基于ANSYS-DYNA的松木座椅冲击仿真分析

王 巍，程玉龙，王 博，李建文

(东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

当今，实木家具因其健康、绿色、环保等特色而受到大众的喜爱，但随着国家对林木的限采限伐，用于生产实木家具的木材越来越少，所以如何科学高效地利用木材成为林业研究者关注的焦点。我国东北地区松木资源丰富，同时松木具有抗弯强度高、不易变形等优点，是制作实木家具的良好材料，因此用松木来制造家具能有效缓解国内对实木家具用材极度需求的问题。

当一个人坐进椅子，或者由坐着站起来的时候，就会产生动态座面载荷。研究表明，当人无意识地坐下时，能对座椅产生近2倍于体重的载荷[1]，因此绝大部分家具产品的损坏都源于这种无意识的冲击碰撞。同时也可能因为椅子的座面强度不够，而发生冲击破坏从而使人们受到不必要的伤害，因此很有必要研究座面在冲击载荷下的结构强度。目前已有相关研究者[2-3]将ANSYS软件应用于家具结构的分析中，吕艳红[4]等运用ANSYS软件对果木座椅的座面和靠背进行了强度分析，得出座椅的强度满足使用要求。宋明强[5]等运用有限元法对橱柜隔板的应力分布及结构变形情况进行了分析，得到了隔板最容易发生破坏的危险区域。马岩[6]等运用ANSYS方法对暗直榫木窗机床的主轴分别进行了刚度分析和模态分析，验证了主轴设计的合理性。也有学者运用ANSYS/LS-DYNA对各类电子、机械产品进行跌落模拟分析[7-9]，分析产品在跌落过程中的应力应变情况，从而找出产品设计中存在的问题，提高产品的抗冲击性能，但此方法用于松木家具受冲击载荷的仿真较少看到。

本研究采用LS-DYNA对松木椅进行瞬态分析，研究其在不同冲击高度、有无衬垫的冲击器作用下的动态响应。通过分析其应力应变云图，得到产生应力集中的危险区域，针对该区域，可以预先采取保护措施以避免实木椅的损坏[10]。该方法避免了传统冲击试验的破坏性，同时有助于家具设计人员设计出高抗冲击性的实木座椅，降低生产成本，增强实木椅的安全性与耐久性[9]。

1 材料与方法

1.1 产品与材料

该实木椅材质为兴安落叶松(Larixgmelinii)，平均含水率为14.2%，平均密度为0.774 g·cm-3。结合市场上实木座椅的常用尺寸，座椅尺寸取为：座面高420 mm、宽420 mm、深400 mm，椅腿的截面尺寸为35 mm×35 mm，总高860 mm。根据《GB/T 10357.3-2013椅凳类强度和耐久性》中有关座面冲击试验的规范，圆柱体、弹簧组件与球状表面的冲击头共同构成了座面冲击器。为便于研究，将冲击器加以简化(图1、图2)。其中圆柱体直径为200 mm；冲击头为半径100 mm的刚性圆形物体，其加载表面为球面，球面的曲率半径为300 mm，其周边倒圆半径为12 mm，整个座面冲击器的质量为25 kg[11]。衬垫为泡沫塑料，厚度为25 mm，密度为0.03 g·cm-3，各部件的材料参数见表1。

1.2 研究方法

有限元模型选择SOLID164实体单元，并把材质相对较硬的冲击器视为刚体，然后把座面冲击器置于指定高度，使其在重力作用下以1 m·s-1的初速度下落，冲击座面与椅背交点向前175 mm的部位。在模拟中忽略了冲击器在下落过程中的摩擦阻力，以便减少建模工作量与计算用时[14]。鉴于对精度和运算时间的考虑，本研究采用自由网格划分。模型各部分之间接触界面均采用面-面自动接触(ASTS)。模型1(无衬垫)(图1)共有72 624个单元、21 777个节点。模型2(有衬垫)(图2)共有74 976个单元、25 141个节点。

表1 材料参数[12-13]

图1 模型1(无衬垫)

图2 模型2(有衬垫)

2 结果与分析

2.1 冲击高度对座椅动态响应的影响

通过LS-PREPOST可以动态显示冲击器从下落到接触再到反弹的冲击过程，还可以结合动画控制区的按钮动态显示松木椅在冲击过程中不同时刻的应力变化过程。图3是松木椅在冲击作用下不同时刻的应力云图(h=0.14 m)，可以清晰地显示各个部位的应力大小，其中不同的颜色代表不同的应力值。由图3可知，应力大多集中在座面的受冲击区域以及望板与后腿的连接处。t=0.107 2 s时存在最大应力，值为82.506 7 MPa。

图3 不同时刻的Von Mises应力分布

通过LS-DYNA动画控制区的按钮还可以动态显示实木椅在冲击过程中的变形情况。图4所示是实木椅在0.105 6、0.107 2、0.112和0.16时刻的变形图(h=140 mm)。通过观察发现，座面在t=0.107 2 s时发生最大形变，最大变形量为3.444 45 mm。最大变形位置出现在座面的受撞击区域，后腿与望板连接处产生局部最大变形。

图4 各个时刻的变形图

同样可以得到冲击高度分别为180、240、300 mm时实木椅受到的最大应力与变形，具体结果见表2。结果表明，随着冲击高度的增加，实木椅受到的最大应力与最大形变量也越来越大。应力集中区域均分布在后腿与座面的结合处以及座面的受冲击处，具体情况如图5。

由应力应变图还可以看出，由于在座面的中心处以及望板与椅腿连接处等位置产生应力集中，该区域在使用过程中会最先发生破坏。所以在对实木椅进行结构设计时，处于应力集中区域的座面、后腿、望板以及横枨等部件的尺寸大小及其相互之间的连接方式需要特别注意，如根据不同的连接部位设计不同的榫卯结构，增加望板厚度等方式来提高实木椅结构的力学性能。另外，在应力集中的危险区域，可以预先采取保护措施，如在后腿与望板的连接处注胶加楔并用木螺丝固定等方法来增强此区域的安全性与牢固性；在实木椅使用过程中应尽量避免误用情况的发生，如尽量不要把脚放在横枨上，也不要站在横枨上从高处拿取物品，以防实木椅部件的突然失效破坏而使人们受到意外的伤害。

表2 不同高度的冲击仿真结果

图5 应力集中位置及其放大

2.2 衬垫对实木椅动态响应的影响

在冲击高度同为140 mm的条件下，比较座面有无衬垫时松木椅的应力应变情况。衬垫的长、宽、高分别为250 mm×200 mm×25 mm。以无衬垫时座椅的应力应变情况作参考，有衬垫时座椅的应力应变云图见图6。图6a是t=0.091 s时带有衬垫的座椅受到的最大Von Mises应力云图，图6b是t=0.0.091 s时带有衬垫的座椅受到的最大变形图。

比较有无衬垫时的效果图可以发现：有衬垫时，座椅的最大应力是41.685 5 MPa，最大形变量值为1.740 28 mm；无衬垫时的最大应力是82.506 7 MPa，最大形变量值为3.444 5 mm。最大等效应力与形变量值都有不同程度的下降，应力从82.506 7 MPa减小到41.685 5 MPa，最大形变量则从3.444 5 mm减小到1.740 28 mm。可见衬垫能显著减小冲击时冲击器上的惯性力和应力，减轻对实木椅的破坏作用。此外，衬垫还具有缓冲冲击的作用，在缓冲过程中能吸收冲击器大部分的冲击能，进而有效地分散座面所受到的冲击力，减轻对实木椅及其组件的破坏。

图6 带有衬垫的座椅受到的最大应力与最大变形图

3 结论与讨论

本研究对松木椅在冲击过程中的动态响应进行了分析，讨论了冲击高度和衬垫对实木椅受到的最大应力与最大变形的影响。

LS-DYNA模拟仿真具有传统试验无法比拟的优势。利用ANSYS LS-DYNA有限元法来模拟实木椅在偶然遇到的冲击载荷条件下所产生的冲击力，可以降低生产成本，避免传统冲击试验所造成的破坏与损失。通过分析还可以预先采取更多有效的保护措施以提高实木椅的抗冲击性，减少实木椅在日常使用时因意外冲击所造成的破坏，从而为实木家具的冲击模拟仿真试验提供有益的参考。

在座面冲击处及后腿与座面结合处会产生应力集中，需加强对此区域的保护。根据有限元仿真结果，随着冲击高度的增加，实木椅所受到的最大应力与最大变形量也相应增加，椅子也越容易损坏，并且在座面冲击处及后腿与座面结合处产生应力集中，形成了一个危险区域。这很容易使此区域中的实木椅部件发生结构松动、开裂、失效、变形等问题，进而影响座椅的正常使用。所以，在实际使用时，需要加强对此区域的保护。

衬垫有助于降低对座椅的冲击破坏。在座面上增加衬垫，不仅可以增强人体的舒适度，还可以有效地减小实木椅在冲击载荷作用下所受到的冲击破坏，并及时地吸收大部分冲击能，使实木椅所受的冲击破坏得到有效的减缓。

需要指出的是，本研究中的模型都进行了简化处理，因此上述结果仍具有一定的局限性。另外，还可进一步讨论利用ANSYS优化工具对实木椅的连接位置进行优化设计，如对处于应力集中区域的后腿与面板、横枨结合处的榫头加以尺寸优化，这样不但可以在相同条件下提高实木椅的承载力，还有利于提高其稳定性与安全性[15]。其次，本研究只考虑某一特定含水率下松木椅的应力应变情况，那么在此基础上，可以探究不同含水率、不同材质条件下实木椅的动态响应。本研究只考虑冲击高度、衬垫对松木椅的冲击作用，事实上，冲击初速度、实木椅各部件的连接方式乃至不同类型的网格划分方式都会对实木椅的冲击作用产生影响。本研究可以作为进一步探索有限元软件并结合田口试验法的家具结构稳健优化设计研究的基础[16-17]。

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