基于有限元法的实木框架式家具结构力学研究
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摘要
实木框架式家具在我国有悠久的传统,在当前的家具行业中仍占有重要地位。但目前我国实木家具的结构设计仍以经验类比和简单计算为主,家具力学性能的检测也主要以整体破坏性试验为主要手段。国内有关家具结构力学性能的研究少且不系统,没有形成完整的设计理论,不能为家具的结构设计提供科学、高效、定量的方法。
本论文将有限元法引入家具的结构力学研究,研究探讨了计算机有限元模拟分析应用于家具结构设计与力学性能测定的理论基础、系统构建和具体方法。
论文采用了试验测试、数学建模、计算机数值模拟、类比、个案研究等研究方法,将家具结构力学及有限元理论、家具材料性能、家具三维实体模型建立、计算机模拟测定分析等几个方面作为一个整体进行系统研究。以中国传统椅凳、桌案、柜架类三种家具类型中的典型家具为研究对象,建立家具三维实体模型,并利用ANSYS有限元分析软件进行家具力学性能的模拟分析测定,提出了家具结构计算机辅助优化设计系统集成软件的构建思路与系统组成。研究得出如下结论：
(1)论文采用电测法和静态三点弯曲法对18种硬木的各项弹性常数和力学强度进行了试验测定,所得结果数值能较准确反映木材性能。材料的弹性模量、泊松比和密度是利用计算机有限元模拟计算分析进行家具结构设计与力学性能测定的基础。
(2)论文对中国传统实木框架式家具中椅凳、桌案和柜架类三类家具的构件构成形式与构成关系进行了归类研究；对上述三类家具使用中的受力情况进行了分类研究,为家具实体模型的建立提供依据。
(3)确立了实体模型建模的基本思路和简化原则：a.保证家具主体框架结构及尺度与真实体的一致性；b.简化或隐去对结构强度贡献不大或无直接关联的造型及装饰元素；c.保留形制较为固定的典型构件的主要特征。
(4)论文以椅凳、桌案和柜架类的数件典型家具为研究对象,对各类家具针对不同构件不同方向施加静载荷,得到了家具变形及应力应变的结果。分析过程和所得结果都证明了计算机有限元模拟计算分析对于家具结构力学设计与测定是可行且适用的。并在此研究基础上提出了家具结构计算机辅助优化设计系统集成软件构建的基本思想和系统组成。
论文将家具结构力学、有限元理论、家具材料性能、计算机建模及模拟计算分析等几个研究领域集合为一个整体进行系统研究,以系统化、定量化为基础,为家具结构力学的研究提供了新的研究方法和发展方向。
Solid-wood-framework furniture has a long history in China. Up to the present, it still occupies an important position in the furniture industry. However, the current structural design still mainly relies on experienced analogy and simple calculation. Also, the main method of furniture mechanics capability testing is the integral destructive experimentation. Only a few researches concern structural mechanics capability and those researches do not bring integrated designing theories, so that they can not provide scientific, efficient and quantificational methods for furniture structural mechanics design. The theory of FEM (Finite Element Method) was introduced to furniture structural design in this thesis. The theoretical foundation, system construction and concrete method that concern structural mechanics were explored and computer finite element simulation analysis was applied in this research. Simulated analysis and calculation of furniture mechanics capability were done through ANSYS t finite element analyzing software. Also, the building thoughts and components of computer aided design system that concerns furniture structure mechanics were put forward in this thesis. On the basis of these researches, it can conclude as follows:
(1) Elastic constants and mechanical property of 18 species wood were tested in this research. These parameters of material are the basis of computer simulated calculation through FEM.
(2) Classification research on furniture member forms of Chairs, Tables and Cabinets of Chinese traditional were made in this thesis and the results are the foundation of building solid models.
(3) The basic ideas and simplifying principles of building solid models were established in this thesis, which can ensure the rationality and veracity of building 3D solid furniture models.
(4) Through analyzing research objects with the method of computer finite element simulated
calculation. it proves that FEM and the ANSYS software are applicable to the furniture structural mechanics design and determination. This thesis firstly integrates kinds of researching fields as a whole system research, such as furniture material capability, structural mechanics, FEM, computer modeling, simulated calculation and analysis. It is a kind of crossover study and frontier research. Based on systematic and quantitative researches, this thesis provides a new research method and developing direction for furniture structural mechanics design.
本论文将有限元法引入家具的结构力学研究,研究探讨了计算机有限元模拟分析应用于家具结构设计与力学性能测定的理论基础、系统构建和具体方法。
论文采用了试验测试、数学建模、计算机数值模拟、类比、个案研究等研究方法,将家具结构力学及有限元理论、家具材料性能、家具三维实体模型建立、计算机模拟测定分析等几个方面作为一个整体进行系统研究。以中国传统椅凳、桌案、柜架类三种家具类型中的典型家具为研究对象,建立家具三维实体模型,并利用ANSYS有限元分析软件进行家具力学性能的模拟分析测定,提出了家具结构计算机辅助优化设计系统集成软件的构建思路与系统组成。研究得出如下结论：
(1)论文采用电测法和静态三点弯曲法对18种硬木的各项弹性常数和力学强度进行了试验测定,所得结果数值能较准确反映木材性能。材料的弹性模量、泊松比和密度是利用计算机有限元模拟计算分析进行家具结构设计与力学性能测定的基础。
(2)论文对中国传统实木框架式家具中椅凳、桌案和柜架类三类家具的构件构成形式与构成关系进行了归类研究；对上述三类家具使用中的受力情况进行了分类研究,为家具实体模型的建立提供依据。
(3)确立了实体模型建模的基本思路和简化原则：a.保证家具主体框架结构及尺度与真实体的一致性；b.简化或隐去对结构强度贡献不大或无直接关联的造型及装饰元素；c.保留形制较为固定的典型构件的主要特征。
(4)论文以椅凳、桌案和柜架类的数件典型家具为研究对象,对各类家具针对不同构件不同方向施加静载荷,得到了家具变形及应力应变的结果。分析过程和所得结果都证明了计算机有限元模拟计算分析对于家具结构力学设计与测定是可行且适用的。并在此研究基础上提出了家具结构计算机辅助优化设计系统集成软件构建的基本思想和系统组成。
论文将家具结构力学、有限元理论、家具材料性能、计算机建模及模拟计算分析等几个研究领域集合为一个整体进行系统研究,以系统化、定量化为基础,为家具结构力学的研究提供了新的研究方法和发展方向。
Solid-wood-framework furniture has a long history in China. Up to the present, it still occupies an important position in the furniture industry. However, the current structural design still mainly relies on experienced analogy and simple calculation. Also, the main method of furniture mechanics capability testing is the integral destructive experimentation. Only a few researches concern structural mechanics capability and those researches do not bring integrated designing theories, so that they can not provide scientific, efficient and quantificational methods for furniture structural mechanics design. The theory of FEM (Finite Element Method) was introduced to furniture structural design in this thesis. The theoretical foundation, system construction and concrete method that concern structural mechanics were explored and computer finite element simulation analysis was applied in this research. Simulated analysis and calculation of furniture mechanics capability were done through ANSYS t finite element analyzing software. Also, the building thoughts and components of computer aided design system that concerns furniture structure mechanics were put forward in this thesis. On the basis of these researches, it can conclude as follows:
(1) Elastic constants and mechanical property of 18 species wood were tested in this research. These parameters of material are the basis of computer simulated calculation through FEM.
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引文
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