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摘要:本文通过介绍一种多功能楼梯椅的结构和使用条件,为以后设计适应我国小户型家庭家具提供理论依据。针对楼梯椅的椅子和梯子两种形态,分别在座位和台阶位置施加2000N的垂向压力,经有限元受力分析可得,椅子和梯子所受最大应力分别为1.5Mpa和3.9Mpa,从静力學角度分析,多功能楼梯椅的两种形态完全符合使用要求。
关键词:楼梯椅;一具多用;有限元;受力分析
引言
伴随我国房地产产业的不断发展,近年来多地出现“高房价,高供给”现象,然而许多外出打工的群体以及当地的工薪阶层,为满足住宅需求[1],大多数人选择小户型或者迷你户型的住宅,这样的户型价格相对便宜,结构简单,易于装修[2]。为了促进我国房地产产业发展和满足人们对住宅的需求,国务院在2006年5月7日,颁布《国务院关于促进房地产产业健康发展的六条意见》,意见中明确指出“套型建筑面积90%以下的住宅面积占比重必须达到开发建筑总面积70%以上”,可见小户型房产政策将成为以后的发展方向[3]。然而,窄小的居住空间内,不仅要有家庭成员基本活动的空间,还要满足家庭内各式各样家具的摆放。据统计,大部分家庭空间内,家具占有57%左右的面积。而且目前国家开放二胎政策,家庭成员不断增多的同时,使用的必需品和工具也越来越多。
综上所述,对于小户型有限空间内,如果一个工具不仅仅具有自己的功能,而且还能实现一具两用或一具多用,可减少家具在整个小户型家庭空间内占比。多功能楼梯椅就是这样一个集椅子、梯子和置物架于一体的工具。
1.总体方案
日常生活中,我们经常会将物品放在房间的高处,但是取物品时常常要用到梯子,但是梯子也就仅仅在拿高处物品时才能发挥用处。一般的家庭内都会用到椅子,但是一般家庭只准备家庭本人口数的椅子,如果有客人来,日常的椅子就不能满足需要。如果有一个家具,在闲置时可以当做置物架,摆放书本、花卉、玩偶等。将它折叠起来,可以招待客人,当椅子使用,展开时可以当梯子使用。楼梯椅就是这样一个,兼具椅子、梯子和置物架作用的家具。
1.1整体结构
多功能楼梯椅主要由底座、椅背、转动轴和缓冲装置等组成。结构如图1所示。其中,底座作为整个系统的主要承重装置,利用四个支撑腿,起平衡支撑作用,椅背可以分为上下两个部分,上半部分为类似椅子结构,下半部分与底座的斜腿形成统一角度进行契合,共同起支撑作用。转动轴连接椅背和底座,缓冲装置起保护作用[4]。
1.2工作原理
多功能楼梯椅可以实现两种形态。当作为椅子使用时,底座的四个支撑腿平稳接触地面,支撑腿的前半部分与地面成45°,可以增加结构整体的稳定性,也可以在当梯子使用时增加斜向摩擦力,起防滑作用。四个支撑腿的上部连接一平板,此平板作椅子使用时,隐藏在结构内。椅背可分为上下两个部分,上部分具有椅子的结构,可以供人休息,下半部分有一对支撑腿与底座的支撑腿与地面形成相同角度并契合,增加结构的负重能力,支撑腿之间连接一隐藏平板,如图2(a)所示。当作为梯子使用时,要将整个结构的椅背部分绕转动轴进行180°翻转,椅背在转动轴位置,与底座连接处具有一定弧度,可以随意进行旋转,在转动轴位置具有缓冲装置,可以减轻椅背与底座的碰撞。翻转之后,之前作为椅背使用的部分达到地面,作为支撑部件使用。原来椅背坐垫位置的背面,作为梯子的第二个台阶使用,而与底座前腿契合的支撑腿之间的隐藏平板作为第三个台阶使用,如图2(b)所示。
1.3有限元建模
应用ANSYS bench软件对楼梯椅的两种形态进行结构特性和受力分析,通过施加具体数值载荷,进行整体网格划分和有限元分析,确定楼梯椅工作过程的受力情况,为以后提高结构合理性和延长使用寿命提供依据。
1.3.1 材料属性
楼梯椅使用材料为三合板,其性质为:密度为0.6×103kg/m3,弹性模量为15GPa,泊松比为0.27。
1.3.2有限元分析
首先应用三维软件UG建立楼梯椅的三维几何模型。针对楼梯椅的两种形态进行受力分析。根据计算需要,对椅子的台阶和座椅位置进行了倒圆角处理。应用hypermesh软件进行网格划分,网格划分的优劣对模型受力分析有很大影响。本模型采用四面体实体网格划分,网格平均尺寸为10mm,共有121886个单元。
在workbench中整个模型加载重量加速度,三个零件之间设置面面接触,在座椅底部用刚性平面模拟地面,设置地面与零件之间的接触,所以接触的摩擦系数为0.3。针对座椅及梯子两种状态,椅子形态受到主要载荷为作用在座位上,梯子形态受到的主要载荷作用在最高阶台阶处,分别施加2000N的垂向力。
(1)楼梯椅椅子形态有限元分析
经求解得到位移云图和应力云图,如图3所示。通过分析可得,楼梯椅状态位移云最大为0.23mm,最大应力为1.55Mpa。由应力分析图可知,椅子最大应力出现在椅背座位下端的支撑腿位置,由于材料最大应力为15Gpa,所以从静强度观点来看,楼梯椅的结构完全满足实际使用要求。
(2)楼梯椅楼梯形态有限元分析
经求解得到位移云图和应力云图,如图4所示。
通过分析可得,楼梯椅状态位移云最大为0.31mm,最大应力为3.9Mpa。由应力分析图可知,楼梯椅最大应力,与椅子形态相同,同样出现在第三阶台阶下端的支撑腿位置,材料最大应力为15Gpa,所以从静强度观点来看,楼梯椅的结构完全满足实际使用要求。
参考文献:
[1]黄薇.小户型住宅的实用与舒适的设计探讨[J].家具与室内装修.2013(5):15
[2]陈熙.系统化视角下的小户型住宅家具设计研究[J].包装工程.2015,36(22):112-115
[3]雷鸣.论扩展小户型家居的产品创新设计[J].包装工程.2014,35(22):37-40
[4]韩宝泰.一种折叠楼梯椅:中国,201520606657.2[P].2015-08-13
作者简介:
姜德龙(1989-),男,辽宁省大连市人,硕士,研究方向:农业机械化工程。
项目名称:
2017年云浮市科技计划项目”罗竹“星创天地空间平台(项目编号201702-7);2018年广东大学生科技创新培育专项资金项目(攀登计划专项)(项目编号pdjhb0939)多功能楼梯椅
关键词:楼梯椅;一具多用;有限元;受力分析
引言
伴随我国房地产产业的不断发展,近年来多地出现“高房价,高供给”现象,然而许多外出打工的群体以及当地的工薪阶层,为满足住宅需求[1],大多数人选择小户型或者迷你户型的住宅,这样的户型价格相对便宜,结构简单,易于装修[2]。为了促进我国房地产产业发展和满足人们对住宅的需求,国务院在2006年5月7日,颁布《国务院关于促进房地产产业健康发展的六条意见》,意见中明确指出“套型建筑面积90%以下的住宅面积占比重必须达到开发建筑总面积70%以上”,可见小户型房产政策将成为以后的发展方向[3]。然而,窄小的居住空间内,不仅要有家庭成员基本活动的空间,还要满足家庭内各式各样家具的摆放。据统计,大部分家庭空间内,家具占有57%左右的面积。而且目前国家开放二胎政策,家庭成员不断增多的同时,使用的必需品和工具也越来越多。
综上所述,对于小户型有限空间内,如果一个工具不仅仅具有自己的功能,而且还能实现一具两用或一具多用,可减少家具在整个小户型家庭空间内占比。多功能楼梯椅就是这样一个集椅子、梯子和置物架于一体的工具。
1.总体方案
日常生活中,我们经常会将物品放在房间的高处,但是取物品时常常要用到梯子,但是梯子也就仅仅在拿高处物品时才能发挥用处。一般的家庭内都会用到椅子,但是一般家庭只准备家庭本人口数的椅子,如果有客人来,日常的椅子就不能满足需要。如果有一个家具,在闲置时可以当做置物架,摆放书本、花卉、玩偶等。将它折叠起来,可以招待客人,当椅子使用,展开时可以当梯子使用。楼梯椅就是这样一个,兼具椅子、梯子和置物架作用的家具。
1.1整体结构
多功能楼梯椅主要由底座、椅背、转动轴和缓冲装置等组成。结构如图1所示。其中,底座作为整个系统的主要承重装置,利用四个支撑腿,起平衡支撑作用,椅背可以分为上下两个部分,上半部分为类似椅子结构,下半部分与底座的斜腿形成统一角度进行契合,共同起支撑作用。转动轴连接椅背和底座,缓冲装置起保护作用[4]。
1.2工作原理
多功能楼梯椅可以实现两种形态。当作为椅子使用时,底座的四个支撑腿平稳接触地面,支撑腿的前半部分与地面成45°,可以增加结构整体的稳定性,也可以在当梯子使用时增加斜向摩擦力,起防滑作用。四个支撑腿的上部连接一平板,此平板作椅子使用时,隐藏在结构内。椅背可分为上下两个部分,上部分具有椅子的结构,可以供人休息,下半部分有一对支撑腿与底座的支撑腿与地面形成相同角度并契合,增加结构的负重能力,支撑腿之间连接一隐藏平板,如图2(a)所示。当作为梯子使用时,要将整个结构的椅背部分绕转动轴进行180°翻转,椅背在转动轴位置,与底座连接处具有一定弧度,可以随意进行旋转,在转动轴位置具有缓冲装置,可以减轻椅背与底座的碰撞。翻转之后,之前作为椅背使用的部分达到地面,作为支撑部件使用。原来椅背坐垫位置的背面,作为梯子的第二个台阶使用,而与底座前腿契合的支撑腿之间的隐藏平板作为第三个台阶使用,如图2(b)所示。
1.3有限元建模
应用ANSYS bench软件对楼梯椅的两种形态进行结构特性和受力分析,通过施加具体数值载荷,进行整体网格划分和有限元分析,确定楼梯椅工作过程的受力情况,为以后提高结构合理性和延长使用寿命提供依据。
1.3.1 材料属性
楼梯椅使用材料为三合板,其性质为:密度为0.6×103kg/m3,弹性模量为15GPa,泊松比为0.27。
1.3.2有限元分析
首先应用三维软件UG建立楼梯椅的三维几何模型。针对楼梯椅的两种形态进行受力分析。根据计算需要,对椅子的台阶和座椅位置进行了倒圆角处理。应用hypermesh软件进行网格划分,网格划分的优劣对模型受力分析有很大影响。本模型采用四面体实体网格划分,网格平均尺寸为10mm,共有121886个单元。
在workbench中整个模型加载重量加速度,三个零件之间设置面面接触,在座椅底部用刚性平面模拟地面,设置地面与零件之间的接触,所以接触的摩擦系数为0.3。针对座椅及梯子两种状态,椅子形态受到主要载荷为作用在座位上,梯子形态受到的主要载荷作用在最高阶台阶处,分别施加2000N的垂向力。
(1)楼梯椅椅子形态有限元分析
经求解得到位移云图和应力云图,如图3所示。通过分析可得,楼梯椅状态位移云最大为0.23mm,最大应力为1.55Mpa。由应力分析图可知,椅子最大应力出现在椅背座位下端的支撑腿位置,由于材料最大应力为15Gpa,所以从静强度观点来看,楼梯椅的结构完全满足实际使用要求。
(2)楼梯椅楼梯形态有限元分析
经求解得到位移云图和应力云图,如图4所示。
通过分析可得,楼梯椅状态位移云最大为0.31mm,最大应力为3.9Mpa。由应力分析图可知,楼梯椅最大应力,与椅子形态相同,同样出现在第三阶台阶下端的支撑腿位置,材料最大应力为15Gpa,所以从静强度观点来看,楼梯椅的结构完全满足实际使用要求。
参考文献:
[1]黄薇.小户型住宅的实用与舒适的设计探讨[J].家具与室内装修.2013(5):15
[2]陈熙.系统化视角下的小户型住宅家具设计研究[J].包装工程.2015,36(22):112-115
[3]雷鸣.论扩展小户型家居的产品创新设计[J].包装工程.2014,35(22):37-40
[4]韩宝泰.一种折叠楼梯椅:中国,201520606657.2[P].2015-08-13
作者简介:
姜德龙(1989-),男,辽宁省大连市人,硕士,研究方向:农业机械化工程。
项目名称:
2017年云浮市科技计划项目”罗竹“星创天地空间平台(项目编号201702-7);2018年广东大学生科技创新培育专项资金项目(攀登计划专项)(项目编号pdjhb0939)多功能楼梯椅