多功能楼梯椅的设计及关键部件受力分析

姜德龙 刘海庆

摘要：本文通过介绍一种多功能楼梯椅的结构和使用条件，为以后设计适应我国小户型家庭家具提供理论依据。针对楼梯椅的椅子和梯子两种形态，分别在座位和台阶位置施加2000N的垂向压力，经有限元受力分析可得，椅子和梯子所受最大应力分别为1.5Mpa和3.9Mpa，从静力學角度分析，多功能楼梯椅的两种形态完全符合使用要求。

关键词：楼梯椅；一具多用；有限元；受力分析

引言

伴随我国房地产产业的不断发展，近年来多地出现“高房价，高供给”现象，然而许多外出打工的群体以及当地的工薪阶层，为满足住宅需求[1]，大多数人选择小户型或者迷你户型的住宅，这样的户型价格相对便宜，结构简单，易于装修[2]。为了促进我国房地产产业发展和满足人们对住宅的需求，国务院在2006年5月7日，颁布《国务院关于促进房地产产业健康发展的六条意见》，意见中明确指出“套型建筑面积90%以下的住宅面积占比重必须达到开发建筑总面积70%以上”，可见小户型房产政策将成为以后的发展方向[3]。然而，窄小的居住空间内，不仅要有家庭成员基本活动的空间，还要满足家庭内各式各样家具的摆放。据统计，大部分家庭空间内，家具占有57%左右的面积。而且目前国家开放二胎政策，家庭成员不断增多的同时，使用的必需品和工具也越来越多。

综上所述，对于小户型有限空间内，如果一个工具不仅仅具有自己的功能，而且还能实现一具两用或一具多用，可减少家具在整个小户型家庭空间内占比。多功能楼梯椅就是这样一个集椅子、梯子和置物架于一体的工具。

1.总体方案

日常生活中，我们经常会将物品放在房间的高处，但是取物品时常常要用到梯子，但是梯子也就仅仅在拿高处物品时才能发挥用处。一般的家庭内都会用到椅子，但是一般家庭只准备家庭本人口数的椅子，如果有客人来，日常的椅子就不能满足需要。如果有一个家具，在闲置时可以当做置物架，摆放书本、花卉、玩偶等。将它折叠起来，可以招待客人，当椅子使用，展开时可以当梯子使用。楼梯椅就是这样一个，兼具椅子、梯子和置物架作用的家具。

1.1整体结构

多功能楼梯椅主要由底座、椅背、转动轴和缓冲装置等组成。结构如图1所示。其中，底座作为整个系统的主要承重装置，利用四个支撑腿，起平衡支撑作用，椅背可以分为上下两个部分，上半部分为类似椅子结构，下半部分与底座的斜腿形成统一角度进行契合，共同起支撑作用。转动轴连接椅背和底座，缓冲装置起保护作用[4]。

1.2工作原理

多功能楼梯椅可以实现两种形态。当作为椅子使用时，底座的四个支撑腿平稳接触地面，支撑腿的前半部分与地面成45°，可以增加结构整体的稳定性，也可以在当梯子使用时增加斜向摩擦力，起防滑作用。四个支撑腿的上部连接一平板，此平板作椅子使用时，隐藏在结构内。椅背可分为上下两个部分，上部分具有椅子的结构，可以供人休息，下半部分有一对支撑腿与底座的支撑腿与地面形成相同角度并契合，增加结构的负重能力，支撑腿之间连接一隐藏平板，如图2（a）所示。当作为梯子使用时，要将整个结构的椅背部分绕转动轴进行180°翻转，椅背在转动轴位置，与底座连接处具有一定弧度，可以随意进行旋转，在转动轴位置具有缓冲装置，可以减轻椅背与底座的碰撞。翻转之后，之前作为椅背使用的部分达到地面，作为支撑部件使用。原来椅背坐垫位置的背面，作为梯子的第二个台阶使用，而与底座前腿契合的支撑腿之间的隐藏平板作为第三个台阶使用，如图2（b）所示。

1.3有限元建模

应用ANSYS bench软件对楼梯椅的两种形态进行结构特性和受力分析，通过施加具体数值载荷，进行整体网格划分和有限元分析，确定楼梯椅工作过程的受力情况，为以后提高结构合理性和延长使用寿命提供依据。

1.3.1 材料属性

楼梯椅使用材料为三合板，其性质为：密度为0.6×103kg/m3，弹性模量为15GPa，泊松比为0.27。

1.3.2有限元分析

首先应用三维软件UG建立楼梯椅的三维几何模型。针对楼梯椅的两种形态进行受力分析。根据计算需要，对椅子的台阶和座椅位置进行了倒圆角处理。应用hypermesh软件进行网格划分，网格划分的优劣对模型受力分析有很大影响。本模型采用四面体实体网格划分，网格平均尺寸为10mm，共有121886个单元。

在workbench中整个模型加载重量加速度，三个零件之间设置面面接触，在座椅底部用刚性平面模拟地面，设置地面与零件之间的接触，所以接触的摩擦系数为0.3。针对座椅及梯子两种状态，椅子形态受到主要载荷为作用在座位上，梯子形态受到的主要载荷作用在最高阶台阶处，分别施加2000N的垂向力。

（1）楼梯椅椅子形态有限元分析

经求解得到位移云图和应力云图，如图3所示。通过分析可得，楼梯椅状态位移云最大为0.23mm，最大应力为1.55Mpa。由应力分析图可知，椅子最大应力出现在椅背座位下端的支撑腿位置，由于材料最大应力为15Gpa，所以从静强度观点来看，楼梯椅的结构完全满足实际使用要求。

（2）楼梯椅楼梯形态有限元分析

经求解得到位移云图和应力云图，如图4所示。

通过分析可得，楼梯椅状态位移云最大为0.31mm，最大应力为3.9Mpa。由应力分析图可知，楼梯椅最大应力，与椅子形态相同，同样出现在第三阶台阶下端的支撑腿位置，材料最大应力为15Gpa，所以从静强度观点来看，楼梯椅的结构完全满足实际使用要求。

参考文献：

[1]黄薇.小户型住宅的实用与舒适的设计探讨[J].家具与室内装修.2013（5）：15

[2]陈熙.系统化视角下的小户型住宅家具设计研究[J].包装工程.2015，36（22）：112-115

[3]雷鸣.论扩展小户型家居的产品创新设计[J].包装工程.2014，35（22）：37-40

[4]韩宝泰.一种折叠楼梯椅：中国，201520606657.2[P].2015-08-13

作者简介：

姜德龙（1989-），男，辽宁省大连市人，硕士，研究方向：农业机械化工程。

项目名称：

2017年云浮市科技计划项目”罗竹“星创天地空间平台（项目编号201702-7）；2018年广东大学生科技创新培育专项资金项目（攀登计划专项）（项目编号pdjhb0939）多功能楼梯椅