一种家用健身器材结构优化研究

王东峰

摘 要：随着家庭内健身的流行，许多家用健身器材应运而生。文章针对一种家用健身器材进行了分析，并提出了结构优化设计方案，取得良好改进效果。为该类健身器材的结构优化研究提供参考依据。

关键词：家用健身器材；有限元分析；结构优化

随着社会的不断发展，人们的物质生活水平不断提高，对生活质量的要求也随之提升。而健康作为人们一种永恒的追求，是人们生活质量指标中重要一项，为了获得健康的身体，越来越来的人开始重视体育锻炼[ 1 ]。

由于现代生活的节奏，和受雾霾频发影响，家庭内健身成为很多人的首选。家用健身器材市场也因此变得火热起来，各种形式的家用健身器材遍布各大电商平台。其中一种名为家用引体向上器，以其使用的便捷性和多用性，成为许多家庭内健身者的选择。下面针对此种家用健身器材进行分析，并对其结构优化进行了探讨。

1 整体结构分析

家用引体向上器的种类多样，但其基本结构大同小异，大多是将健身器放置于门框上，利用结构和门框及墙面之间产生的作用力工作。现对主流的几种结构进行分析简化后进行建模，如图1所示，其中上弯管上的1平面至于内侧门框上和墙面接触，曲面2至于门框另一侧和门框接触，曲面3为施力处。该类健身器多为通过电商平台销售，为便于邮寄采分体结构，通过螺栓连接固结在一起。出于成本考虑，结构多采用尺寸一致的空心管型材。

2 结构有限元分析

为了充分了解该种健身器材的工作情况，和便于下一步结构优化和轻量化等强度设计[ 2 ]，对其进行有限元分析。将1平面和2曲面固结，在3处施加垂直向下的载荷。大多数引体向上器的最大承载载荷在200KG左右，因此载荷大小设置为2000N。

经有限元分析，最大应变出现在施加载荷的最末端，其大小为5.18mm。整体应力分布如图2所示。从应力分布上可以看出整体应力分布非常不均匀，应力主要分布在靠近支撑面2的下横杆处，以及上弯管和下横管的连接部位。最大应力出现在上弯管和下横杆的連接部位。通过应力分析可知上弯管和下横杆采用等尺空心管不符合等强度设计原则，对充分发挥材料的性能不利，另外上弯管和下横杆之间靠螺栓连接两者之间的接触面积过小。

3 结构优化

基于上述分析，现对结构进行优化。在靠近2曲面处的两段直管以及和下横管连接部位的上弯管采用大截面尺寸。将连接处的上弯管变为U形。重新建模后进行有限元分析，改进后的结构在相同载荷下最大应变变为了3.19mm，其应力分布如如图3所示。

最大应力值下降十分明显。这对充分发挥材料的性能和进一步的轻量化设计提供了依据，并有效的提高了结构的抗偶然过载能力，提高了使用安全系数。

4 结论

通过对该种健身器材的结构进行有限元分析，提出了改进措施，使得该结构在同等载荷下最大应力应变大大降低。此种研究方法为此类家用健身器材的优化设计提供了参考依据。

参考文献：

[1] 郑维维.户外公共健身器材改进设计与通用设计原理运用的思考[D].同济大学建筑与城市规划学院，2008.

[2] 王收军，毛薛辉.造波机中横梁结构有限元分析及优化设计[J].制造业自动化，2014，（16）：90-92，99.