家具五金连接件的有限元分析

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摘要：将有限元法引入家具设计中有助于提高家具力学性能、提高设计效率。已有家具有限元分析是对家具的整体进行建模、计算。实际家具在受到外力时，五金连接件起着至关重要的承载作用，有必要对五金连接件进行专门的有限元分析，确保其强度符合家具使用要求，并为五金连接件结构改进提供重要参考。本文选取了几种有代表性的五金连接件进行分析，可供家具设计者参考。

关键词：有限元；家具；五金连接件；

中图分类号：S776.02 文献标识码：A

1 有限元法及其在家具设计中的应用

有限元法是以现代力学、应用数学为基础，以计算机及其技术为工具，以求解现代工程和科学技术中的力学问题为目的的数值仿真方法。有限元方法伴随计算机的出现而兴起和发展，现已在机械工程、能源工程、建筑工程等各工程领域得到了广泛应用。有限元法的最大优点是通用性强，可对复杂形状的物体进行建模和力学求解，计算的精度能够满足工程要求，可代替大量的实验和测试。近年来，国内家具行业也引入了有限元分析技术[1]，利用有限元来实现家具产品开发，这能够在很大程度上提高产品的质量，在开发的过程中可实现复杂环境的再现，缩短产品的开发周期，降低成本，并且可以完成构造复杂产品的操作和使用训练，仿真技术具有实物试验所无法比拟的优势，这些都为其在家具设计中的应用展现了光明的前景[2]。

已有的家具有限元分析基本都是针对家具的整体而建立有限元模型[3，4]，进行整体的应力、位移场求解。这虽能在宏观上给出家具受一定外载荷时的应力和变形情况，但未考虑在家具中连接件的作用。事实上，五金连接件是家具中的重要的承载构件，也是家具中比较容易在外载荷作用下发生变形和失效的部分，因此有必要专门对五金连接件进行有限元分析。

2 五金连接件及其有限元分析

五金连接件是家具最常用的连接件，它结构牢固可靠，能够反复安装、拆卸，松动时可以直接调紧，且装配效率高。五金连接件有不同的连接方式，例如板件之间的垂直接合、板件之间的平行接合、框架的组装等。当连接方式不同时，连接件的承载形式也有所不同，有的连接件以承受拉应力为主，有的以承受剪切应力为主，有的主要承受弯曲或扭转应力，也有的连接件需要同时承受多种应力下的组合变形。下面选取三种连接件加以说明。

2.1 角码

角码常用于台面与下框的连接，也可以用于柜类家具的顶板、底板与侧旁等不可见的直角位连接，它是比较经济的连接件，不可多次拆装。因其不易拆装，故在设计时应保证其强度，避免在使用中发生失效。

角码在正常工作时主要承受弯曲应力，图1是角码在300牛顿载荷工况下的应力分析结果。本算例的角码的尺寸参数为：长边26mm*18mm，短边18mm*18mm，中孔半径2.5mm，边半径9mm，厚度2mm。

从分析结果可知，角码在拐角处容易产生应力集中。经过分析，当载荷为1000牛顿时，角码拐角处的上述最大应力将达到102 MPa，将接近材料的许用应力值。

若在建模时对角码的几何结构进行微小的改进，改进后的角码如图2所示，即在拐角处增加一个小的三角结构，经过有限元分析，在同样1000牛顿的载荷下角码上最大应力就会降低到82 MPa，能够较为明显的改善构件的强度。

2.2 连接铁片

连接铁片主要用于箱柜类的上座与下座连接，组合柜体连接，也可以用在不可见的连接部位，起到加固的作用，并且它拆装方便，是一种较实惠的连接件。连接铁片的主要型号有T型、L型、矩形等。最常用的是矩形铁片，本算例中的连接片尺寸参数为：长50mm宽32mm，厚度2mm。四小螺丝孔直径3mm，中大圆孔直径12mm、小圆孔直径6mm。假设连接铁片在拉应力工况下进行工作，当承受的拉应力为1000牛顿时，有限元应力分析结果表明最大mises应力为70.3 MPa，如图3所示。

由分析结果可以看出，若只是承受拉应力，则连接铁片中的应力不大，虽然在各个孔周围也有应力集中现象，但在一般的工作载荷下其应力仍远小于材料的许用应力，故这种连接构件在通常的工况下不易被破坏。

2.3 合页

合页也称铰链、转轴等，是一种用于连接或转动的装置，使门、盖或其他摆动部件可借以转动，通常由销钉连接的一对金属叶片组成，是家具生产中不可缺少的组成部分，起着连接、支撑和旋转作用。合页一般由轴芯和叶片两部分组成，在工作状态下是一种同时受拉和受弯的组合变形状态，但只要在有限元软件中正确施加载荷，也不难得到正确的分析结果。图4中的分析结果表明合页应力类似于角码，也是在拐角处应力最大。因此，也可以考虑如图2那样对拐角进行加固的方法来加固合页，以提高合页承受弯曲载荷的能力。

3 结束语

将有限元法引入的家具设计中，有助于解决设计中遇到的力学难题，特别是对五金连接件进行有限元分析，有助于改进家具的力学性能。

参考文献：

[1] 王逢瑚，张杰，李树森，有限元法在家具结构设计中的应用[J]，林产工业，2009，36（4）：41-43

[2] 王桂荣，梁世明，有限元法在家具设计中的应用[J]，林业机械与木工设备，2013，38（8）：45-47.

[3] 宋明强，沈隽，有限元法与ANSYS在家具结构分析中的应用[J]，西北林学院学报，2008，23（1）：174-177

[4] 吕艳红，张远群，有限元软件ANSYS在果木家具强度分析中的应用[J]，西北林学院学报，2012，27（6）：181-184