基于ANSYS多功能座椅的静力学分析

张自强， 王丽， 马驰骋， 靳若竹

（长春工业大学 工程训练中心，长春 130012）

0引 言

座椅是日常生活中应用最为广泛的家具。传统座椅功能单一，空间利用率低，且有些座椅结构不符合人机工程学原理，会给人带来健康方面的危害［1］。为此，针对以上问题创新设计一种集座椅、摇椅和梯子三种功能于一身的多功能座椅。

随着三维软件的广泛应用，三维设计软件开始被越来越多的企业所接受。通过三维设计软件，可以直观地看到建成后的效果，可加快设计速度，极大地提高设计水平与设计质量［2］。所以说对多功能座椅进行三维建模是产品仿真和加工过程中不可缺少的环节。通过对三维模型的建立，可以直观地看到多功能座椅的主体结构，预测其性能并进行合理优化。由于对多功能座椅结构需进行受力分析，因此，通过SolidWorks软件进行三维建模并应用ANSYS软件进行仿真分析是非常必要的。

1 多功能座椅的三维建模

在三维绘图软件SolidWorks中对座椅的零部件进行三维建模［3］，并在应用模块化设计，即采用对单个模块进行设计和装配，最后组装到一起的方法，对座椅的零件进行调整及改进。这样设计既有利于查看各零部件之间的配合，也有利于各模块之间的拆装，缩短设计时间，所设计的多功能座椅总体结构如图1所示。

1）梯子支架折叠及梯子中间踏板翻折结构设计。座椅前支架腿两个侧板内侧安装有可旋转折叠的梯子支架，梯子支架旋转折出并与受力装置相接合，以保证梯子的稳定性。梯子中间踏板由座椅前支架腿和座椅后支架腿组成，采用铰链机构设计，将座椅后支架腿翻转180°置于座椅前支架腿上，相互重叠形成了中间踏板，实现梯子的功能，梯子结构如图2所示。

2）摇椅弧面触地结构设计。座椅后支架腿与座椅前支架腿采用弧形设计，将梯子放倒后，形成一个弧形面，将此弧形面作为摇椅触地面结构,使摇椅能够平稳的摇摆，摇椅结构如图3所示。

3）靠背斜角式结构设计。座椅靠背的设计是根据人体工程学原理［4］，采用斜角式结构设计,根据调查数据显示，满足人体舒适度的角度是 110°～120°，考虑到多功能座椅整体结构的设计要求，采用118°的斜角作为座靠背倾角。

图1 多功能座椅总体结构示意图

图2 梯子结构示意图

图3 摇椅结构示意图

2 多功能座椅的静力学分析

通过ANSYS软件对多功能座椅进行有限元分析［5］，可以更好地模拟出它的工作状态，现以摇椅状态为例进行分析，通过下面几个步骤进行有限元分析：1）建立模型，将模型导入ANSYS软件；2）对模型进行网格划分；3）对模型添加约束；4）对模型添加应力；5）进行仿真，得出应力分布云图。

对多功能座椅的模型分别进行网格划分，得到图4摇椅网格划分图［6］。

通过以上操作步骤，得到如下结果：如图5所示为应力分布云图，当根据人体较大体重添加3 000 N时，通过云图可以看出摇椅的变化在2 999～3 000 Pa之间，无应力破坏现象，符合工作条件。由此可知，根据人体质量当添加较大重力时，其应力变化均在承受载荷所允许的范围内，因此该设计满足正常的使用要求。

图4 摇椅网格划分图

图5 应力分布云图

3结 语

利用ANSYS软件对多功能座椅进行静力学分析和数值模拟分析，得出了一系列应力分析云图，根据分析结果可以清楚地看到各项分析数据，分析结果比较准确，是结构优化比较有效的方法。

［1］ 张启亮，杨伟.办公座椅设计中人体工程学分析［J］.兰州工业高等专科学校学报，2011,18（ 4）：52-54.

［2］ 张龙江.Solid Works软件在RH液压系统设计中的应用［J］.重型机械，2004（ 2）：69-71.

［3］ 罗煜峰.基于Solid Works的参数化特征建模技术研究［J］.机械设计,2004，21（ 2） ：52-54.

［4］ 李强，肖杨.浅谈人体工程学在现代设计中的应用［J］.科技创新导报，2010（ 28）：236.

［5］ 石建军，马念杰.ANASYS软件在锚杆静力分析中的应用［J］.华北科技学院学报，2007，4（ 4）：29-30.

［6］ 曹明，宋春明，张东升，等.基于ANSYS的定梁龙门机床横梁静力学特性分析及结构优化［ J］.机械工程师，2014（ 10）：112-114.