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实木家具构件榫接口优化技术研究

类别:家具文化 | 更新时间:2019-03-23 14:19:47

实木家具构件的接合形式多样,主要以榫接合、连接件接合、胶接合、钉与木螺钉接合为主。其中榫结构是从中国古建筑延伸到实木家具上的一种传统结构,经过数百年的演变,其种类和尺寸越来越多。和传统的以件加工的作坊式手工生产不同,现代化工业生产模式是大批量生产,即品种少、重复性高的一种机械化生产。榫卯结构的多样性在家具企业的生产过程中造成了生产周期长、生产效率低、材料浪费率高等一系列问题,因此对榫接口进行优化是目前家具企业急需解决的问题。
1 实木家具构件榫结构形式
榫卯结构是实木家具的“关节”,主要用于家具各部件的连接。根据连接部位不同,可划分为两大模块,一个是框架类结构的组合,另一个是大幅面板件的拼装,本文主要研究的是前者。榫接口的分类方式有多种[1]:按榫头和零件之间的关系分有整体榫和分体榫,整体榫是在方材零件上直接加工,分体榫则与零件不是一个整体,单独加工;按榫头数量可分为单榫、双榫和多榫,即榫头和榫眼的数量为单个则为单榫,数量为多个则为多榫;按榫眼(孔)深度分有明榫和暗榫,即根据能否看到榫头的端面来区分,能见者为明榫,反之为暗榫等。其中常见的榫结构形式有直角榫、椭圆榫、圆榫(圆棒榫)、指接榫和燕尾榫,表 1 呈现了各榫结构的加工特点和在家具上的使用部位。
2 榫接口优化技术
优化技术的主要目的是求出设计变量的一个或多个值,使得目标函数达到最大值或最小值,即在相关的约束条件或设计变量下得出最优解[2]。本文将这种技术借鉴到榫卯结构的研究上并将其内涵扩大,旨在保证榫卯结构强度满足整体结构强度标准的情况下,通过一种或多种方法或技术,使榫卯结构的形式与尺寸向着“少而专”的方向发展。“少”是指减少榫结构的复杂形式和冗杂尺寸,“专”是指每一种形式和尺寸的家具构件具有对应的榫接口。下文将探讨三种不同的优化技术,一是测试结构强度的传统实验方法;二是利用计算机建模分析的有限元技术;三是以家具厂工人的作业时间和动作为研究对象的成组技术。
2.1 传统实验方法在榫接口优化上的应用
实验法一般是对家具的某一结构强度进行分析的研究方法,通常做法是先制作实物模型,然后在万能力学试验机上进行抗弯、抗拔、剪切等破坏力学试验或抗疲劳试验,最后进行图像分析、数据处理,得出最优的结构形式或尺寸数据。2016年南京林业大学的常军茹在其硕士论文《柳杉木在柜类家具中的结构优化设计研究》的第六章中研究了柜子的旁板和搁板连接形式的优化,她将旁板与搁板简化为T型构件,分别以暗直角榫、倒刺螺母、三合一偏心连接件以及搁板钉四种方式连接,进行抗弯破坏实验,最后得出在相同的载荷下搁板变形量从小到大依次为不贯通直角榫、偏心连接件、二合一连接件、隔板钉[3]。同年王倩云在其硕士论文《柳杉木在椅类家具中的结构优化设计研究》的第四和第五章中研究了椅类家具各节点的结构优化,如将横档和椅腿的直角榫连接改进为圆榫复合榫和加螺钉直角榫的形式,对三种结构进行抗拔破坏实验,得出改善后的直角榫与原本的直角榫相比抗拔强度高,并且螺钉在制约直角榫拔出过程中比圆榫起到更好的制约作用[4]。
分析传统实验方法,发现通过实验可以得出比较真实可靠的数据,同时可以直接观察实物的破坏程度,但是为了避免人为误差和后期数据分析中的误差,需要大量重复操作,其资源和人力花费较高,同时其得出的优化结论位于其开始的设计范围内,不具有普遍性。
2.2 有限元技术在榫接口优化上的应用
有限元技术是利用数字化方法对结构进行分析,实木家具批发其综合了弹性理论、材料力学、数学分析和计算机软件等知识学科,目前已被广泛应用于固体力学、流体力学、热传导、电磁学、声学、生物力学等领域[5]。有限元方法最初是用来分析和计算航空器的结构强度,现在已经扩展到建筑、机械、电子等行业,但其在家具结构强度上的应用仍然处于理论分析阶段,有待进一步研究与应用。关于有限元分析的软件有多种,其中ANSYS软件的使用在家具结构分析中较为广泛,因此本文将其作为研究对象。
2.2.1 ANSYS优化结构的研究概况
ANSYS 软件集建立 3D 模型、施加载荷与约束、模拟力学实验及力学结果的分析计算于一体,可以便捷有效地处理各种结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题等[6]。ANSYS 具有许多功能,在家具节点、局部结构或整体结构分析和优化中用到的相关功能有设计优化、接触分析、自适应网格划分及设计语言扩展宏命令等。本文研究的榫接口优化技术是通过设计优化结合 ANSYS 参数化设计语言(APDL)来实现的。董广斌对以直角榫接合的圆材丁字形构件的榫头长度(榫眼深度)和榫头厚度(榫眼宽度)的尺寸进行优化,限制条件为榫头长度小于 35 mm,榫头厚度小于 25 mm,结合 ANSYS所提供的 APDL 参数化语言进行编程建模计算,得出结构刚度达到稳定性的最优尺寸为榫头长度(榫眼深度)25.8 mm,榫头厚度(榫眼宽度)15.5 mm[7]。
ANSYS软件优化结构与传统实验的结论相比,使用模型代替实物进行模拟实验,减少了试件加工时间,同时减少了对材料的破坏,提高优化的整体效率,避免了不必要的浪费。然而ANSYS模拟的家具与真实家具的材料属性是有差异的,不能保证结论完全正确,所以需要通过实验进行验证。
2.2.2 ANSYS优化结构的原理
ANSAS优化中涉及到了三个变量即设计变量、状态变量和目标函数,它们组成了优化变量[8]。它所运用的思想是数学方法中的求极值,即根据给出的问题,先确定变量 X,ANSYS 程序中称为设计变量;然后确立等式关系或不等式关系,这里称作约束条件又称状态变量,作为求目标函数极值时的某些限制条件;最后是因变量 Y 的确立即为目标函数,它是一个尽量小的数值。可简单概括为,通过约束条件找出目标函数的极值,从而求出对应的设计变量的值的过程,采用的方法是零阶方法和一阶方法。具体的优化步骤如图1所示。
2.3 成组技术在榫接口优化上的应用
成组技术(GT)[9]是将具有相似性的事物通过特定的分类方式在相同的方法下统一处理,以提高工作或生产效率的技术。成组工艺是该技术的核心,目的是将具有相似结构和尺寸的零件通过统一工艺流程来加工,从而降低生产周期,提高劳动生产率,增大企业效益。成组技术在家具上的应用主要集中在对板式或实木家具的零部件结构和尺寸的标准化生产,关于实木榫卯结构优化的研究较少。徐俊华等人利用成组技术研究了椭圆榫规格尺寸的优化,基于时间研究法,将榫头(榫眼)加工时间分为加工准备时间、铣削加工时间、上下料时间,通过对工厂工人操作时间统计发现榫头的加工准备时间远大于其铣削加工时间,故将榫头(榫眼)位置和榫头(榫眼)尺寸基于成组技术进行优化,最终减少了榫头(榫眼)加工准备时间[10]。
成组技术优化榫结构的方法[11]有:在造型相似和结构强度足够的情况下,1)榫头大小统一,调整零件的厚度或宽度尺寸让榫头位置尽可能一致;2)零件尺寸不变,以榫头与零件之间的关系来优化榫头尺寸和调整榫头位置,从而使不同零件的榫头长度方向的中心线到零件端面四条边距离相等;3)在满足零件功能和工艺情况下,尽可能选择小的尺寸。
成组技术优化榫接口是在企业生产的基础上进行的,优化后的榫接口不仅适合现代批量生产模式,也可以缩短生产周期,增大企业的盈利。同时,这也存在两个问题,一是成组技术优化针对一对一的企业,即上个企业的优化方案并不适合下个企业,并且当一个企业的格局(如人员、设备等)有变动时,优化方案可能也会有相应的变动,不具有普遍性和永久性;二是目前成组技术的优化是以时间或动作为研究对象进行的理论分析,不能确保优化后的家具结构具有足够的强度和稳定性。
3 总结与展望
传统实验、有限元技术和成组技术基于不同手段优化榫接口,前面两种方法以结构强度和稳定性为判断依据对榫接口形式和尺寸进行优化,而成组技术优化榫结构则是依据加工时间或者生产效益,三种方法的共同之处都是为了减少榫结构的形式和尺寸,使得高密实木家具的制造既满足购买者稳定性的需求,同时也为企业带来更多利益。在实现榫接口优化的过程中,每种方法各有利弊,从表2可知通过一种方法很难实现榫结构的优化。
单一的优化技术难以实现所有实木家具企业的榫结构标准化[12],笔者从标准化和标准化体系之间的联系出发,建立一个榫结构优化体系。以简单造型的实木餐桌为例,它的零部件包括桌面、望板、桌腿和横档,桌面和腿部支架通过木螺钉连接,不予深入考虑,因此研究的榫结构存在于桌腿与望板,桌腿与横档之间[13]。优化体系包括以下三个步骤:
(1)统计目前所有的简约餐桌的桌腿、望板和横档的尺寸,基于成组技术优化后对不同尺寸的零部件进行编号,再统计零件优化后的榫结构形式和尺寸,用成组技术优化以减少尺寸数量;
(2)实验测出树种的各种参数属性后用有限元技术即 ANSYS软件进行形式和尺寸的优化,同时对某一部件进行实验加以验证;
(3)用优化后的榫结构形式和尺寸建立餐桌的整体模型,以进行整体有限元测试,分析各榫接口部位力学强度,记录合格部分的信息,不合格的部分将被淘汰。

本体系的最终目标是建立一个大型数据库,当输入某一零部件的信息后,就会有相对应的数据,从而形成家具企业标准化、体系化生产的指导文件。


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