姜德龍 劉海慶
摘要:本文通過介紹一種多功能樓梯椅的結構和使用條件,為以后設計適應我國小戶型家庭家具提供理論依據。針對樓梯椅的椅子和梯子兩種形態,分別在座位和臺階位置施加2000N的垂向壓力,經有限元受力分析可得,椅子和梯子所受最大應力分別為1.5Mpa和3.9Mpa,從靜力學角度分析,多功能樓梯椅的兩種形態完全符合使用要求。
關鍵詞:樓梯椅;一具多用;有限元;受力分析
引言
伴隨我國房地產產業的不斷發展,近年來多地出現“高房價,高供給”現象,然而許多外出打工的群體以及當地的工薪階層,為滿足住宅需求[1],大多數人選擇小戶型或者迷你戶型的住宅,這樣的戶型價格相對便宜,結構簡單,易于裝修[2]。為了促進我國房地產產業發展和滿足人們對住宅的需求,國務院在2006年5月7日,頒布《國務院關于促進房地產產業健康發展的六條意見》,意見中明確指出“套型建筑面積90%以下的住宅面積占比重必須達到開發建筑總面積70%以上”,可見小戶型房產政策將成為以后的發展方向[3]。然而,窄小的居住空間內,不僅要有家庭成員基本活動的空間,還要滿足家庭內各式各樣家具的擺放。據統計,大部分家庭空間內,家具占有57%左右的面積。而且目前國家開放二胎政策,家庭成員不斷增多的同時,使用的必需品和工具也越來越多。
綜上所述,對于小戶型有限空間內,如果一個工具不僅僅具有自己的功能,而且還能實現一具兩用或一具多用,可減少家具在整個小戶型家庭空間內占比。多功能樓梯椅就是這樣一個集椅子、梯子和置物架于一體的工具。
1.總體方案
日常生活中,我們經常會將物品放在房間的高處,但是取物品時常常要用到梯子,但是梯子也就僅僅在拿高處物品時才能發揮用處。一般的家庭內都會用到椅子,但是一般家庭只準備家庭本人口數的椅子,如果有客人來,日常的椅子就不能滿足需要。如果有一個家具,在閑置時可以當做置物架,擺放書本、花卉、玩偶等。將它折疊起來,可以招待客人,當椅子使用,展開時可以當梯子使用。樓梯椅就是這樣一個,兼具椅子、梯子和置物架作用的家具。
1.1整體結構
多功能樓梯椅主要由底座、椅背、轉動軸和緩沖裝置等組成。結構如圖1所示。其中,底座作為整個系統的主要承重裝置,利用四個支撐腿,起平衡支撐作用,椅背可以分為上下兩個部分,上半部分為類似椅子結構,下半部分與底座的斜腿形成統一角度進行契合,共同起支撐作用。轉動軸連接椅背和底座,緩沖裝置起保護作用[4]。
1.2工作原理
多功能樓梯椅可以實現兩種形態。當作為椅子使用時,底座的四個支撐腿平穩接觸地面,支撐腿的前半部分與地面成45°,可以增加結構整體的穩定性,也可以在當梯子使用時增加斜向摩擦力,起防滑作用。四個支撐腿的上部連接一平板,此平板作椅子使用時,隱藏在結構內。椅背可分為上下兩個部分,上部分具有椅子的結構,可以供人休息,下半部分有一對支撐腿與底座的支撐腿與地面形成相同角度并契合,增加結構的負重能力,支撐腿之間連接一隱藏平板,如圖2(a)所示。當作為梯子使用時,要將整個結構的椅背部分繞轉動軸進行180°翻轉,椅背在轉動軸位置,與底座連接處具有一定弧度,可以隨意進行旋轉,在轉動軸位置具有緩沖裝置,可以減輕椅背與底座的碰撞。翻轉之后,之前作為椅背使用的部分達到地面,作為支撐部件使用。原來椅背坐墊位置的背面,作為梯子的第二個臺階使用,而與底座前腿契合的支撐腿之間的隱藏平板作為第三個臺階使用,如圖2(b)所示。
1.3有限元建模
應用ANSYS bench軟件對樓梯椅的兩種形態進行結構特性和受力分析,通過施加具體數值載荷,進行整體網格劃分和有限元分析,確定樓梯椅工作過程的受力情況,為以后提高結構合理性和延長使用壽命提供依據。
1.3.1 材料屬性
樓梯椅使用材料為三合板,其性質為:密度為0.6×103kg/m3,彈性模量為15GPa,泊松比為0.27。
1.3.2有限元分析
首先應用三維軟件UG建立樓梯椅的三維幾何模型。針對樓梯椅的兩種形態進行受力分析。根據計算需要,對椅子的臺階和座椅位置進行了倒圓角處理。應用hypermesh軟件進行網格劃分,網格劃分的優劣對模型受力分析有很大影響。本模型采用四面體實體網格劃分,網格平均尺寸為10mm,共有121886個單元。
在workbench中整個模型加載重量加速度,三個零件之間設置面面接觸,在座椅底部用剛性平面模擬地面,設置地面與零件之間的接觸,所以接觸的摩擦系數為0.3。針對座椅及梯子兩種狀態,椅子形態受到主要載荷為作用在座位上,梯子形態受到的主要載荷作用在最高階臺階處,分別施加2000N的垂向力。
(1)樓梯椅椅子形態有限元分析
經求解得到位移云圖和應力云圖,如圖3所示。通過分析可得,樓梯椅狀態位移云最大為0.23mm,最大應力為1.55Mpa。由應力分析圖可知,椅子最大應力出現在椅背座位下端的支撐腿位置,由于材料最大應力為15Gpa,所以從靜強度觀點來看,樓梯椅的結構完全滿足實際使用要求。
(2)樓梯椅樓梯形態有限元分析
經求解得到位移云圖和應力云圖,如圖4所示。
通過分析可得,樓梯椅狀態位移云最大為0.31mm,最大應力為3.9Mpa。由應力分析圖可知,樓梯椅最大應力,與椅子形態相同,同樣出現在第三階臺階下端的支撐腿位置,材料最大應力為15Gpa,所以從靜強度觀點來看,樓梯椅的結構完全滿足實際使用要求。
參考文獻:
[1]黃薇.小戶型住宅的實用與舒適的設計探討[J].家具與室內裝修.2013(5):15
[2]陳熙.系統化視角下的小戶型住宅家具設計研究[J].包裝工程.2015,36(22):112-115
[3]雷鳴.論擴展小戶型家居的產品創新設計[J].包裝工程.2014,35(22):37-40
[4]韓寶泰.一種折疊樓梯椅:中國,201520606657.2[P].2015-08-13
作者簡介:
姜德龍(1989-),男,遼寧省大連市人,碩士,研究方向:農業機械化工程。
項目名稱:
2017年云浮市科技計劃項目”羅竹“星創天地空間平臺(項目編號201702-7);2018年廣東大學生科技創新培育專項資金項目(攀登計劃專項)(項目編號pdjhb0939)多功能樓梯椅