作者：张亚池
（本网原创文章）
5.3.3结构受力分析与检测
对于民俗家具结构的强度不能利用常规的实验检测方式，因为这些方法对家具具有一定的破坏性。本研究利用有限元分析软件Ansys对三种典型的民俗家具进行结构受力分析。
5.3.3.1 弹性常数实验
为了进行有限元分析，必须获得家具材料的相关力学性能指标，可以查阅资料或做实验获得。本节简述用实验方法测定的要点。
(1) 实验方法：采用电测法。电测法不仅能精确测量木材的弹性常数，还能实测到两个小数值的泊松比(μRL、μTL)。
(2) 弹性常数Ei、μij、GRT的测定：将应变片粘贴于试件上，应变片布置见图5-3-4所示。
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图5-3-4应变片布置示意图
测试应变的仪器为YJK4500型数字静态电阻应变仪，当连线和桥路搭建好后，进行压缩试验。顺纹方向压缩，加载等级为490 N；横纹(分径向,弦向和年轮45°)方向压缩，加载等级为196 N。
(3) 弹性常数GLR、GTL的测定：应用三点弯曲试验方法来计算剪切弹性模量GLR、GTL的值。
(4) 测试结果
杉木的弹性常数的测试结果见表5-3-1。
表5-3-1 样本材料的弹性常数的测试值（E和G为109Pa）
树种 |
静曲强度 |
弹性模量 |
剪切模量 |
泊松比 |
抗弯弹性模量 |
|
EL |
ER |
ET |
GLT |
GRＬ |
GTR |
μRT |
μLT |
μLR |
|
杉木 |
0.73 |
11.6 |
0.9 |
0.5 |
0.72 |
0.75 |
0.039 |
0.43 |
0.25 |
0.37 |
0.99 |
注：L为轴向，R为经向，T为弦向；参见图5-3-5。
图5-3-5木材正交对称性示意图
5.3.3.2 Ansys（有限元）结构分析
(1) Ansys软件
Ansys软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。主要功能为实体建模、网格划分和求解模块。可进行结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析和动力学分析
(2) 三种典型民俗家具结构分析
本文应用有限元数值模拟方法，对三种典型民俗家具——茶几、靠背椅和太师椅分别进行了结构强度和刚度的分析计算(图5-3-6)，家具材料为杉木。
首先对上述三种家具进行实测，再依据每个家具的尺寸和形状，利用Ansys软件进行了有限元建模，建立的模型分别如图5-3-7（1）、图5-3-8（1-1）和图5-3-9（1-1）所示，然后对三种家具模型进行加载，其中对茶几施加600N的载荷；根据中国人的正常体重60kg和超重90kg，分别对两种椅子施加600N和900N的力。加载面为几面和座面，均匀载荷。最后求解计算得到位移与应力云图。下面根据家具类型和受力不同分别进行结构的强度和刚度分析。
a茶几的结构受力分析
从图5-3-7（2）位移云图可以看出，在载荷600N的作用下，茶几的最大位移值为18.2mm，发生在几面；从图5-3-7（3）应力云图可以看出，茶几的最大应力值为161.4KPa，发生在几面与几腿结合位置处，而茶几其它部分的应力值较小，表明在此载荷作用下，无论从强度还是刚度方面，茶几的设计都是非常安全可靠的。
b靠背椅的结构受力分析
从图5-3-8（1-2）和（2-2）的位移云图可以看出，在载荷600 N和900N的情况下，靠背椅的最大位移值分别大约为4mm和6mm，发生在椅座的中心位置，这一现象与我们的日常实际情况也是一致的；从图5-3-8（1-3）和（2-3）应力云图可以看出，靠背椅的最大应力值大约在60KPa—100KPa之间，都发生在椅座与椅腿结合部分，而且靠座面前面的部分大于靠后面的部分，说明在设计时，应加强椅座与椅腿结合部分的强度和刚度。
c太师椅的结构受力分析
从图5-3-9（1-2）和（2-2）的位移云图可以看出，在载荷600 N和900N的情况下，靠背椅的最大位移值分别大约为9.2mm和13mm，也发生在座面的中心位置，这一现象与我们的日常实际情况也是一致的；从图5-3-9（1-3）和（2-3）应力云图可以看出，靠背椅的最大应力值分别大约为100KPa—200KPa，也都发生在椅座与椅腿结合部分，而且靠座面后面的部分应力值较大，说明在设计时，应加强椅座与椅腿结合部分的强度和刚度。
对计算所得到的数据文件进行分析可以看出，茶几、太师椅、靠背椅在几面和座面载荷分别为600N和900N的情况下，正应力和剪切应力的最大值见表5-3-3。
表5-3-3 各种样本模型的加载应力和位移最大值
从表5-3-3可以看出，三种典型家具在600N和900N的载荷作用下，产生的最大正应力值为180.7KPa，而杉木的静曲强度为0.73 GPa，抗弯弹性模量为0.99 GPa，因此从强度方面考虑，即从材料的破坏方面考虑是安全的。同时结构的变形也较小，最大值也只有18mm左右，即刚度也是满足的。通过上面的结构受力分析图和表中所列数据说明，本文所选家具样品的结构，尤其是接头部分和部件的设计是合理的,在强度和刚度上是可以满足使用要求的。（未完待续）
