应用有限元法验证重组竹材料在家具中的应用

付 杨，方 海

(广东工业大学艺术设计学院，广东 广州 510090)

应用有限元法验证重组竹材料在家具中的应用

付 杨，方 海

(广东工业大学艺术设计学院，广东 广州 510090)

重组竹是一种物理性能优异，突破了传统加工模式，可全面代替木材应用于家具制造的新型竹材料。以经典靠背椅为例，应用有限元软件ANSYS做仿真分析，对比重组竹、花梨木、榆木3种材料在受力状态时的应力和形变，研究重组竹材料在家具制造上的应用价值。

重组竹；靠背椅；ANSYS有限元分析

我国是木家具产业大国，主要原料木材资源的缺乏是影响我国木制家具发展的主要因素。我国的竹子种类丰富，并且竹林面积和蓄积量均为世界之冠，有“竹子王国”之称。早在20世纪70年代就有很多学者基于竹材成长期短，提出“以竹代木”的思想，以缓解国内木材供应的问题。正是这股思潮推动了我国竹材工业的迅猛发展。

重组竹又称重竹，是一种近几年发展起来的新型竹质材料。重组竹加工突破了传统的切削加工模式，可以显著提高竹材的利用率，在不破坏竹纤维的前提下，将竹束或者竹丝胶压成型，同时使小径竹、劣质材这些劣质材料的利用成为了可能。重组竹技术以澳大利亚最为领先，以木材重组的生产工艺为基础，以竹代木，把竹材、竹废料和竹加工剩余物作为原材料，经过碾压揉搓等加工方式，加工成横向不断裂且纵向松散而交错相连的竹丝或竹束，最后再经干燥或热处理、施胶、组坯、热压加工而成。[1]材质的色泽与硬阔叶材相近的重组竹，由于其密度高、强度大，被视为工程及家具用材的最佳选择。

1 重组竹家具的研究现状

竹材的很多特性并没有在原竹家具中过多体现，竹质家具所体现的特性主要在于竹子的抗压性和温控性上。然而尽管重组竹失去了原竹材料的一些特性，但其在物理力学性能、干缩湿胀性能以及耐腐性能上都体现出了优势。我国南京林业大学人造板教研室最早开始研究重组竹，并且曾经在实验室成功压制出了具有较高弹性模量和静曲强度的重组竹。以南京林业大学所测的结果来看，重组竹结构致密且均匀，其气干密度为1.00～1.20 cm3，其表面硬度为174.5 MPa，端面硬度为165.3 MPa，吸水厚度膨胀率为1.64%,静曲强度为130～185 MPa，宽度方向的干缩率为2.23%，冲击强度可达175 KJ·m-2[3]。

虽然重组竹的物理性能优异，又具有环保特性，但在材料出现的初期更多的被用于地板制作，其在家具产业上的应用还处于探索阶段。随着重组竹在材料在物理、化学、力学性能上的研究逐步增多，其材料特点也成为家具设计者的关注对象。

作为家具新材料的重组竹，在家具中应用的研究并不多，主要的研究成果为南京林业大学的新中式家具的研究。其中，南京林业大学的林举媚教授的研究表明重组竹刨切、砂光、钻孔、锯切、涂饰的加工质量等级均达到优良，探索了重组竹在家具制造上的适应性[4]。关明杰等人从重组竹的干缩与湿胀性上展开了研究，对比了重组竹与柚木的干缩系数，并提出在相近密度下，重组竹的干缩系数要小于麻栎等几种常见家具木材，并表现出很强的方向性[5]。南京林业大学的张彬渊研究重组竹材料的特性并综合家具制造的木材特性并最终提出重组竹作为家具的一种优质新材料的广阔前景[6]。在家具强度方面黄圣游分别针对重组竹家具的圆榫、椭圆榫、螺钉接合等方面做了研究。[7]还有不少学者就重组竹在家具上的抗拉、抗压、受弯、承载等方面的性能做出研究。

总的来说重组竹在家具上的应用研究还处于起步阶段，尽管其优良的材料性能可以代替木材料广泛的应用于家具制造中，但究其材料属性的不同会对结构设计与加工方法上产生不同的影响。

2 家具结构研究方法

家具的结构是家具设计的重点，在以往的设计中最常见的方法是理论计算或经验值确定，但这些方法在实际的操作中难以做到精准与便利。在实际生产中人们总结出一整套以破坏性为主的整体试验法，这种方法在很大程度上造成了材料和能源的浪费。随着计算机算法的发展，有限元分析法成为了分析结构问题的主要方法。利用实验结构强度分析法为接合方式或榫卯结构配合的提供研究的参数，有限元分析法逐渐被应用到家具的结构设计之中[8]。

国内在利用有限元理论分析家具结构强度方面的起步较晚，应用也较为基础，主要是针对典型家具整体或某个部件，采用有限元模拟分析其整体或局部静力载荷、冲击载荷、跌落实验等，证明有限元的可行性，或是对局部易损坏点进行优化。

有限元法(Finite Element Method)是一种非常高效的数值分析方法。通过将连续的几何体，离散成有限数量的单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续的几何体看作是在节点处相连接的一组单元的集合体，是其基本的理论思想。利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟计算，不同的单元之间通过节点互相联系，通过这些节点可以计算在受力的作用下的位移、应力、形变等，通过有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

家具结构设计过程中，有限元法可以作为快速有效的仿真方法，对复杂的框架结构进行应力应变分析，同时使家具部件的形状、尺寸满足家具所有的功能需求、审美要求和强度要求。通过实体模型，利用软件来计算设计产品的结构强度，并通过计算机辅助软件进行结构优化。针对复杂材料及模型，模仿不同的载荷形式进行力学分析，具有可重复性，通过软件分析实体造型结构，来优化产品每个部分的模型参数，在快速有效的选择家具零部件外观尺寸、形状上提供新思路。

3 重组竹材料在椅子上的应用

3.1 3种对比材料参数

本研究以椅子为实体模型，通过花梨木、榆木、重组竹3种材料的对比来研究重组竹材料在家具中的应用。由于我国针对重组竹的力学性能测试的相关标准和规范还不完善，在测试力学性能时，为了方便与木材的力学性能进行比较，采用的是与木材物理力学性质试验相同的测试方法。其中按照国标GB/T 1938-2009重组竹的顺纹抗拉强度采用木材顺纹抗拉强度试验方法进行[10]。重组竹的横纹抗压强度按照国标GB/T 1939-2009木材横纹抗压试验方法进行测试[11]，重组竹的横纹抗压弹性模量和泊松比按照国标GB/T 1943-2009用贴应变片法测定[12]重组竹的顺纹抗压强度按照国标GB/T 1935-2009木材顺纹抗压强度试验方法进行测试[13]。最终的实验结果采取多组实验获取平均值选取。通过对比3种材料可知木材顺纹抗压强度明显大于横纹抗压强度，且大致表现为随着木材密度的增大而增加。木材抗弯强度弦向和径向的值差别不大，也大致表现为随木材密度的增加而增大。而重组竹的横纹抗压强度明显强于木质材料，重组竹纵向与横向抗压强度差异远远小于榆木和花梨木。这也表明重组竹比它们更适合用于双向复合受力场合。其中材料的仿真参数如表1所示：

表1 材料的弹性模量、泊松比、剪切模量

其中E1，E2，E3为3个方向弹性模量，μ12，μ13，μ23为3个方向泊松比，G12 G13 G23为3个方向剪切模量

图1 靠背椅原型及尺寸Fig.1 The prototype of the back-rest chair and its size

3.2 椅子载荷分析

椅子在使用过程中会受到静载荷、循环载荷、冲击载荷3种形式的载荷，在本研究中主要对比不同材料的静载荷对椅子的影响。载荷的大小位置和其作用方式也直接影响家具的结构。椅子的结构设计要求其有足够的强度，满足日常使用条件和偶然情况下的受力情况。载荷选择过小或过大都会造成不必要的材料浪费，然而目前还没有明确的实木椅设计载荷标准，因此在进行载荷大小确定时，首先参考现有国家标准GB 10357.3-89《家具力学性能试验椅凳类强度和耐久性》[14]的测量方法，并根据家具使用中的人体工程学和实际使用中出现的特殊使用情况，适当增加载荷，多方面考虑使载荷值及载荷点更科学合理。

本文选择经典的靠背椅作为仿真实验对比的实物对象如图1所示，椅子主要有前腿、后腿、坐面、靠背、支撑枨等几个部件。其连接结构为中式家具的榫卯接合方式，整体宽度420 mm，进深415 mm，整体高度815 mm其中坐面高435 mm方腿截面边长为35 mm。椅子在正常使用过程中，座面受到的最大静载荷为人体体重。根据《中国成年人人体尺寸》国标GB10000-88考虑到人体重载荷取值，可以服从人体百分位数P95的标准。在P95标准中26～35岁的中国成年男性体重为74 kg；36～60岁的成年男性体重为78 kg。实验中取其标准的最大值78 kg，载荷值为764.4 N作为实验标准。

本次测试按照国标GB 10357.3-89分为4个工况，考虑特殊情况下的误用，以及国际惯例测试水平三级标准，将载荷值增至1 500 N。

工况一坐面载荷：在使用中椅子受到地面的支撑，椅子延Y轴方向运动受到限制，坐面加载点为椅面中心线上离椅面前沿100 mm处的一点，大小为1 500 N如图2左图。

工况二椅靠背载荷：在后腿端被约束Z轴正方向的平动自由度和绕X轴的转动自由度，约束了前腿Y轴方向下的平动自由的同时保有其X轴方向的转动自由。选取椅背纵向轴线上距离靠背上沿300 mm处的加载点，施加大小为500 N的载荷。此外还需加载平衡载荷1 100 N，如图2右图。

工况三椅腿前侧载荷：限制前腿各个方向自由度，同时约束后腿Y轴方向的平动自由，选取在椅面中心加载大小为1 100 N的平衡载荷；在座面后沿中间位置施加大小为500 N的水平向前方向载荷。如图3左图。

工况四椅子腿侧向载荷，约束Y轴向上的平动自由度，在椅面加载大小为1 100 N的平衡载荷；然后约束侧腿的全部自由度，在座面一侧的中间位置水平向前施加力大小为500 N的载荷。如图3右图。

图2 国标GB 10357.3-89中椅子坐面、靠背静载荷约束情况Fig.2 The chairs surface, static load constraint conditions in GB 10357.3-89

图3 国标GB 10357.3-89中椅子腿前向和侧向静载荷约束情况Fig.3 The forward and lateral static load constraint conditions of the chair legs in GB 10357.3-89

图4 模型网格Fig.4 Model grid

3.3 不同材料的ANSYS有限元分析

把Pro/E模型导入有限元分析软件ANSYS中进行分析模拟计算，模型导入ANSYS时单位设置为mmns，弹性模量的单位为MPa时，分析结果的单位仍为MPa与mm。本研究主要针对重组竹、花梨木和榆木3种材料，通过靠背椅模型进行静载荷的分析来进行对比试验。其中花梨木的材料密度大于重组竹材料密度大于榆木材料密度。为了真实模拟木材在纵向、径向和弦向各向异性的材料特征，选用的单元类型为满足材料各项异性的三维实体单元：SOLID45单元。并将其设定为具有三维空间移动自由度的模型体。首先通过3组材料的对比来检验材料重组竹材料是否符合家具用材。

ANSYS软件版本15.0，模型网格面尺寸5mm，网格节点数310491，网格单元数66827。按照上文所述的材料参数按照三向异性计算模型得到3种材料模型计算结果为表2、表3、表4所示。对比4种情况下花梨木、榆木、重组竹的最大应力与最大形变，可知在同等条件下，重组竹的形变较小，按形变量从小到大的排列为重组竹、花梨木、榆木；照同等条件下，花梨木的最大应力较小，其从小到大的顺序为花梨木、榆木、重组竹。对比榆木与花梨木可知这两种材料的性能相近，变形与应力成正比的关系，重组竹与木材的材料特性不同，同等条件下形变相对较小但应力相对较大。综合判断重组竹不但符合家具制造的用材要求，同时要比一般的木质材料的受力形变小，但其受到应力较大的特性会在受冲击时容易断裂。

表2 花梨木材料模型计算结果

表3 榆木材料模型计算结果

表4 重组竹材料模型计算结果

图5 重组竹、花梨木、榆木坐面形变对比图Fig.5 The surface deformation contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图6 重组竹、花梨木、榆木坐面应力对比图Fig.6 The surface stress contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图7 重组竹、花梨木、榆木靠背形变对比图Fig.7 The back deformation contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图8 重组竹、花梨木靠背坐面形应力比图Fig.8 The back stress contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图9 重组竹、花梨木、榆木腿前向形变对比图Fig.9 The leg forward deformation contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图10 重组竹、花梨木、榆木腿前向应力对比图Fig.10 The leg forward stress contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图11 重组竹、花梨木、榆木腿侧向形变对比图Fig.11 The leg lateral deformation contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

图12 重组竹、花梨木、榆木腿侧向应力对比图Fig.12 The leg lateral stress contrast of the recombinant bamboo, rosewood and elm

4 总 结

目前来说，重组竹产品类型单一，尽管在市场上占有一定比例，但用于家具的比例不高，现阶段主要用于地板材料的制作，但就其自身物理性能而言，重组竹不但本身的力学强度高于普通木材，而且加工性能与硬木相近并具有美丽的色彩纹理，是我国家具制作的理想材料。

通过有限元分析的方法可以加强对家具不同材料之间性能的对比，同时在设计中快速调整家具的设计结构。通过重组竹、花梨木、榆木之间的材料分析可以进一步确定重组竹材料在家具设计中的使用，在现有市场的基础上拓宽重组竹的应用范围，将其应用范围由现在的地板材领域逐渐扩大到木材行业的各个领域中，根据不同类型产品使用要求，研制符合其产品性能的重组竹产品，充分发挥我国特有高产量的竹材优势来解决木材的短缺问题，有效途径提高重组竹产品的附加值。

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[3] 赵鹤. 户外家具用重组竹材防腐工艺研究[D]. 南京林业大学, 2011.

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[10] 全国木材标准化技术委员会,GB /T 1938-2009木材顺纹抗拉强度试验方法[S]，北京,中国标准出版社,2009.

[11] 全国木材标准化技术委员会,GB /T 1939-2009材横纹抗压试验方法[S]，北京，中国标准出版社,2009.

[12] 全国木材标准化技术委员会,GB /T 1943-2009木材横纹抗压弹性模量测定方法[S],北京,中国标准出版社,2009.

[13] 全国木材标准化技术委员会,GB /T 1935-2009木材顺纹抗压强度试验方法[S],北京,中国标准出版社,2009.

[14] International Organization for Standardization，ISO 7173: Furniture -Chair and Stools-Determination of Strength and Durability，1989.

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The Application of the Finite Element Method to Verify the Use of Recombinant Bamboo Material in Furniture

Fu Yang, Fang Hai

(Institute of Art and Design, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, Guangdong, China)

The recombinant bamboo is a new material that has broken through the traditional processing mode. According to its excellent physical properties, it can fully replace the wood widely and be used in furniture manufacturing. Taking the classic back-rest chair as an example, the application of the recombinant bamboo material in the furniture was studied by using the ANSYS finite element analysis software to simulate and compare the stress and deformation of the recombinant bamboo, rosewood and elm materials under stress.

Recombinant bamboo；Back-rest chair；ANSYS finite element analysis

2016-06-18

国家社科基金艺术学一般项目(13BG075)

付杨(1983-)，男，博士生，主要从事产品设计研究。E-mail：tcts@163.com