基于响应面法与MOGA算法的竹集成材榫接合椅子节点力学分析及优化

竹集成材是符合“双碳”目标的可持续发展绿色材料,具有“以竹代木”的巨大潜力。本研究借助竹集成材优良材料性能,基于榫卯结构特性,以竹集成材榫接合椅子为例,运用有限元法(FEM)进行椅子静载荷及耐久性分析,探究竹集成材榫接合椅子及榫接合节点力学特性,搭建响应面模型求解竹集成材T型椭圆榫接合节点榫卯尺寸与其最大等效应力、总形变和最小安全系数的关系,并运用MOGA多目标遗传算法以形变最小化、安全系数最大化为优化目标,进行榫卯尺寸优化。结果表明：竹集成材榫接合椅子静载荷分析所得椅子最大等效应力为6.818 MPa,位于座面大边与椅后腿榫接合节点;最大等效应变值为4.245×10^-3,位于椅子扶手与椅后腿榫接合节点;椅子发生的最大形变为4.433 mm,分布在椅子靠背位置。椅子耐久性分析所得最大等效应力及最大等效应变均位于椅子扶手与椅后腿榫接合节点,分别为4.999 MPa和3.113×10^-3;椅子整体发生的最大形变为3.251 mm,位于椅子靠背上端。由竹集成材T型榫接合节点响应面分析可知,椭圆榫接合节点的最大等效应力及最大形变随着榫头厚度a及榫头长...     

重组竹家具椭圆榫接合性能研究

通过试验探讨重组竹家具椭圆榫接合性能的影响因素,研究榫头宽度方向与厚度方向的配合尺寸对抗拉强度的影响,以及榫头宽度对椭圆榫抗弯矩强度的影响,得出重组竹椭圆榫接合强度的变化规律;并通过比较表明,重组竹椭圆榫的抗弯矩强度要远高于普通实木椭圆榫。     

五金接合形式对竹集成材家具角部接合性能的影响

探索竹集成家具五金角接合处的接合性能特点以改善竹集成材家具角部五金接合,测试与比较竹集成材家具角部常用的四类五金接合形式的接合性能。结果表明:1)螺钉类与螺栓类的接合强度较高,但螺栓类破坏相对较少且能够多次拆装,分析可知螺栓类角接合性能相对较好;2)在螺栓类与不同类型预埋螺母配合时,存在预埋螺母易于拔出的问题,特别是尼龙胶塞,发现嵌入竹集成材板件困难的,抗拔力小,更易拔出;3)竹集成材家具角部在同一种五金角接合形式下的抗拉强度明显大于抗压强度,抗拉弯矩明显大于抗压弯矩,说明竹集成材家具角部在受到内向压力时比受外向拉力时更容易发生破坏。     

黄荆木重组材家具结点性能分析

对黄荆木重组材家具结点强度进行测试,选用T型、L型结构,对L型结构进行抗弯强度测试,对T型结构进行抗弯、抗拔强度测试,分析试验结果以及试件在试验中、试验后的情况,探讨自攻螺钉接合、双圆榫接合、三合一连接件接合三种连接方式对黄荆木重组材家具结构的适用性。通过对三种连接方式的抗弯、抗拔强度进行综合分析,结果表明:自攻螺钉接合强度双圆榫接合强度三合一连接件接合强度。若是要使用三合一连接件连接时,要配合其他连接方式进行使用。     

小径材家具榫卯结构的强度研究

以陕西产苹果木小径材为基材,对不同截面形状、断面尺寸的零件"T"型榫卯接合节点进行抗弯和抗拉性能研究。结果表明:在榫卯配合参数一致时,构件节点接合强度随着零件断面尺寸的增大而提高;零件断面尺寸相同时,圆形截面的节点接合强度优于方形截面;同等条件下,小径材榫卯接合节点的抗拉强度明显高于抗弯强度。     

基于数字化加工的粽角榫改良设计

基于数字化加工,设计了一种既保留传统装配优点又便于数控加工的新型粽角榫,并从加工效率和极限抗弯强度2个方面验证了该改良方式的合理性。首先分析了粽角榫加工现状和数控加工的特征,总结出了榫卯数字化改良的4点原则;根据改良原则,设计了一款新型粽角榫;以榉木为原料,利用UG软件和五轴加工设备制作改良型粽角榫,同时采用人工制作传统粽角榫试件;分别记录改良型和传统型粽角榫加工时长并进行对比;通过力学试验,对改良型与传统手工粽角榫进行了极限抗弯强度的比较。结果发现,在端面尺寸均为40 mm×40mm时,由于数控加工的改良型粽角榫尺寸精确且稳定,改良型粽角榫的平均抗弯强度较传统粽角榫提高7.122%;改良榫卯的加工耗时仅为传统手工的4.725%,加工效率显著提升。本研究总结的榫卯优化原则为榫卯结构改良提供了依据,加工时长和力学强度的对比方法也将为判断改良榫卯的优劣提供理论参考。     

基于拆装式结构的实木家具契合榫接合方式分析

笔者以实木家具中拆装式榫接合结构为研究对象,将榫接合形式分为整体式榫接合、插入式榫接合,并结合对相关结构案例的分析,将现行的拆装榫接合方法归纳为搭接式、插接式、自锁式、挤压式、拼接式、栓锁式6种形式。在此基础上提出榫卯现代化改良设计原则,以期为现代化家具设计与生产提供新的思路。     

基于竹集成材家具材料表面特征的感性评价研究

竹材是一种生态价值高且蕴含文化底蕴与意向的环保型材料,通过研究消费者对于材料的情感偏好可以让竹这种材料更好的被利用在家具研发上。用感性工学的研究方法即语意差异法对竹集成材的4种表现形式进行感性语意评估,利用双因素交互方差法分析,从竹集成材材料的实用性、美观性、环保性、经济性、文化性分析了竹集成材在纹理、颜色因素作用下用户的审美偏好。结果显示颜色对于用户选择评价材料的影响较大,并且在实用性和文化性上,消费者更偏向于选择本色的竹集成材家具,而美观性上更偏向于选择经炭化得到竹集成材家具。最后结论为竹集成材家具材料设计生产提出意见建议,即在关注本色竹集成材的情况下提高竹集成材的审美价值以及经济价值,亦或是关注炭化竹集成材情况下提高它的文化价值,从而更好的打开竹集成材家具市场。但文章方法也存在一定误差和局限,结合相应的生理测量方法如脑电、眼动实验能更加精准地研究消费者对于竹集成材的情感评价。     

木框斜角榫接合性能研究

在木家具结构设计中,特别是具有中国传统家具风格的实木家具结构设计中,木框角部斜角榫接合强度是人们既关注又无法回避的问题。抗拉强度和抗弯强度是衡量木框斜角榫接合性能高低的两个重要指标。笔者对三种常用的、易于机械加工的斜角榫接合试件的强度(抗拉强度,抗弯强度)进行了实验测定,并从各个方面对其进行比较、分析。研究结果表明:斜角榫接合形式,胶黏剂种类,加压时间等各个因子都不同程度地影响着木框角部接合的整体结构性能。单肩斜角明榫接合效果最好。     

预埋螺母对竹集成材家具螺栓接合性能的影响

螺栓接合在竹集成材家具中应用广泛,预埋螺母与竹集成材之间连接的破坏是竹集成材家具螺栓接合破坏的主要形式,主要表现为预埋螺母的松动或拔出以及预埋螺母孔周的开裂。针对预埋螺母易于拔出的问题,比较几种常用预埋螺母在竹集成材中的极限抗拔力,选择最优的预埋螺母进行参数优化,从而有效提高竹集成材家具螺栓接合的接合性能。结果表明:不同预埋螺母的极限抗拔强度大小为:尼龙预埋螺母<倒刺螺母<膨胀螺母<梯形铁螺母<内外牙螺母。内外牙预埋螺母取引导孔径比为93%、螺纹长度为25 mm时,在竹集成材中极限抗拔力最大。引导孔径比、螺纹的拧入深度对预埋螺母抗拔性能影响显著。     

杨木衣柜柜门角部接合形式对强度的影响

为扩大低质人工林木材在家具中的应用.笔者以杨木衣柜为研究对象,针对柜门角部的受力特点,研究了不同的接合形式对角部抗弯和抗扭强度的影响以及材料的混合使用对角部接合的增强作用。试验结果表明柜门角部接合形式对接合强度具有影响:①榫接合时,直角接合斜角接合,圆棒榫接合时,斜角接合直角接合;②抗弯强度:冒头与立挺齐平冒头盖立挺,抗扭强度:冒头与立挺齐平冒头盖立挺,而且两种不同的接合方式对抗扭强度影响比对抗弯强度的影响大;③榫接合开口情况对接合强度的影响是全开口榫半开口榫闭口榫;④双圆棒榫+不锈钢角码接合相比双圆棒榫接合有增强作用,但是效果有限;斜角接合水曲柳饼形榫增强效果较明显。     

梓木家具圆榫接合抗拉强度影响因素试验研究

以湖南所产的梓木和氯丁乙烯橡胶乳胶液加工而成的圆榫接合节点为试验基材,通过节点抗拉试验研究木圆榫直径、木圆榫插入深度、木圆榫与榫孔的配合参数、两圆榫中心距对梓木家具木圆榫接合强度的影响。结果表明:木圆榫直径、木圆榫插入深度、和木圆榫与榫孔配合参数、两圆榫中心距4个因子对木圆榫接合强度均影响显著;综合考虑得出当梓木家具木圆榫接合采用木圆榫直径10mm,木圆榫插入深度为20mm,木圆榫与榫孔的配合的过盈量为0.2mm、两圆榫中心距为32mm时,节点接合强度最高。     

面向数字化制造的圈椅榫卯结构设计北大核心

传统圈椅结构繁复、其制作工艺要求较高,部分结构加工难度大,导致数控机床加工过程效率较低。以圈椅作为研究对象,结合现有数控机床加工特点和实木榫接合技术要求,将圈椅中不适宜数控加工的楔钉榫和直角榫进行结构改造设计,基于新结构建立圈椅几何装配模型,利用有限元分析对圈椅模型进行静力学分析和抗疲劳性能测试。由此验证优化后的圈椅榫卯结构可确保其强度符合GB/T10357.3—2013《家具力学性能试验第3部分:椅凳类强度和耐久性》要求,以期为推进传统家具的数字化进程提供思路。     

在实木家具结构中圆棒榫的强度分析

分析圆棒榫在实木家具结构中的主要力学指标,通过圆棒榫的抗拔力、抗弯强度与抗剪强度等指标的计算与比较,总结圆棒榫在实际应用中应注意的主要问题,以期对相关的设计与生产提供参考依据.     

实木家具斜角接合结构的可拆装设计与评估北大核心

以现代实木家具中常见的45°斜角接合结构为研究对象,以实现斜角接合结构可拆装,提高其接合强度为目的,分析了现有斜角接合结构的特征与不足,提出一种通过五金连接件与分体榫相结合的45°斜角可拆装改良方案;采用有限元分析方法,从应力分布角度对现有节点和改良节点进行对比分析;通过力学试验方法测试了两种结构的抗弯力学性能。结果表明:改良方案的极限承载力平均值比现有方案高18.7%,通过有限元分析方法获得的节点应力云图与试验中试件的破坏形式具有较好的一致性。改良方案实现了斜角接合节点的可拆装,提高了实木家具斜角接合节点的强度,为后续进一步开发实木家具隐藏式五金连接件及榫卯外观下的节点可拆装设计提供了依据及实现方法。     

糙木家具中的榫接合结构设计

糙木家具活泼婉转的形态特点以及多样的结构形式,决定了糙木家具的榫卯接合形式是非传统的精密接合。本文指出了糙木家具榫卯配合的三种形式,归纳了糙木家具方形截面构件与圆形截面构件榫接合的四种基本形式以及两种圆形构件间的榫接合形式,用以指导糙木家具榫结构设计,为相关厂家制作糙木产品提供技术支撑。     

辐射松处理材制备实木家具节点性能研究

为探讨改性辐射松应用于实木家具几种连接方式节点的接合强度,以辐射松树脂材与真空热处理树脂材为基材,采用力学试验方法测定"T"型与"L"型构件节点的破坏弯矩并分析其破坏特征。结果表明:相同条件下,树脂材节点接合强度大于热处理树脂材,贯通直角单榫双圆棒榫普通三合一连接件,"T"型构件节点接合强度大于"L"型构件,改性辐射松节点接合强度在一定条件下接近优质木材的节点接合强度。改性辐射松木材可满足实木家具对节点接合强度的要求,具备制造中高档松木家具的可行性。     

竹集成材办公家具可拆装化设计研究

以竹集成材为基材,办公家具为载体,开展竹集成材办公家具可拆装化设计。从材料属性、家具模块、结构形态等方面,分析了竹集成材在可拆装化设计中的优势和合理性,旨在为竹集成材办公家具产品设计提供参考。     

桉木单板层积材家具角部“L型构件”接合强度研究

以速生桉木单板层积材为基材,榫接合连接、螺钉连接的L型构件为研究对象,通过对桉木层积材家具接合构件进行抗拉和抗弯力学性能试验,观察、分析8种不同榫接合方式对"L型构件"接合强度的影响。研究结果表明,榫接合强度与接合面积有关,接合面积大则接合强度高;桉木单板层积材本身强度对榫接合无影响;采用偏心连接件、倒刺螺母螺杆连接件的接合强度较低,接合部位不够牢固,在家具的使用过程中容易产生松动。     

基于高频热压成型的竹集成材制备及力学性能评价

【目的】探索竹材含水率、热压压力、施胶量和热压温度对高频热压成型竹集成材力学性能的影响,并优化高频热压加工工艺获得力学性能较优的竹集成材,为竹集成材高频热压成型提供技术参考。【方法】设计正交试验,采用高频热压加工工艺,以酚醛树脂(PF)为胶黏剂,研究竹材含水率、热压压力、施胶量和热压温度4个参数变量对高频热压成型竹集成材抗弯强度和剪切强度的影响,建立抗弯强度和剪切强度数学模型,分析力学性能最优解。【结果】极差分析表明,热压参数对抗弯强度的影响顺序为热压压力、竹材含水率、热压温度和施胶量,对剪切强度的影响顺序为施胶量、竹材含水率、热压压力和热压温度;主效应分析表明,4级竹材含水率、1级热压压力、1级施胶量和3级热压温度为最佳抗弯强度的热压参数,1级竹材含水率、1级热压压力、2级施胶量和3级热压温度为最佳剪切强度的热压参数;交互分析表明,各热压参数间存在交互作用;方差分析表明,热压压力是影响竹集成材抗弯强度的最重要因素,施胶量是影响竹集成材剪切强度的最重要因素;数学模型分析得出,竹材含水率15%、热压压力2.0 MPa、施胶量260 g·m-~(-2)、热压温度130℃为抗弯强度最优解(168.51 MPa);竹材含水率10.2%、热压压力2.0 MPa、施胶量240 g·m~(-2)、热压温度130℃为剪切强度最优解(263.26 MPa)。【结论】竹材含水率、热压压力、施胶量和热压温度4个参数变量对高频热压成型竹集成材力学性能均有影响,提出的热压参数对竹集成材抗弯强度和剪切强度影响的数学模型,可有效反映热压参数与竹集成材力学性能间的关系,优化高频热压加工工艺生产的竹集成材,其力学性能满足相关标准和使用要求。