文/張小吉

沙發(fā)的舒適感來自軟質材料的支撐。其軟質材料按功能分為兩種：一種提供柔軟度，如包覆物中的發(fā)泡橡膠或其他軟性材料；另一種提供彈性支撐，如座框中所設置的蛇簧、彈簧或彈性繩。目前，市場上使用較廣且技術較成熟的沙發(fā)結構為配置多條蛇簧的一體化式座框（見圖1）。蛇簧的母線結構形式分為3種：平狀、弓狀和圓弧狀，峰形結構分為兩種：矩形和圓形。

圖1 蛇簧座框結構示意圖

行業(yè)標準《軟體家具 沙發(fā)》（QB/T 1952.1-2012）第5.5條對于沙發(fā)耐久性檢驗項目規(guī)定如下：“經各相應等級測試后，沙發(fā)座、背及扶手的面料應完好無損，面料縫紉處無脫線或開裂，墊料無移位或破損，彈簧無傾斜、無松動或斷簧，繃帶無斷裂損壞或松動，骨架無永久性松動或斷裂?！蹦壳?，在耐久性測試中，蛇簧斷裂是主要的產品損壞形式，制造企業(yè)的解決辦法是：在現(xiàn)有結構基礎上增加多條蛇簧，以分散其下壓力產生的壓強，從而減少每條蛇簧的應力。但此種方式會增加企業(yè)成本。已有的相關研究有：張琳[1]等人對沙發(fā)彈簧坐墊結構進行了研究，以期得到座框的力學模型，為力學模型分析提供一些理論支持。王麒宇[2]等人利用有限元橫梁模型搭載了一個立體的沙發(fā)框架，研究出了一種搭建沙發(fā)框架的簡易方法。本文結合前人研究，嘗試使用有限元分析技術來比較不同峰形的平狀蛇簧在相同壓下量作用下的受力情況，從而為沙發(fā)設計、蛇簧的制作和使用過程提供參考。

一、蛇簧模型與相關尺寸

本文研究的蛇簧是在國內沙發(fā)設計與制造過程中被廣泛采用的平狀圓形等節(jié)距蛇簧與平狀矩形等節(jié)距蛇簧。為便于比較，本文中所選的模型總長均為550 mm，彈簧橫截面均為直徑3.50 mm的圓形，節(jié)距均為22 mm，峰高均為37 mm，具體參數(shù)見圖2和圖3。

圖2 平狀圓形等節(jié)距蛇簧模型與尺寸/mm

圖3 平狀矩形等節(jié)距蛇簧模型與尺寸/mm

二、分析過程

1. 設置材料參數(shù)

結合《冷拉碳素彈簧鋼絲》（GB/T 4357-2009）的要求，彈簧材料設定為冷拉碳素彈簧鋼絲，該種材料的物理參數(shù)為：彈性模量為201 GPa，泊松比為0.29，屈服極限為350 MPa[3]。

2. 邊界條件和載荷條件

邊界條件：蛇簧與框架通過彈簧扣連接（見圖4）。在有限元分析中，模型兩端的直線段分別約束3個方向的平動自由度和2個方向的轉動自由度，即UX= 0，UY= 0，UZ= 0，ROTY= 0，ROTZ= 0。

圖4 蛇簧與框架連接示意圖

載荷條件：模型模擬實際使用過程中的工況，假設兩種蛇簧分別受到相同的位移壓下量UZ= –100 mm，作用位置為蛇簧長度方向中點處。

3. 結果分析

① 軸向力分布云圖的比較

在仿真ANSYS軟件中進行有限元分析來評估相關模型，其材料性能參數(shù)需符合上述材料物理參數(shù)的規(guī)定，其加載邊界條件與載荷條件需符合上述邊界和載荷條件的規(guī)定，以獲得其軸向力部分的力分布云圖。圖5為平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。圖6為平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。

當平狀圓形等節(jié)距蛇簧中間位置受到的壓下量為100 mm時，其最大軸向力為290 N，最大軸向應力為：σ=F/S=290/[π×（0.0035/2）2] =30.1 MPa，其中S為蛇簧截面積。

軸向應力分布詳見圖5–a。與受力方向平行的區(qū)域軸向應力最大，后逐步減少至受力方向垂直的蛇簧部分，軸向應力較大的位置主要位于平狀圓形等節(jié)距蛇簧弧形段的峰頂處（見圖5–b）。

圖5 平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

當平狀矩形等節(jié)距蛇簧中間位置受到相同的壓下量時，其最大軸向力為207 N，最大軸向應力為：σ=F/S=207/[π×（0.0035/2）2] =21.5 MPa。

軸向應力較大的位置主要位于平狀矩形等節(jié)距蛇簧與受力方向平行的區(qū)域處，并且蛇簧與該部分的軸向應力趨于均勻一致（見圖6–b）。

圖6 平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

上述兩種情況說明，在相同壓下量為100 mm時，平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的軸向應力最大值較平狀圓形等節(jié)距蛇簧小，且最大應力位置均出現(xiàn)在與受力方向平行的區(qū)域中，兩種蛇簧結構相較而言，平狀矩形等節(jié)距蛇簧抗拉能力更優(yōu)。在對軸向力分布云圖進行比較時，我們可觀察到，軸向力分布范圍均集中在蛇簧與拉力方向平行的區(qū)域，平狀矩形等節(jié)距蛇簧與平狀圓形等節(jié)距蛇簧相比，平行于受力方向的受力長度之和較大，故平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的軸向應力最大值較平狀圓形等節(jié)距蛇簧小。

② 剪切力分布云圖的比較

圖7為平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。圖8為平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。

圖7 平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

圖8 平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

當平狀圓形等節(jié)距蛇簧中間位置受到的壓下量為100 mm時，其最大剪切力為474 N，最大截面剪切應力σ =F/S =474/[π×（0.0035/2）2] =49.3 MPa。剪切應力較大的位置主要位于平狀圓形等節(jié)距蛇簧弧形段過渡到直線段的區(qū)域（見圖 7–b）。

在相同壓下量的情況下，平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的最大剪切力為829 N，最大截面剪切應力σ = F/S =829/[π×（0.0035/2）2] =86.2 MPa。剪切應力較大的位置主要位于平狀矩形等節(jié)距蛇簧的圓角區(qū)域（見圖8–b）。

在相同壓下量為100 mm的情況下，平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的剪切應力最大，是平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受剪切應力的1.75倍。在剪切應力分析中，平狀矩形等節(jié)距蛇簧相比平狀圓形等節(jié)距蛇簧在轉角處容易造成應力集中，也更容易造成失效。剪切應力集中產生的原因多數(shù)由受力物體的形狀所導致，平狀矩形等節(jié)距蛇簧在使用時，應特別注意彎角處剪切應力較大的問題。

三、結 論

本文主要分析了平狀圓形等節(jié)距蛇簧和平狀矩形等節(jié)距蛇簧在相同壓下量100 mm情況下的受力分布，最后得出：兩種不同結構的平狀等節(jié)距蛇簧在相同壓下量時，所受軸向應力和剪切應力的情況存在一定差異；兩種不同結構的平狀等節(jié)距蛇簧在相同的直徑下，剪切應力和軸向應力此消彼長。相關人員需結合不同的設計、工況選取不同形狀的蛇簧，從而增加沙發(fā)產品類家具的使用壽命。