实木框架式家具结构的力学性能设计要素分析

实木框架式家具结构的力学性能设计要素分析家具设计包括家具的造型设计、功能设计、比例尺度的设计、结构及力学性能的设计、加工工艺的设计等众多环节，对造型、功能等的设计一直以来人们探讨得很多。然而，在实际设计中家具的结构及力学性能的设计却常常被设计师容易忽视，且较难掌握的部分。家具的结构及力学设计涵盖家具结构及接合形式、构件的构成形式、材料的性能、家具的受力及力学特性等许多方面。与板式家具相比，实木框架式家具因材料、结构体系、家具构成类型等多方面的因素，其结构力学的设计更复杂，要综合考虑的因素也更多。本文就从实木家具的材料特性、使用中的受力情况等方面对实木框架式家具的结构及力学性能设计的几个基本要素进行了探讨。1.木材的力学特性1.1实木框架式家具常用材料（1）木材中国传统实木框架式家具常采用木质坚硬、纹理细腻优美、具有独特色泽的硬木为主要材料，如紫檀、花梨、鸡翅木、乌木等。由于这类材料的色泽皆呈现出不同程度的红色，因而人们又习惯于把以这些优质硬木为材料的家具称为红木家具。但现代对红木的概念与传统有所不同，根据红木国家标准GB/T18107-2000的规定，确定了2科5属8类的33个树种为红木。其隶属于紫檀属、黄檀属、柿属、崖豆属及铁刀木属，归为紫檀木、花梨木、香枝木、黑酸枝木、红酸枝木、乌木、条纹乌木和鸡翅木8类。这些木材绝大多数是从东南亚、热带非洲和拉丁美洲进口，材质坚实致密，具有优良的加工性和装饰性。除了这些材质优良的硬木外，中国传统家具也采用如榉木、楠木、桦木、黄杨等非硬木。按照王世襄先生对明式家具非硬性木材的分类可分为十一类即榉木、楠木、桦木、黄杨、南柏、樟木、柞木、松木、杉木、楸木、椴木。这些材料在.美.林.家具中被广泛应用。在现代实木框架式家具中，常采用的木材有榆木、榉木、水曲柳、楸木、核桃木、橡木、桦木、杉木、松木等。对这些木材的物理力学性能的了解是家具结构及力学设计的基础之一。（2）附属用材除了木材以外，实木框架式家具也会采用一些非木材的附属用材，用于结构的连接、加固、装饰等构件。传统实木框架式家具的附属用材主要包括石材、棕、藤、绒绳等编织物、铜铁饰件、髹漆材料、粘合材料以及染料等。石材一般为白地带青色或灰青或褐黄花纹的大理石，以及白石、紫石、绿石、青石、黄石及花斑石等。棕、藤和绒绳大量用在凳、椅、床、榻的软屉上。铜和铁一般用于家具的合页、面页、包角等连接和加固构件，也用于装饰构件。还有螺钿、珐琅、玛瑙等镶嵌装饰材料。胶黏剂多采用黄鱼鳔，染料主要有苏木、槐花、杏黄、黑矾等。现代实木框架式家具除木材外，常采用的还有塑料、金属、玻璃、石材、皮革布艺等，用于家具的连结构件、装饰构件等的制作。1.2木材主要力学性能木材抵抗外部机械力作用的能力称为木材的力学性质。对于家具的结构来说，木材的弹性、硬度、韧性、强度等性能直接影响家具结构的稳定性和强度。（1）木材的弹性及弹性常数木材的弹性是指在卸除发生变形的荷载后，木材恢复其原有形状、尺寸或位置的能力。木材在弹性区域内应力与应变的比值关系由木材的弹性模量来表示。木材的弹性模量（E）是指木材产生单位应变所需要的应力，即E=应力/应变。它表征的是材料抵抗变形能力的大小，木材的弹性模量值愈大，说明在外力作用下愈不易变形，材料的强度也愈大。木材的抗压、抗拉、抗弯的弹性模量近似相等，但因木材的各向异性，木材三个主方向上的弹性模量不同，即纵向远大于横向，横向中径向大于弦向。木材的剪切弹性模量（G）是指是木材在剪切应力作用下，在弹性变形比例极限范围内，剪切应力与剪切应变之比。即G=τ/γ，其中τ为剪切应力(MPa)；γ为剪切应变(弧度)。剪切弹性模量表征材料抵抗剪切应变的能力。木材的剪切模量GLR（径面）＞GLT（弦面）＞GRT（横断面）。泊松比（m）是指木材的弹性应变在产生应力主轴方向收缩（拉伸）的同时还伴随有垂直于主轴方向的横向应变，横向应变与轴向应变之比称为泊松比。木材的泊松比均小于1。以上的弹性模量、剪切弹性模量和泊松比共同构成了木材的弹性常数。这些弹性常数可以通过试验以及相互之间的关系分别测定和推导计算出。（2）木材的力学性能指标木材的力学性能指标与木材所受外力载荷的形式和载荷作用方式有关。根据所受外力的种类可分为：压缩强度（包括顺纹抗压强度，横纹抗压强度，局部抗压强度）、拉伸强度（包括顺纹抗拉强度，横纹抗拉强度）、抗弯强度、抗剪强度、扭曲强度、冲击韧性、硬度、抗劈力等。其中木材顺纹理的抗拉强度最高，我国常见木材的顺纹抗拉强度平均值可达120～150MPa。但家具构件中受顺纹拉力的情况很少，且受拉伸作用的家具构件很少因为拉应力而破坏，常常是因为端部结点处横纹抗拉强度和剪切强度不够或胶合强度低而破坏。木材的顺纹抗压的情况在家具构件中很常见，如家具的腿足、立柱等构件的受力。我国常见木材的顺纹抗压强度平均值约为45MPa。而当作用力垂直于木材纤维时，家具构件就受横纹的压力。木材的横纹抗压强度要低于木材的顺纹抗压强度，且还因针阔叶材，以及早晚材、边心材、纹理等因素的影响而不同。使木材相邻两部分产生相对位移的外力称为剪切力。家具构件中的剪应力是由于作用于构件端部的剪切力引起的。家具构件中受到的多是垂直于纹理的剪切力，如榫头的连接处。木材垂直纹理的抗剪切强度约为顺纹的抗剪切强度的3～4倍。木材顺纹的剪切强度较小，我国常见木材的顺纹剪切强度约为12～15MPa。家具许多构件在使用过程中还会受到弯曲力的作用，如椅凳座面下的横枨、柜架的搁板等都会因人使用或物的载荷而发生弯曲变形。木材的抗弯强度值一般介于顺纹抗拉和顺纹抗压强度之间，我国常见树种木材的平均抗弯强度约为90MPa左右。木材属于高度各向异性的材料，各个方向的力学性能也因此存在较大的差异。总体来说，木材顺纹抗压、抗弯、顺纹抗拉、顺纹抗剪强度之间大致符合1:2:3:0.3的关系。（3）影响木材力学性能的主要因素木材的力学性能还受含水率、密度、载荷情况以及木材缺陷等因素的影响。木材密度是决定木材强度和刚度的物质基础。密度增大，木材强度和刚性增高。木材的弹性模量和剪切弹性模量也随密度的增加而增大。同时密度增大，木材韧性也成比例地增长。当木材含水率处在纤维饱和点以下时，木材强度随含水率的增高而降低。家具中许多构件会受长期载荷的作用，而在长期载荷作用下的木材强度，随作用时间的延长而减小，木材长期载荷强度远比瞬间强度小。此外，木材生长及木材加工中的各种缺陷如节子、腐朽、裂纹等也会影响木材的力学强度。有节子的木材一旦受到外力作用，节子及节子周围产生应力集中，与同一比重的无节木材相比，表示出小的弹性模量。2．实木框架式家具的受力分析2.1实木框架式家具常见受力源家具在使用过程中有两种受力来源：自重和在使用过程中承受的载荷。家具自重一般都很小，主要是承受的载荷，这两类力综合作用于家具上，主要产生压应力、拉应力、弯曲应力、剪切应力。家具所受的载荷根据其性质和作用的形式又可以分为静载荷、循环载荷、冲击载荷。静载荷即缓慢作用于物体上，其大小、方向和作用点都不随时间变化的载荷。家具使用过程中人坐在椅子上、桌子或柜架承放的物体给予的载荷都属于静载荷。循环载荷指有一定循环周期，间断作用的载荷。如家具使用中反复的抽拉抽屉、反复开关柜门等，家具构件所受的就是循环载荷。家具构件表现的也是抗疲劳、耐久性的性能。循环载荷比静载荷更容易引起家具构件和连接节点的破坏。冲击载荷是指瞬时突然施加在家具结构上的载荷，如人猛地蹦跳在椅子、床上，重物冲剂跌落于家具上等情况。冲击载荷对家具构件的破坏性最大。2.2实木框架式家具常见受力情况（1）椅凳在所有类型的家具中，椅凳与人的关系最密切，椅凳的受力与人使用过程中的各种情况有关。椅凳类家具的力学性能包括静载荷下的强度，重复使用、重复加载下的耐久性，冲击载荷下的强度，以及承受载荷时的抗倾翻能力等。表1对静载荷的各种使用情况下椅子各部位的受力、力学强度情况，以及误用的可能性进行了分析归纳。表2对循环载荷的各种使用情况下椅子座面和靠背的受力情况、耐久性，以及误用的可能性进行了分析归纳。表3对可能发生的冲击载荷下椅子各部位受力、力学强度情况，以及误用的可能性进行了分析归纳。表4对椅子承受载荷时向前、后及侧向倾翻的使用情况及误用可能进行了分析归纳。除以上几种受力情况外，还可能会出现椅凳在移动、搬运过程中的跌落的受力情况，反映的是椅凳整体框架结构的强度。（2）桌案桌案属于与人发生直接关系，并承托存放物品的凭倚类家具。桌案类家具的力学性能包括静载荷下的强度，重复使用、重复加载下的耐久性，冲击载荷下的强度，以及承受载荷时的抗倾翻能力等。除上述的受力情况外，桌腿一侧约束，桌面受偏离中心的垂直载荷时，有可能发生倾翻；桌腿一侧约束，桌面受水平力时，也有可能发生倾翻。（3）柜架柜架是与人发生间接关系，但与物品密切的储存类家具。这类家具的力学性能主要源于承托物品静载荷下的强度，各构件在重复使用下的耐久性，冲击载荷下的强度，以及承受载荷时的抗倾翻能力等。3．影响实木框架式家具结构力学性能的主要因素3.1材料的性能材料的性能是家具结构力学性能的基础。不同材料其物理力学性能、加工性能都会有很大的差异，这些性能会直接影响到家具结构力学的性能。不同树种的木材其物理力学性能差异很大，同时材料生长过程中也会受到各种因素的影响，存在不同程度的不足或缺陷，这些都将影响家具构件的力学性能。因此家具结构力学设计必须首先建立在对材料性能充分了解的基础上，才能合理确定家具结构的形式、构件的尺寸等要素。3.2结构形式家具结构的力学性能还与其三维的结构形式有关。不同类型的实木框架式家具有不同的结构组成、接合方式和零部件的构成形式，在承受同样载荷时因其结构不同所体现的强度性能也不同。在对家具承受载荷的受力分析中，必须考虑各构件的方向、所受力的形式、接合方式等因素的综合影响。3.3使用中的载荷如上文所述，家具使用过程中承受不同形式的载荷，载荷的属性和其作用方式也直接影响家具所表现出来的力学性能。在对家具进行结构力学分析时，必须针对实际家具使用过程中的各种载荷形式进行合理的载荷确定，才可能得出准确合理的分析结果。实木框架式是我国传统木家具的典型结构形式，随着现代家具工业及设计思想的发展，实木家具的构成及接合形式也有新的变化，但框架式的基本结构体系仍是实木家具结构的核心。实木家具的材料特性、结构形式、受力情况等是这类家具结构及力学设计的几个基本要素，在实际设计中对这些要素的全面了解和综合考虑是获得良好的结构及力学性能的保证。