【摘 要】
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竹展平集成材作为一种以竹展平板为基材的新型的竹集成材,能够保留竹材的物理性能和天然纹理,可实现材料的最大化利用,在家具制造行业中有较大的发展空间。但当前其应用仍然局限于厨具和装饰面板。折叠家具有收纳空间小、便于携带的特性,市场前景较为广阔,其中折叠桌椅的使用频率较高、也较受欢迎。但其对折合结点有较高的强度要求,因此多用金属、硬木等材料。本文基于对竹展平集成材物理属性和设计属性的探索,根据折叠结构的
【基金项目】
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“家具绿色设计与智造湖南省研究生培养创新基地[湘教通(2018)520号]”;
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竹展平集成材作为一种以竹展平板为基材的新型的竹集成材,能够保留竹材的物理性能和天然纹理,可实现材料的最大化利用,在家具制造行业中有较大的发展空间。但当前其应用仍然局限于厨具和装饰面板。折叠家具有收纳空间小、便于携带的特性,市场前景较为广阔,其中折叠桌椅的使用频率较高、也较受欢迎。但其对折合结点有较高的强度要求,因此多用金属、硬木等材料。本文基于对竹展平集成材物理属性和设计属性的探索,根据折叠结构的分类与折合原理,通过结构设计进行竹展平集成材折叠桌椅设计,利用有限元软件对折叠家具进行静力学分析及构件尺寸优化,并通过模型验证评价设计方案的可行性。本文的主要研究内容及成果如下:(1)通过对以单层竹展平板为原料制作的竹展平集成材的力学性能进行测试,发现其抗压弹性模量、剪切模量、泊松比3种弹性参数与竹片集成材接近。同时,拉伸强度(138.52 MPa)、压缩强度(62.71 MPa)、剪切强度(16.44 MPa)、正面握螺钉力(4297 N)、抗弯强度(133.61 MPa)等性能较好;干态和湿态胶合强度平均值分别达到10.53 MPa、9.07 MPa,满足折叠家具的性能要求。以此作为材料属性的评价指标,并为折叠家具方案设计、有限元分析和减量化处理提供基础数据。(2)基于折叠结构与材料属性,以使用环境为设计定位,从折叠结构类型与折合原理出发,进行折叠家具的结构设计,从而设计了具有不同折叠程度的竹展平集成材桌椅。(3)利用有限元软件对竹展平集成材折叠椅进行静力学分析。结果表明:当座面单独受力时最大等效应力为82.7 MPa,安全系数为2.84>1,可以进行构件尺寸优化。基于此,在后续设计中将框架构件截面的长宽尺寸各缩小5 mm后,折叠椅的最大变形量由0.495 mm增至0.51 mm,最大等效应力达到122.7 MPa,安全系数为1.92;应力及变形情况与尺寸减量前基本一致。说明竹展平集成材能够满足家具的性能要求,且可以实现构件尺寸优化。(4)为巩固折叠结构强度,在结点连接处将碳素钢连接件替换为轻质高强的铝合金,根据GB/T 10357.3-2013进行座面-椅背联合静力学分析。结果表明:折叠椅在两个水平下的受力变形情况一致,最大变形量均出现在靠背顶端,分别为24.5 mm和20.1 mm。整体最大等效应力出现在铝合金连接件上,分别为395.2 MPa和323.15 MPa,竹展平集成材所受最大等效应力出现在椅子后腿,分别为46 MPa和40 MPa,均小于两种材料的极限强度(485 MPa和62.7 MPa),安全系数约为1.23和1.5。表明折叠椅结构强度能够满足使用要求。(5)基于以上研究制作实物模型,进行静载荷、耐久性及冲击试验。结果表明静载荷试验中座面挠度变化值为0.49 mm,与有限元分析结果基本相符;在受力前后折叠椅整体外观无明显变化,使用功能完全不受影响,验证了设计方案的可行性。在经过冲击试验及耐久性试验后,椅子部分连接件产生可逆性松动,但不影响使用,证明竹展平集成材制作的折叠椅完全可以满足使用强度要求。
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