(tǒng)沖擊試驗(yàn)所造成的破壞與損失。通過分析還可以預(yù)先采取更多有效的保護(hù)措施以提高實(shí)木椅的抗沖擊性，減少實(shí)木椅在日常使用時(shí)因意外沖擊所造成的破壞，從而為實(shí)木家具的沖擊模擬仿真試驗(yàn)提供有益的參考。

在座面沖擊處及后腿與座面結(jié)合處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，需加強(qiáng)對此區(qū)域的保護(hù)。根據(jù)有限元仿真結(jié)果，隨著沖擊高度的增加，實(shí)木椅所受到的最大應(yīng)力與最大變形量也相應(yīng)增加，椅子也越容易損壞，并且在座面沖擊處及后腿與座面結(jié)合處產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成了一個(gè)危險(xiǎn)區(qū)域。這很容易使此區(qū)域中的實(shí)木椅部件發(fā)生結(jié)構(gòu)松動(dòng)、開裂、失效、變形等問題，進(jìn)而影響座椅的正常使用。所以，在實(shí)際使用時(shí)，需要加強(qiáng)對此區(qū)域的保護(hù)。

襯墊有助于降低對座椅的沖擊破壞。在座面上增加襯墊，不僅可以增強(qiáng)人體的舒適度，還可以有效地減小實(shí)木椅在沖擊載荷作用下所受到的沖擊破壞，并及時(shí)地吸收大部分沖擊能，使實(shí)木椅所受的沖擊破壞得到有效的減緩。

需要指出的是，本研究中的模型都進(jìn)行了簡化處理，因此上述結(jié)果仍具有一定的局限性。另外，還可進(jìn)一步討論利用ANSYS優(yōu)化工具對實(shí)木椅的連接位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如對處于應(yīng)力集中區(qū)域的后腿與面板、橫棖結(jié)合處的榫頭加以尺寸優(yōu)化，這樣不但可以在相同條件下提高實(shí)木椅的承載力，還有利于提高其穩(wěn)定性與安全性[15]。其次，本研究只考慮某一特定含水率下松木椅的應(yīng)力應(yīng)變情況，那么在此基礎(chǔ)上，可以探究不同含水率、不同材質(zhì)條件下實(shí)木椅的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。本研究只考慮沖擊高度、襯墊對松木椅的沖擊作用，事實(shí)上，沖擊初速度、實(shí)木椅各部件的連接方式乃至不同類型的網(wǎng)格劃分方式都會(huì)對實(shí)木椅的沖擊作用產(chǎn)生影響。本研究可以作為進(jìn)一步探索有限元軟件并結(jié)合田口試驗(yàn)法的家具結(jié)構(gòu)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)[16-17]。

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