基于ANSYS多功能座椅的靜力學分析

張自強， 王麗， 馬馳騁， 靳若竹

（長春工業大學 工程訓練中心，長春 130012）

0引 言

座椅是日常生活中應用最為廣泛的家具。傳統座椅功能單一，空間利用率低，且有些座椅結構不符合人機工程學原理，會給人帶來健康方面的危害［1］。為此，針對以上問題創新設計一種集座椅、搖椅和梯子三種功能于一身的多功能座椅。

隨著三維軟件的廣泛應用，三維設計軟件開始被越來越多的企業所接受。通過三維設計軟件，可以直觀地看到建成后的效果，可加快設計速度，極大地提高設計水平與設計質量［2］。所以說對多功能座椅進行三維建模是產品仿真和加工過程中不可缺少的環節。通過對三維模型的建立，可以直觀地看到多功能座椅的主體結構，預測其性能并進行合理優化。由于對多功能座椅結構需進行受力分析，因此，通過SolidWorks軟件進行三維建模并應用ANSYS軟件進行仿真分析是非常必要的。

1 多功能座椅的三維建模

在三維繪圖軟件SolidWorks中對座椅的零部件進行三維建模［3］，并在應用模塊化設計，即采用對單個模塊進行設計和裝配，最后組裝到一起的方法，對座椅的零件進行調整及改進。這樣設計既有利于查看各零部件之間的配合，也有利于各模塊之間的拆裝，縮短設計時間，所設計的多功能座椅總體結構如圖1所示。

1）梯子支架折疊及梯子中間踏板翻折結構設計。座椅前支架腿兩個側板內側安裝有可旋轉折疊的梯子支架，梯子支架旋轉折出并與受力裝置相接合，以保證梯子的穩定性。梯子中間踏板由座椅前支架腿和座椅后支架腿組成，采用鉸鏈機構設計，將座椅后支架腿翻轉180°置于座椅前支架腿上，相互重疊形成了中間踏板，實現梯子的功能，梯子結構如圖2所示。

2）搖椅弧面觸地結構設計。座椅后支架腿與座椅前支架腿采用弧形設計，將梯子放倒后，形成一個弧形面，將此弧形面作為搖椅觸地面結構,使搖椅能夠平穩的搖擺，搖椅結構如圖3所示。

3）靠背斜角式結構設計。座椅靠背的設計是根據人體工程學原理［4］，采用斜角式結構設計,根據調查數據顯示，滿足人體舒適度的角度是 110°～120°，考慮到多功能座椅整體結構的設計要求，采用118°的斜角作為座靠背傾角。

圖1 多功能座椅總體結構示意圖

圖2 梯子結構示意圖

圖3 搖椅結構示意圖

2 多功能座椅的靜力學分析

通過ANSYS軟件對多功能座椅進行有限元分析［5］，可以更好地模擬出它的工作狀態，現以搖椅狀態為例進行分析，通過下面幾個步驟進行有限元分析：1）建立模型，將模型導入ANSYS軟件；2）對模型進行網格劃分；3）對模型添加約束；4）對模型添加應力；5）進行仿真，得出應力分布云圖。

對多功能座椅的模型分別進行網格劃分，得到圖4搖椅網格劃分圖［6］。

通過以上操作步驟，得到如下結果：如圖5所示為應力分布云圖，當根據人體較大體重添加3 000 N時，通過云圖可以看出搖椅的變化在2 999～3 000 Pa之間，無應力破壞現象，符合工作條件。由此可知，根據人體質量當添加較大重力時，其應力變化均在承受載荷所允許的范圍內，因此該設計滿足正常的使用要求。

圖4 搖椅網格劃分圖

圖5 應力分布云圖

3結 語

利用ANSYS軟件對多功能座椅進行靜力學分析和數值模擬分析，得出了一系列應力分析云圖，根據分析結果可以清楚地看到各項分析數據，分析結果比較準確，是結構優化比較有效的方法。

［1］ 張啟亮，楊偉.辦公座椅設計中人體工程學分析［J］.蘭州工業高等?？茖W校學報，2011,18（ 4）：52-54.

［2］ 張龍江.Solid Works軟件在RH液壓系統設計中的應用［J］.重型機械，2004（ 2）：69-71.

［3］ 羅煜峰.基于Solid Works的參數化特征建模技術研究［J］.機械設計,2004，21（ 2） ：52-54.

［4］ 李強，肖楊.淺談人體工程學在現代設計中的應用［J］.科技創新導報，2010（ 28）：236.

［5］ 石建軍，馬念杰.ANASYS軟件在錨桿靜力分析中的應用［J］.華北科技學院學報，2007，4（ 4）：29-30.

［6］ 曹明，宋春明，張東升，等.基于ANSYS的定梁龍門機床橫梁靜力學特性分析及結構優化［ J］.機械工程師，2014（ 10）：112-114.