基于ABAQUS的金属家具椅背冲击仿真分析

■王 琛 郁舒兰 李 泉 羊 玢 Wang Chen & Yu Shulan & Li Quan & Yang Bin

(1 南京林业大学家具与工业设计学院，江苏南京 210037；2 南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏南京 210037）

基于ABAQUS的金属家具椅背冲击仿真分析

■王 琛1郁舒兰1李 泉2羊 玢2Wang Chen1& Yu Shulan1& Li Quan2& Yang Bin2

(1 南京林业大学家具与工业设计学院，江苏南京 210037；2 南京林业大学汽车与交通工程学院，江苏南京 210037）

利用ABAQUS软件的显式动力学分析模块，对金属家具椅背冲击仿真模拟。结合模拟结果，对冲击过程进行分析。通过仿真分析有效的提高了家具的设计效率，降低了试验成本。本文探索了有限元法在金属家具结构分析中的应用，研究ABAQUS显式动力学分析功能应用于家具仿真分析的合理性。

有限元法；ABAQUS；金属家具；冲击仿真

有限元法作为有效的结构分析手段已经被广泛应用于土木工程、机械设计等领域，在国外家具设计中也有大量应用[1]。目前，国内家具结构分析主要采用试验法[2]，部分研究者对有限元法在实木家具和板式家具中的应用进行了探索，对有限元法在金属家具中的应用研究较少。

ABAQUS软件作为功能强大的有限元软件，可以解决各种复杂的工程分析问题，包括简单的线性分析和复杂的非线性问题[3]。已有研究者利用该软件对家具静态承载能力进行分析。利用ABAQUS显式动力学模块对家具进行冲击仿真分析是新的探索。

1 有限元模型的建立

1.1 ABAQUS显式动力学

ABAQUS显式动力学分析产生于实际工程需要，是一种准确的动态求解方法[4]。该模块是基于显式积分准则与对角单元质量矩阵共同实现的。相对于隐式动力学分析，显式算法效率较高、稳定性好、计算精准[5]。适用于解决各种复杂的接触问题、高速动力学问题以及非线性准静态问题[6]。ABAQUS显式动力学分析在实际工程中起着非常重要的作用。

1.2 三维模型的建立

ABAQUS软件拥有独立的部件模块，包含一系列的建模命令和特征命令，可以完成基本部件模型的建立[7]。对于复杂的部件模型，通过第三方CAD软件直接或间接的传送到ABAQUS中。本研究采用的金属家具模型为钢管椅，主要分为钢管和座椅两部分。通过UG软件建立模型，包含座椅、钢管以及仿真分析使用的冲击器。在不影响家具结构的前提下对座椅和钢管模型进行简化，减少倒角和异形面（如图1所示）。完成模型并导出igs格式，通过几何转换器在ABAQUS中导入igs文件，将导入的部件模型进行复制，使接触面处相分离，并将座椅、钢管、冲击器拆分为三个部分。

1.3 材料属性的定义

创建材料并将材料属性赋予各部件。本研究共创建三种材料，座椅材料为ABS，密度Ρ=1.05g/cm3，弹性模量G=2000MPa，泊松比μ=0.394，屈服应力为80MPa。钢管密度Ρ=7.85g/cm3，弹性模量G=210000MPa，泊松比μ=0.26，屈服应力为235MPa，冲击器为刚体材料。在ABAQUS中，材料不能直接赋予部件，只能通过截面来赋予[8]。创建三种截面，每种截面都被赋予一种材料属性，然后将截面属性赋予给各部件。赋予完成后，座椅、钢管、冲击器就有了各自的材料属性。

1.4 模型装配

三维模型建立时，由于将椅面、钢管、冲击器拆为三个部件，各部件均处于局部坐标系中。需要通过装配模块将其统一为全局坐标系，形成一个整体。对各部件进行装配，通过平移、旋转等命令定位部件。装配过程中最重要的是调整冲击器和椅面合适的碰撞距离。

1.5 网格划分

模型建立与装配完成后，需要对模型进行网格划分，网格划分是将几何体离散成有限元的过程[9]。本研究中的冲击器和椅面形状规则，可以使用自动网格划分，划分为六面体网格，显示动力学分析方法下的三维应力分析。椅座形状不规则，首先要进行切割为规则的形状，然后进行网格划分，为六面体网格，显示动力学分析下的三维应力分析。网格划分模型如图2所示。

2 椅背冲击仿真分析

2.1 模拟分析

本研究模拟日常使用座椅过程中，人的背部对椅背的冲击。参考家具力学检测国家标准GB/T 10357.3—1989[10]。将人的背部模拟为冲击器，考虑仿真分析的准确性，冲击器简化为匀速直线冲击的刚体，冲击速度为2m/s。冲击过程中，假设椅子相对地面没有位移。

2.2 仿真计算

根据模拟分析条件，定义椅子的边界条件。将椅子与地面的接触定义为全约束。定义冲击器只能沿X轴方向移动，约束其他自由度，在X轴正方向的冲击速度为2m/s。设置总计算时间为0.1s，增量步等选择默认和自动计算方式。分析结果有应力输出和位移输出。设置完成后，在作业环境中创建作业，数据检查没有错误后开始进行计算。

2.3 仿真结果

计算完成，通过场输出和历程输出得到可视化结果。分析冲击过程（如图3所示），冲击器撞击椅背的瞬间，椅背发生变形，应力集中区域在椅背表面。随后，应力逐渐扩散，应力集中区域随时间在不断变化。危险位置依次出现在椅背与钢管结合处、钢管扶手圆角处、钢管与地面接触圆角处。最大应力值出现在钢管与地面接触圆角处（如图4所示），最大值为98.7MPa，小于常温下钢的屈服应力235MPa。选取圆角处一节点，导出应力变化曲线（如图5所示），可以看出当t=0.033s时，该节点出现最大应力，应力值为98.7MPa，验证了上述分析过程。综上所述，本研究中金属椅的结构设计在冲击仿真过程中达到安全标准。

3 结论

本研究基于ABAQUS软件对金属家具椅背进行冲击仿真分析，模拟椅背在冲击过程中的受力和变形情况。得到以下结论：（1）通过对金属家具进行有限元分析，探索有限元法在金属家具仿真分析中的应用。（2）通过椅背冲击仿真分析实例，探索利用ABAQUS显式动力学模块对家具进行冲击仿真分析的方法，为椅背冲击试验提供参考。

[1]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(1):174-177.

[2]张杰,李树森,王逢瑚.有限元法在家具结构设计中的应用[J].家具,2009(2):33-36.

[3]张玉峰,朱以文,丁宇明.有限元分析系统ABAQUS中的特征技术[J].工程图学学报,2006(5):77-79.

[4]朱跃峰.基于ABAQUS的显式动力学分析方法研究[J].机械设计与制造,2015(3):21-25.

[5]王素裹,韩小雷,季静.ABAQUS显式分析方法在钢筋混凝土结构中的应用[J].科学技术与工程,2009(16):43-47.

[6]张建华.ABAQUS基础入门与案例精通[M].电子工业出版社.2012:27-126.

[7]王玉镯.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].中国建筑工业出版社.2010:49-227.

[8]马贞,宋俞成,刘文金.基于有限元分析的梓木家具直榫结构设计研究[J].木材加工机械,2013,24(2):39-43.

[9]张帆.基于有限元法的实木框架式家具结构力学研究[D].北京:北京林业大学,2012.

[10]徐卓,张帆,张亚池.基于ANSYS/LS-DYNA的实木家具跌落仿真分析[J].家具与室内装饰,2011(5):13-15.

Impact Simulation of Metal Furnitures’ Back Based on ABAQUS

Use the explicit dynamic analysis module of ABAQUS software, doing impact simulation of the metal furnitures’ back. Combined w ith simulation results, analyze the impact process. To explore the application of f nite element method in the analysis of metal furniture structure, and to study the rationality of the ABAQUS explicit dynamic analysis function in the furniture simulation analysis.

Finite Element Method; ABAQUS; Metal Furniture; Impact Simulation

TS664.07

A

1006-8260(2015)08-0028-02

10.16771/j.cnki.cn43-1247/ts.2015.08.006

国家重点实验室开放基金（编号：31415009）

王琛,郁舒兰,李泉,羊玢.基于ABAQUS的金属家具椅背冲击仿真分析[J].家具与室内装饰,2015,(08):28-29.

北 方）