不同结点形式下黄荆木重组材T 型构件的抗拔力与有限元分析

奚茜，杨洋，张仲凤

（中南林业科技大学，湖南省绿色家居工程技术研究中心，长沙 410004）

黄荆（Vitex negundoL.）属于落叶速生灌木，分布广泛，有很强的再生能力，资源丰富［1］，但是长期以来，人们未重视黄荆的开发利用，导致黄荆资源的严重浪费。澳大利亚是较早开始研究重组材的，早在20 世纪70 年代，他们将边角料，如枝桠材、小径材及制材边角料等作为原材料，以特殊的碾压疏解工艺，使材料形成网状结构的木束，并以其为基本单元，配以胶黏剂制造新型人造实体木材——重组木［2］。我国重组木的研究经历了20 多年的发展，研究者不断改进重组木的制造工艺和流程。当前，重组木已进入工业化生产阶段，可与国际接轨，为重组木的进一步研究奠定了基础［3-4］。

家具产品的结点接合方式及接合强度决定了产品的功能与价值。在材料强度一定的情况下，结点的形式与接合强度对家具的安全性具有直接影响。正确选择结点形式和接合方式，合理提升结点强度，不仅能降低材料浪费，还能保证家具产品的正常使用［5］。

黄荆木重组材作为可以提高木材使用效率的新型木质材料［6］，其家具结点强度的研究十分重要。黄荆木重组材制备不易，材料有限，在其物理力学性能测试试验中耗材量大。ABAQUS 是世界上较先进的大型通用有限元分析软件之一，可以模拟出各种几何形状，其拥有的材料模型库可以模拟出大多数典型工程材料的性能。本研究以黄荆木重组材为原料，使用ABAQUS 软件对黄荆木重组材制备的3 种典型家具结点形式的T 型构件抗拔力进行分析，并与试验结果进行对比，探讨有限元软件在黄荆木重组材家具结点性能测试中运用的可行性，为黄荆木重组材家具设计提供理论基础和数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄荆木重组材（400 mm×400 mm×18 mm）、双圆榫、三合一连接件、自攻螺钉。

1.2 试验方法

试验选用T 型构件，对其进行抗拔力测试［7-8］。采用板式家具常用接合方式：双圆榫接合、三合一连接件接合、自攻螺钉接合。装配试件时，只在圆榫外表面与榫孔的内壁涂一层较薄的白乳胶，装配后有少量胶液被挤出。在实验室陈放7 d 后用万能力学试验机测定抗拔力，以得到极限破坏载荷［9］。

设定万能力学试验机的加载速度为10 mm/min，当试件分离掉落时，试验结束。为减少试验误差，每组试验重复6 次，并记录黄荆木重组材T 型构件抗拔力的相关破坏载荷，结果取均值，载荷测试的精度为0.01 N［10-12］。试件固定示意图如图1所示。

图1 试件固定示意图Fig.1 Fixed schematic diagram of specimen

1.3 有限元分析

运用传统家具结点性能检测方法进行试验时，对材料消耗较大［13-15］。因此，采用有限元软件对模型施加载荷，分析模型产生的应力与应变，从而得到黄荆木重组材T 型构件的抗拔力［16-17］。以有限元软件对家具结构的力学分析步骤如图2 所示。

1.3.1 建立模型

黄荆木重组材板材尺寸为150 mm×50 mm×18 mm，运用ABAQUS 有限元软件自身的建模功能进行几何建模。模型尺寸如图3 所示，模型如图4 所示。为确保ABAQUS 软件分析结果与试验结果的差距不受模型尺寸的影响，模型与试件必须保持一致。

图2 ABAQUS 软件分析过程Fig.2 Analysis process of ABAQUS

图3 T 型构件模型尺寸Fig.3 Model size of T⁃type components

图4 抗拔试件模型Fig.4 Pull⁃out test piece model

1.3.2 设置材料参数

在进行软件分析的过程中需要根据分析模型的性质，确立单元的形态和几何尺寸等相关单元参数，正确选择单元类型。在进行黄荆木重组材家具结点有限元分析前，需要考虑重组木纵向和横向的力学性能差异。根据前期试验所得到的各弹性模量和泊松比，正确定义不同方向的材料性能参数［18］。参照木材3 个方向参数，E1＝E2＝12 750.35 MPa（横向）；E3＝88 716.00 MPa（纵向）。黄荆木重组材材料性能参数如表1 所示。

表1 黄荆木重组材材料性能参数Table 1 Material performance parameters of Vitex negundo scrimber

1.3.3 网格划分

在对试件模型进行网格划分前，须对其进行布尔运算，才能使各零件相互间传递约束和载荷。在确定材料的属性后，对模型进行网格划分，生成节点和单元［16］。网格划分如图5 所示。

图5 模型网格划分Fig.5 Mesh dividing of the model

1.3.4 加载并求解

根据黄荆木重组材T 型构件的情况，对试件模型进行约束条件方面的定义，对垂直板件（与地面垂直）的底部进行约束。针对分析的不同对象，对横向板件（与地面平行）施加向右的载荷。在完成设置后进行求解。

2 结果与分析

2.1 黄荆木重组材T 型构件抗拔力分析

黄荆木重组材3 种接合方式下的抗拔力如图6 所示。双圆榫接合、三合一连接件接合、自攻螺钉接合各6 组抗拔力试验结果的标准差分别为9.65，9.43 和12.47。

图6 3 种接合方式下的抗拔力Fig.6 Pull⁃out resistances under three bonding modes

从图6 可以看出，自攻螺钉接合抗拔力比双圆榫接合抗拔力高503.72 N，三合一连接件接合抗拔力最小，分别比自攻螺钉接合抗拔力和双圆榫接合抗拔力小了67.9%和46.4%。

2.2 黄荆木重组材T 型构件抗拔力有限元分析

ABAQUS 求解过程结束后，进入后处理阶段。查看输出应力、应变图形和变形情况，导出载荷与位移曲线图，并对其进行分析。

2.2.1 双圆榫接合

采用双圆榫接合的黄荆木重组材T 型构件横向板件拉力与位移曲线如图7a 所示，双圆榫拔出达到最大力的拉力云图如图7b 所示。

从图7a 可以看出，在位移未达到0.16 mm 时，拉力迅速增大，拉力与位移成正比。当横向板件被拉出0.16 mm 时，拉力最大，为602.88 N。此后，拉力随着位移的增加而减小，拉力与位移成反比，此时，横向板件逐渐被拔出。当位移为20.06 mm 时，横向板件与双圆榫完全分离。从图7b 可以看出，拉力最大时，横向板件被拔出，与双圆榫分离。垂直板件的榫眼与双圆榫产生的摩擦力大于横向板件的榫眼与双圆榫产生的摩擦力。由于圆榫纤维方向与横向板件纤维方向平行，与垂直板件纤维方向垂直，垂直板件上的榫眼与圆榫的摩擦力大于横向板件榫眼与圆榫的摩擦力。

2.2.2 自攻螺钉接合

采用自攻螺钉接合的黄荆木重组材T 型构件的横向板件端部拉力与位移曲线如图8a 所示，自攻螺钉拔出达到最大力的拉力云图如图8b 所示。

图8 自攻螺钉接合下的曲线图和云图Fig.8 Curve and cloud maps under self tapping screw joint

从图8a 可以看出，在位移未达到4.72 mm 时，拉力迅速增大，拉力与位移成正比。当横向板件被拉出4.72 mm 时，拉力达到第一个波峰，此时拉力为1 243.35 N，随后拉力开始下降，至1 155.25 N后再次反弹；当横向板件被拉出7.92 mm 时，拉力达到最大值，为1 257.52 N。此后，拉力曲线呈波浪状下降趋势，横向板件逐渐被拔出，自攻螺钉自身固有的齿痕导致曲线出现波浪纹。当位移为15.27 mm 时，横向板件与自攻螺钉完全分离。从图8b 可以看出，拉力最大时，横向板件被拔出，与自攻螺钉分离，自攻螺钉与垂直板件相连且不分离。因此，在横向板件向右拔出时，横向板件逐渐与自攻螺钉分离，此时产生的摩擦力大于自攻螺钉与垂直板件孔洞内壁产生的摩擦力。

2.2.3 三合一连接件接合

采用三合一连接件接合的黄荆木重组材T 型构件横向板件端部拉力与位移曲线如图9a 所示，三合一连接件拔出达到最大力的拉力云图如图9b 所示。

图9 三合一连接件接合下的曲线图和云图Fig.9 Curve and cloud maps under three⁃in⁃one connector joint

从图9a 可以看出，在位移未达到4.74 mm 时，拉力迅速增大，拉力与位移成正比。当横向板件被拉出4.74 mm 时，拉力达到最大值，为576.21 N。此后，拉力随着位移的增加而减小，当拉力减小至521.05 N 时，拉力开始再次增大，出现第二个波峰，此时横向板件逐渐被拔出，拉力随位移的增大而减小。当位移为9.78 mm 时，预埋螺母基本被拔出，拉力迅速下降。由于预埋螺母长度为10 mm 左右，当位移为10.10 mm 时，垂直板件与三合一连接件的预埋螺母完全分离。从图9b 可以看出，当横向板件拔出方向的拉力大于预埋螺母与垂直板件孔眼的摩擦力时，预埋螺母被拔出，与垂直板件分离，此时拉力最大。

图10 T 型构件试验与有限元分析结果对比Fig.10 Comparison of test results and ABAQUS analysis of T⁃type components

2.3 分析结果对比

黄荆木重组材3 种接合方式下的抗拔力对比如图10 所示，黄荆木重组材T 型构件试验与有限元分析结果线型回归图如图11 所示。

图11 T 型构件试验与有限元分析结果线型回归Fig.11 Linear regression of test results and ABAQUS analysis of T⁃type components

由图10 可看出，在黄荆木重组材T 型构件试验与有限元分析中，3 种接合方式下T 型构件的抗拔力和拉力排序均为：自攻螺钉接合＞双圆榫接合＞三合一连接件接合。

将黄荆木重组材T 型构件试验与有限元分析结果进行线型回归分析发现，线性回归方程为y＝0.854 8x＋131.2，决 定 系数R2＝0.848 7，即有84.87% 的数据符合方程。对于给定的显著水平a值（0.10），通过对相关系数的检验，R＝0.921 2 ＞0.900 0，大于临界值，说明黄荆木重组材T 型构件试验的抗拔力与ABAQUS 有限元分析中的拉力具有相关性，即有相同趋势。

3 结论

在黄荆木重组材家具结点抗拔力试验中，选取双圆榫接合、三合一连接件接合、自攻螺钉接合3种接合方式，通过试验与有限元软件对3 种接合方式下的黄荆木重组材T 型构件的抗拔力和拉力进行了分析，并将结果进行线型回归分析后发现，黄荆木重组材T 型构件试验的抗拔力与ABAQUS 有限元分析中的拉力具有相同趋势；两种分析结果得出的3 种接合方式下T 型构件抗拔力和拉力的排序均为：自攻螺钉接合＞双圆榫接合＞三合一连接件接合。通过黄荆木重组材T 型构件抗拔力试验与有限元软件分析可知，有限元软件可以应用于黄荆木重组材家具结点测试，为黄荆木重组材家具设计提供理论基础和数据参考。