ANSYS环境下座椅的结构设计与强度分析

张 祥 程玉龙 王 巍

(1.郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450000； 2.东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)



ANSYS环境下座椅的结构设计与强度分析

张 祥1程玉龙2*王 巍2

(1.郑州宇通客车股份有限公司，河南 郑州 450000； 2.东北林业大学工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

基于人因工程学原理，对实木座椅进行了结构设计，并运用ANSYS有限元软件，对松木、白桦、杨木三种材质的实木座椅作了静力分析研究，综合考虑三种材质实木椅的变形及受力情况，松木材质最优，白桦次之，杨木最差。

实木椅，ANSYS软件，人因工程学，结构强度

椅类家具与人们的日常生活紧密相关，其结构设计的合理与否直接影响使用者的舒适、健康以及工作效率[1]。近年来，随着人们的消费观念转向追求自然、绿色、环保，实木家具因其具有生态环保、健康耐用等特色而越来越受到人们的青睐。在实木椅设计中，设计师应紧密结合人体工程学，依据人体的基本尺寸、坐姿生理尺度和心理反应进行设计，为座椅的设计提供科学的理论依据和设计标准。

目前，已有一些研究者利用ANSYS有限元法对家具的结构强度进行了可行性研究[2-4]，得出了一些结论，但利用人机工程学并结合有限元软件对实木椅类家具进行结构设计与强度分析的专项研究尚未看到。在利用人机工程学设计出安全、舒适座椅的基础上对实木椅进行有限元模拟，分析实木椅在静力作用下产生的应力与应变，并根据材料的相关参数进行比较分析，能够很好地设计出安全耐用、强度合理的实木椅结构。

1 根据人因工程学设计座椅

舒适安全的座椅，可使人提高工作和学习效率，减轻疲劳强度，不损害人体健康。那么，座椅的高度，深度和宽度，座位的基准点，两脚与地面的支撑情况等必须符合人体的生理结构和尺度。

1.1 座面高度

座高应以人的座位基准点为准来设定，座椅的高度要适中，不能过高或过低。适当的座高应使就座者大腿保持水平，小腿呈自然垂直的状态，双脚平放于地面。经研究测定，如果座椅高度大于人体下肢长度500 mm时，人的两足悬空不能落地，会使大腿内侧受压，久坐则会血液循环不畅，肌腱发胀而麻木。如果高度小于380 mm，人的膝盖就会拱起，大腿不能平放在椅面上，体压过于集中在坐骨节点上，久坐则会产生酸痛感，人起立时显得困难。

通过对人体的坐姿分析，符合上述要求的工作椅座高为：“小腿加足高”-(10 mm～15 mm)。这样得出的座椅高度与GB/T 10000—1988坐姿人体尺寸中的“小腿加足高”基本吻合，从而有利于获得合理的椅面体压分布[5]。

考虑中国人体尺寸的测量数据，得到中国男女通用的工作椅坐高尺寸的调节范围为350 mm～460 mm。本文选取的座椅高度为430 mm。

1.2 座深

座深是指椅面前缘至后缘的距离，座深的尺寸不能过大，正确的座深应使靠背方便地支撑人体的腰椎部位。座深的设计要适中，若座深尺寸过大，人体不能靠背一旦靠上背就会产生很大的倾斜度，造成腰部缺乏支撑而悬空，使腰部肌肉强度加剧而产生疲劳及不舒适感，同时也会使膝窝处受压而产生酸麻感，影响人的正常起立；若座深尺寸过小，坐者则须向座面前缘处移动，这样会使大腿前部过分前凸，使重量全部集中在小腿上，久之小腿会感到酸麻不适，影响人的健康。国家标准GB/T 3326—1997规定:靠背椅座深为340 mm～420 mm，本文选取的座深为400 mm。

1.3 座宽

座宽是指座面的横向宽度。座宽的设定必须适合于身材高大的人，其相对应的人体测量尺寸是臀宽。如果是单人使用的座椅，参考尺寸是臀宽，应以女性群体尺寸的上限为设计依据。如果是有扶手的座椅，应以扶手的内宽作为座宽的尺寸，一般不应小于470 mm。

座宽过小过大对坐姿舒适度都有不同程度的影响。若座宽过大，则肘部须尽力向两侧伸展以寻求扶手的支撑，从而导致肩部疲劳。国家标准GB/T 3326—1997规定：靠背椅座位前沿宽≥380 mm。本文选取的座椅宽度为470 mm。

根据以上人因工程学上对座椅的尺寸设计要求，设计的座椅尺寸为：座面高430 mm，座面宽470 mm，座面深400 mm，椅子腿宽度60 mm，总高765 mm。选取的实木椅材料质分别为松木、白桦与杨木，其材料特性见表1。运用有限元软件ANSYS对椅子的座面与椅背进行静力分析。

2 用ANSYS软件对座椅进行建模仿真

2.1 建立有限元模型

ANSYS软件在几何建模方面具有较大的局限性，故利用 ANSYS 与Pro/E的无缝衔接功能将其导入到 ANSYS中，见图1。导入过程中，要特别注意单位的统一，以避免出现问题。下文所进行的有限元分析中，单位均采用与MPa，mm相统一的单位制。

表1 材料的性能参数[6] MPa

选取的单元类型为Solid185单元，材料定义为木材特性、正交各向异性模型体，并依据表1输入相对应的弹性模量、泊松比等参数。并采用自由网格划分法对模型进行网格划分，网格边长为20，得到的有限元模型如图2所示。

2.2 施加约束与载荷

对模型中座椅与地面接触的底部施加约束，1 020 N～2 268 N是许多椅子必须满足的性能试验规范要求的载荷，因而适合在这里用作分析载荷，将座椅载荷均匀分配给所有的望板。本文在椅子的座面施加1 100 N/0.2 m2即5 500 Pa的垂直载荷。根据研究，靠背椅的靠背应能承受340 N～1 360 N的载荷，本文在椅背施加400 N/0.08 m2即5 000 Pa的水平载荷[7]。

2.3 仿真结果与分析

下面选取落叶松材质的座椅进行结果分析，松木椅的位移云图如图3所示，从位移变形图可以看出，最大变形区域位于松木椅后背的最上端，松木椅产生的变形量与其结构尺寸相比十分微小，其最大位移变形量仅为1.449 88 mm，在座椅结构设计参照值允许的范围内，并不影响座椅的安全使用。

松木椅的Von Mises应力云图如图4所示，结果表明，松木椅在后腿与座面结合处产生最大应力，形成了一个实木椅最容易发生损坏的危险区域。最大应力值为4.357 45 MPa，远小于落叶松的抗弯强度114.2 MPa和抗压强度59.2 MPa，符合国家标准规定

的椅凳类在静载荷作用下的结构强度，不会出现失效、开裂、晃动等不安全情况。

同样可以得到白桦、杨木材质座椅的位移变形图与最大应力图，其最大应力值与最大形变值见表2。根据分析结果，在相同载荷作用下，三种材质的座椅产生的最大应力区域相同，均为座面与椅子后腿部分的结合处；最大变形区域相同，均出现在椅子靠背的最上方。根据表2，三种材质的座椅所受到的最大应力差别不大，均远小于三种材质所对应的抗弯强度与抗压强度，均不影响实木椅的结构强度。松木椅的最大形变量最小(1.449 88 mm)，其次为白桦椅(1.525 25 mm)，杨木椅产生的最大形变值最大，为5.279 77 mm。综合考虑材料的物理性能以及变形、应力情况，松木椅材质最优，白桦次之，杨木最差。

表2 三种材质实木椅的有限元仿真结果[8]

3 结语

根据人因工程学原理对实木椅进行专项设计，并利用ANSYS对三种材质的实木椅结构进行静力分析，结论如下：

1)在同样大小的静载荷作用下，三种材质的实木椅产生的位移变形量很小，不影响实木椅的正常使用，最大变形区域均发生在靠背的最上端。在座面与后腿的结合处产生最大应力，是实木椅最容易发生损坏的危险区域，因此，在日常生活中应特别注意此区域部件的损坏，做好防护措施。

2)材质的性能是影响实木椅结构稳定性与强度的重要因素之一，不同树种的木材，其弹性、硬度、强度等物理力学性能差异很大。根据模拟结果，综合考虑三种材质实木椅的受力情况和变形情况，松木材质最优，白桦次之，杨木最差。

[1] 马广涛，田 炜，孙海义.基于人体静态尺寸的座椅设计[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2010,26(4):783-786.

[2] 杨 诺，柯 清，林 琳，等.ANSYS在实木椅结构设计中的应用[J].家具，2015,36(5):12-16.

[3] 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.

[4] 陈绍禹，柯 清，郭洪武，等.有限元软件ANSYS在实木家具结构设计中的应用[J].林产工业，2014,41(2):41-43.

[5] 郭 伏.人因工程学[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6] 尹思慈.木材学[M].北京:中国林业出版社,1996.

[7] [美]卡尔·艾克曼.家具结构设计(高等院校设计类通用教材)[M].北京:中国林业出版社,2008.

[8] 刘一星.中国东北地区木材性质与用途手册[M].北京:化学工业出版社,2004.

On structural design and strength analysis of chairs under ANSYS environment

Zhang Xiang1Cheng Yulong2*Wang Wei2

(1.ZhengzhouYutongBusLimitedbyShareLtd,Zhengzhou450000,China; 2.CollegeofEngineeringTechnique,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Based on the human factor engineering, the paper undertakes the structural design of the wooden chairs, adopts the ANSYS finite element software, undertakes the static stress analysis of the three kinds of chairs including pines, white birch, and aspen wood, and has the comprehensive consideration for the deformation and stress circumstances of the three kinds of wood chairs, and indicates the pines are the optimal, which is followed by the birch, and the aspen is the worst.

wood chair, ANSYS software, human factoring engineering, structural strength

1009-6825(2016)28-0216-02

2016-07-26

张 祥(1990- )，男，工程师； 王 巍(1975- )，女，副教授

程玉龙(1988- )，男，在读硕士

TS664

A