王科中，秦寶榮，王鄭興

(1.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310014)

(2.浙江恒林椅業(yè)股份有限公司，浙江安吉 313300)

辦公座椅五星腳優(yōu)化設(shè)計(jì)

王科中1，秦寶榮1，王鄭興2

(1.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310014)

(2.浙江恒林椅業(yè)股份有限公司，浙江安吉 313300)

建立辦公座椅五星腳的有限元分析模型，根據(jù)ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002，對(duì)五星腳的強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)開模后，五星腳樣品亦可通過椅腳靜壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，與仿真分析結(jié)果相符。該研究對(duì)進(jìn)一步縮短辦公椅研發(fā)周期具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

辦公座椅;五星腳;仿真分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

五星腳為辦公椅的重要組成部件之一，它的強(qiáng)度特性直接影響辦公椅的舒適性和使用壽命。椅腳按形狀可分為:五星腳、弓形腳［1］。目前國內(nèi)辦公椅廠家采用設(shè)計(jì)—樣件加工—試驗(yàn)—改進(jìn)設(shè)計(jì)的單一循環(huán)方法，設(shè)計(jì)成本高，開發(fā)周期長(zhǎng)。

本文設(shè)計(jì)一款辦公椅五星腳，由全鋁合金一體成型，表面鏡面拋光處理，輕巧，耐用耐腐蝕，通用尺寸［2］，可與各類高端辦公椅相匹配，并且采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間和費(fèi)用。

1 五星腳靜壓仿真分析［3］

1.1 五星腳三維模型的建立

本文所設(shè)計(jì)的五星腳三維模型由Solidworks建立，如圖1所示。五星腳由底座和腳輪構(gòu)成，底座由中心盤和由中心盤向外輻射的5個(gè)延伸臂連接構(gòu)成，任意一個(gè)延伸臂上均沿其長(zhǎng)度方向設(shè)置有插孔，腳輪插孔采用通用尺寸。五星腳的半徑為350mm，中孔直徑為5cm(所有氣桿中間部位直徑為5cm)。

圖1 五星腳模型圖

1.2 有限元模型計(jì)算

五星腳的材料選用鋁合金，密度為2 700kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為71GPa，屈服強(qiáng)度為276MPa，剪切模量為27GPa;中柱選用結(jié)構(gòu)鋼，密度為 7 850kg/m3，泊松比為 0.3，彈性模量為200GPa，屈 服 強(qiáng) 度 為 250MPa，剪 切 模 量 為76.9GPa［4］。

為了實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)等效，根據(jù)五星腳的實(shí)際受力情況施加載荷。由于五星腳平放于工作臺(tái)上，當(dāng)施加力時(shí)椅腳可作橫向移動(dòng)，故對(duì)五星腳的5個(gè)腳輪面施加位移約束［5］，載荷施加在中柱的上表面，大小為11 120N，方向豎直向下。載荷變化過程為:施加11 120N的力保壓1min，再除去力，重復(fù)兩次。五星腳受力曲線圖如圖2所示［6］。

圖2 五星腳受力曲線圖

五星腳承載過程中的應(yīng)變?nèi)鐖D3所示，最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.001 541 5，應(yīng)力如圖4所示，最大等效應(yīng)力為109.45MPa。

圖3 優(yōu)化前的等效應(yīng)變

圖4 優(yōu)化前的等效應(yīng)力

1.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

椅腳的寬度向內(nèi)縮進(jìn)3mm，去除多余材料。優(yōu)化后的模型網(wǎng)格劃分采用sizing10mm自由網(wǎng)格劃分15 271個(gè)節(jié)點(diǎn)、7 853個(gè)單元，加載條件與優(yōu)化前相同［8］，圖5和6分別為優(yōu)化后模型的應(yīng)力應(yīng)變分布圖。

由圖5和圖6可以看出，優(yōu)化后的五星腳模型所受最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?.002 662 4，最大等效應(yīng)力為 189.03MPa，小于鋁合金許用應(yīng)力210.5MPa，符合強(qiáng)度要求［9］。

圖5 優(yōu)化后的等效應(yīng)變

圖6 優(yōu)化后的等效應(yīng)力

整體向內(nèi)減少厚度3mm的模型，最大應(yīng)力符合強(qiáng)度要求，可以滿足廠方要求。體積降低比值為7.7%，見表1，降低了生產(chǎn)的材料成本。

表1 簡(jiǎn)化模型體積對(duì)比

2 五星腳的試驗(yàn)研究

五星腳三維模型確定之后，對(duì)其進(jìn)行模具投產(chǎn)。取開模后的第一批五星腳樣品進(jìn)行強(qiáng)度特性試驗(yàn)。

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參考ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002，此標(biāo)準(zhǔn)的作用是當(dāng)廠家、規(guī)格訂定者及使用者在評(píng)核一般用途辦公椅的安全性、耐用性以及結(jié)構(gòu)上的合理度時(shí)，能夠提供一些共同基準(zhǔn)。

2.1 試驗(yàn)裝置

拆去腳輪，而以方塊或支撐器代之，腳輪柄可作支撐用，方塊或者支撐器需要有足夠的高度，以免中柱在試驗(yàn)時(shí)接觸到試驗(yàn)平臺(tái)。將座位的支撐機(jī)械裝置以及高度調(diào)節(jié)裝置自底座拆出，把載荷加在垂直的中柱，或者是模擬錐形/底座連接面的試驗(yàn)裝置器。如圖7所示。

圖7 五星腳靜載測(cè)試

因?yàn)橹蔚鬃姆綁K或者支撐物擔(dān)任著類似原來腳輪的任務(wù)，不是去阻止試驗(yàn)時(shí)引起的偏斜或者橫向移動(dòng)，所以當(dāng)施加力時(shí)椅腳可作橫向移動(dòng)，而底座的中心可以作縱向移動(dòng)。

2.2 試驗(yàn)程序

施加11 120N(2 500ibf)的力并停留1min，除去力。施加第二次的11 120N(2 500ibf)的力并停留1min，除去荷載并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的可接受水平去評(píng)核該產(chǎn)品［10］。

2.3 可接受水平

底座結(jié)構(gòu)整體不應(yīng)出現(xiàn)突然或者重大的改變，而施加載荷時(shí)中柱不應(yīng)接觸到試驗(yàn)平臺(tái)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

按照以上測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)五星腳進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試載荷曲線如圖8所示。

圖8 五星腳測(cè)試荷載曲線圖

測(cè)試過程中，五星腳的整體結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)突然的改變。測(cè)試結(jié)束后，五星腳也沒有重大的變形，并且施加荷載的中柱也未接觸到試驗(yàn)平臺(tái)。綜上所述，五星腳通過測(cè)試，與前述的五星腳仿真分析結(jié)果相符，如圖9所示。

3 結(jié)束語

以五星腳設(shè)計(jì)為例，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行仿真測(cè)試，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將仿真測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果相符。本文驗(yàn)證了仿真分析的可靠性，對(duì)進(jìn)一步縮短開發(fā)辦公椅研發(fā)周期具有良好的工程實(shí)用價(jià)值。

圖9 五星腳測(cè)試圖

［1］彭亮，張響三.論椅子設(shè)計(jì)的多樣性［J］.家具，2002(1):16－18.

［2］彭亮，胡景初.家具設(shè)計(jì)與工藝［M］.北京:高等教育出版社，2003:42－43.

［3］張杰.用ANSYS有限元軟件對(duì)椅子的變形和應(yīng)力情況進(jìn)行分析［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2008:33－34.

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The Optimization Design of Office Chair with Five－star Support

WANG Kezhong1，QIN Baoron1，WANG Zhengxing2
(1.Zhejiang University of Technology，Zhejiang Hangzhou，310014，China)
(2.Zhejiang Henglin Chair Industry Co.Ltd.，Zhejiang Anji，313300，China)

It establishes the CAE model of chair and analyzes the strength on ANSI_BIFMA_X5.1.1_2002.It shows the mold of the chair and simulates the sample of the chair for static load test，analyzes the simulating result of experiment conforms.The analysis and optimzation design is useful for reducing the period of the office chair development.

Office Base;Simulation;Optimization

TP311

A

2095－509X(2013)11－0084－03

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.021

2012－08－06

王科中(1988—)，男，浙江舟山人，浙江工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、辦公椅機(jī)構(gòu)方面的研究。