防近视多功能学习椅的结构设计和有限元分析

杨国侨　胡敏烽　方万骏　周霞　季海亮　马群　张辉

摘 要：设计了一种防近视多功能学习椅，这是一种端正坐姿的功能性学习椅。使用Ansys workbech软件对防近视多功能学习椅的关键部件扶手杆进行了有限元静力学元分析，得出防近视多功能学习椅的结构合理，达到技术要求。

关键词：学习椅；有限元；模态分析

1 概述

近视眼已经成为现代社会文明病，尤其是我国的青少年近视发病率则高达50%至60%，青少年近视引起家长的不安。没有良好的用眼习惯，用眼姿势不正确是影响近视眼发生率的一个主要因素，学生伏案歪头阅读等不正确的姿势导致眼睛的调节负担，因而增加了眼外肌肉对眼球的压力，很容易导致近视。中小学生的眼球正处于发育阶段，长期的不正确用眼姿势很容易导致眼球的发育不正常，不正确的用眼姿势很容易导致近视眼的形成[1]。文章设计一种用于工作学习近距离用眼时的功能性学习椅，矫正坐姿，保证学生看书学习时书本距眼睛30cm左右，从而达到防近视的目的。

2 防近视多功能学习椅的结构设计

防近视多功能学习椅的结构与传统的座椅相比，可以矫正身姿防近视，使用方便。学习椅的椅座高度可调节，可满足不同学生对不同椅子高度的需要[2]。防近视多功能学习椅的结构创新点比普通椅子多了挡臂，挡臂高度及角度根据学生体型坐高可调节，挡臂安装在左右扶手杆的前端，挡臂可挡在胸前，可防止学生看书写字时过于前倾，端正了学生的坐姿，同时也控制了眼睛到书本的距离。防近视多功能学习椅设计安装了报警装置，报警装置的信号检测装置装于杆臂连接件的下方，报警喇叭和报警发光装置装于椅背上。若学生前倾身体使挡臂转过的角度超过正常转动角度范围，则报警装置就会发出报警声音，并且报警发光装置会发出光线，提醒学生写字姿势错误。整体机构如图1所示，主要由挡臂机构、椅座、靠背及报警装置等组成。

防近视多功能学习椅的核心部件是挡臂机构，挡臂机构主要由扶手杆、杆臂连接件和挡臂三部分组成。扶手杆为π形，扶手杆的两滑动杆穿过紧固件，紧固件位于椅座板上，滑动杆可沿着紧固件上下滑动，紧固件可使扶手杆固定在一定范围内的任意高度，以适应不同坐高的学生需要。扶手杆也有伸缩功能，外面是一根外径稍大的铝合金圆杆，其内为一直径稍小的圆杆，可满足不同胖瘦学生或就坐不同的需求，方便挡臂的收缩。当伸长扶手杆上杆，挡臂收缩时不会碰到身体。在扶手杆上杆的前端装有杆臂连接件，连接了扶手杆和挡臂。挡臂可绕杆臂连接件转动，以达到收缩的功能。

3 防近视多功能学习椅的静力学分析

从防近视多功能学习椅的结构可知，防近视多功能学习椅的扶手杆的跨度最大，要承受胳膊的重力压迫，为柔性体易变形，左右扶手杆相同且对称布置，此防近视多功能学习椅的左右扶手杆切向的受力最大和力矩最大，扶手杆的可靠性、精确定位及稳定性如果满足条件，其他部件自然满足要求，因此文章只对防近视多功能学习椅的扶手杆进行了有限元分析[3]。左右扶手杆由铝合金型材构成，主要是支撑作用，因此要求材料的刚度与韧性好。因此，Solidworks软件中建立了左右扶手杆梁实体模型，导入ANSYS workbench软件中进行有限元分析。扶手杆的材料的密度ρ是2770kg/m3，材料的杨氏弹性模量E是7.1*1010Pa，材料的泊松比μ是0.33。扶手杆的横截面是圆环，采用ANSYS workbench软件自动网格划分[3]。

扶手杆上的载荷主要是均布载荷、集中载荷、扭矩载荷[4]。均布载荷指扶手杆自身重量；集中载荷指的是胳膊压上的重量；防近视多功能学习椅的扶手杆还受到挡臂的扭矩作用，因此会产生扭矩载荷，扭矩载荷位于扶手杆顶端，根据线性偏移等量变换也可施加到扶手杆的中部。分析可知，集中载荷越靠近扶手杆中心，则扶手杆形变越大。扶手杆所受集中载荷、均布载荷、扭矩载荷分析示意图如图2所示。

使用ANSYS workbench软件对扶手杆进行有限元分析，得到扶手杆在防近视多功能学习椅的应变图。扶手杆应变量的最大位置是集中载荷、自身的均布载荷处于扶手杆的中部，扭矩载荷处于扶手杆顶端位置，因此只需分析均布载荷、集中载荷、扭矩载荷处于中心位置是否满足条件即可判定扶手桿是否满足设计要求[5]。扶手杆两端通过简化可认为是固定端约束，然后给扶手杆加载集中载荷、均布载荷、扭矩载荷，扶手杆受到弯矩最大的位置是扶手杆的中部，得到载荷处于扶手杆中心位置时的应变图如图3所示。

从图3扶手杆有限元应变图可知，扶手杆在垂直方向的变形相对于其他两个方向的变形要大得多，且变形关于其中心对称，扶手杆最大变形是0.2mm，变形量远低于设计技术要求。

4 结束语

使用Solidworks软件建立了防近视多功能学习椅的三维图，并使用ANSYS workbench软件对学习椅进行了静力学分析，得到应变图。从应变图可知，此防近视多功能学习椅的设计合理，结构简单。使用ANSYS workbench软件分析设计防近视多功能学习椅的方法明显缩短了产品开发周期，增强产品的可靠性，此方法为以后防近视多功能学习椅的设计提供了一种快速的方法，可以推广使用。

参考文献

[1]方万骏，杨国侨，等.防近视多功能学习椅的设计[J].科技视界，2015（30）：39.

[2]林悦.厦门市中小学教室课桌椅及光环境的工效学研究[D].福建师范大学，2005.

[3]徐丹妮.中小学生课桌椅的设计研究与实践[D].武汉理工大学，2013.

[4]陆剑雄，张福昌，申利明.坐姿与座椅设计的人机工程学探讨[J].人类工效学，2005（4）：44-46.

[5]陆剑雄.无锡中小学普通教室课桌椅设计的人机工程学研究[D].南京林业大学，2008.

作者简介：杨国侨，嘉兴学院机电工程学院机械122班学生。