桉木多層板插接結(jié)構(gòu)T型構(gòu)件力學強度的研究?

陳于書 劉 娜

插接結(jié)構(gòu)家具不但具有板式家具的可拆裝性、易加工性、便于平板化包裝等特點，而且還兼?zhèn)淞藗鹘y(tǒng)木質(zhì)家具榫卯結(jié)構(gòu)的特點，其結(jié)構(gòu)主要通過構(gòu)件的卡口之間的交叉相互勾掛達到穩(wěn)定的目的[1]。插接式結(jié)構(gòu)的家具通常采用尺寸較規(guī)整的人造板作為主要材料，可以使用CNC進行加工，其加工方式更為方便、快捷、精度高等，不需要通過五金件及膠黏劑連接，并且可以實現(xiàn)反復拆裝[2-4]。影響插接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有：材料的特性、卡口尺寸、插接結(jié)構(gòu)家具的造型、插接結(jié)構(gòu)的類型及使用環(huán)境等因素[5-6]。在不同的使用狀態(tài)下，想要保持其穩(wěn)定性，在插接結(jié)構(gòu)家具設(shè)計中需要對材料的厚度、不同部位的結(jié)構(gòu)、節(jié)點部位的尺度等方面進行考慮。其中插接式結(jié)構(gòu)各個部位的連接節(jié)點處的卡口尺寸大小，又顯得尤為關(guān)鍵，它決定了插接結(jié)構(gòu)的家具在承載時是否穩(wěn)定，而穩(wěn)定性又直接反映了其接合強度[7-11]?？诔叽邕^小則承載強度不夠，卡口尺寸過大不但不美觀，而且還會浪費原材料，提高生產(chǎn)成本[12]。因此，插接結(jié)構(gòu)卡口之間的接合尺寸及接合強度，決定了插接結(jié)構(gòu)家具整體結(jié)構(gòu)的強度。

筆者主要以柳桉多層板插接結(jié)構(gòu)的節(jié)點強度進行研究及分析。對12種不同卡口尺寸接合的構(gòu)件節(jié)點的抗拔、抗彎和抗扭轉(zhuǎn)強度及其破壞形式進行比較分析，以期通過分析比較得出最佳的卡口尺寸范圍，為插接結(jié)構(gòu)家具設(shè)計提供參考。

1 實驗材料及設(shè)備

柳桉木多層板（上海百強木業(yè)有限公司生產(chǎn)），厚度為18 mm，其氣干密度為0.58 g/cm3，含水率為12.04 %，幅面尺寸為1 220 mm×2 440 mm；加工設(shè)備主要有精密推臺鋸、橫截鋸、數(shù)控機床等。實驗設(shè)備為島津萬能力學實驗機以及相關(guān)輔助夾具、游標卡尺。實驗在室內(nèi)環(huán)境下進行，環(huán)境溫度為20 ℃，相對濕度 48%。

2 實驗試件及加工方法

2.1 試件尺寸

首先，通過精密推臺鋸將板材鋸成60 mm寬的板條，然后，利用橫截鋸鋸截成200 mm長試件，并通過數(shù)控機床進行孔及卡口的加工，并用砂紙對試件進行打磨，去掉試件邊部多余的毛刺，最后將其組裝成T型構(gòu)件，陳放一周后進行測試。試件詳細尺寸見圖1，其中a為卡口深度，b為卡口端部出頭長度。

圖1 試件尺寸Fig.1 Size of specimen

2.2 實驗方法

該研究主要探討構(gòu)件卡口深度a與卡口端部出頭長度b對插接結(jié)構(gòu)抗拔、抗彎以及抗扭轉(zhuǎn)三種強度的影響，其中a的尺寸分為4個水平，尺寸范圍為10～40 mm，10 mm為一個級差，主要是考慮卡口深度對節(jié)點強度的影響。b的尺寸分為3個水平，變化范圍為10～20 mm，5 mm為一個級差，主要是考慮卡口端部出頭長度對節(jié)點強度的影響。為了盡量減少由構(gòu)件尺寸的變化而導致構(gòu)件剛度變化對結(jié)點強度造成的誤差，取橫向構(gòu)件與豎向構(gòu)件的名義間隙量為0.2 mm?？谠敿毘叽缃M合如表1所示。每個組合重復9次實驗，并取其平均值?？拱?、抗彎及抗扭實驗的加載方式如圖2所示，加載速度以5 mm/s，進行垂直加載。

表1 卡口尺寸組合Tab.1 Group of bayonet size mm

圖2 抗拔、抗彎及抗扭實驗示意圖Fig.2 Schematic of anti-pulling, anti-bending and anti-torsion test

抗拔實驗中，采用T型構(gòu)件，為保持構(gòu)件平穩(wěn)，加載點應在試件中心位置，故需對橫向構(gòu)件上孔的位置進行調(diào)節(jié)，使接合后豎向構(gòu)件處于橫向構(gòu)件中點處；抗彎實驗中采用的T型構(gòu)件，由于卡口尺寸的不同，導致構(gòu)件夾持端到節(jié)點的距離不同，為便于直接比較節(jié)點抗彎強度，由彎矩計算公式[12]（1）可知僅需保證力臂相同即加載點與加載點之間的距離相同；而在抗扭轉(zhuǎn)實驗中，通過調(diào)節(jié)試件的夾持位置，使各組實驗中夾持點與節(jié)點的距離相同，故通過試驗機所測的數(shù)據(jù)即可比較節(jié)點抗扭轉(zhuǎn)的強度。

式中：M——破壞彎矩，N·m；

F——屈服極限時的荷載，N；

L——加載點至基點的跨距，m。

3 實驗結(jié)果及分析

針對表1中12種不同的卡口尺寸，按照以上方法進行實驗，實驗結(jié)果詳見表2，其中表格中縱向第一列中的10、15、20代表不同卡口端部出頭長度b，表格橫向第二行中的10、20、30、40代表不同卡口深度a。

3.1 抗拔實驗結(jié)果

表3為T型構(gòu)件破壞特征：不同卡口深度及卡口端部出頭長度構(gòu)件均出現(xiàn)較明顯的破壞，在b的尺寸為10 mm時，隨著a的增加，卡口均發(fā)生不同程度的斷裂。在b的尺寸為15 mm時，a的尺寸為10 mm時立板破壞；a的尺寸為20 mm時卡口斷裂；a的尺寸為30 mm時卡口與立板均斷裂；a的尺寸為40 mm時卡口斷裂。在b的尺寸為20 mm時，a的尺寸為10 mm時卡口斷裂；a的尺寸為20、30 mm時立板斷裂，這說明卡口尺寸在這時大于立板的強度；卡口深度為40 mm時，卡口與立板均破壞，說明這個時候材料與卡口的配合值達到最大。

表2 實驗結(jié)果匯總Tab.2 Results of experiments

表3 構(gòu)件抗拔實驗的破壞形式Tab.3 Destroyed types of component under anti-pulling test mm

由圖3可知，在抗拔實驗中，隨著a的增加，其承載強度逐漸降低。其中b為10 mm時，a從10 mm到40 mm，構(gòu)件的抗拔強度變化不顯著。當b為15 mm和20 mm時，a的變化對構(gòu)件抗拔強度影響顯著，其中當b為20 mm，a為10 mm時，其抗拔強度最大為2 182 N?？拱螐姸茸钚〉氖莃為10 mm，a為40 mm時，其強度為1 311 N。

圖3 卡口深度a對抗拔強度的影響Fig.3 Inf l uences of bayonet depth a on anti-pulling strength

圖4為卡口端部出頭長度b對抗拔強度的影響，隨b的增加，其承載強度逐漸升高，對構(gòu)件抗拔強度影響較明顯。當a為10 mm時，受b的影響最大，其抗拔強度值上升最快；當a為40 mm時，受b的影響最小，其抗拔強度值上升較慢。當b為10 mm時，a從10 mm到40 mm，其抗拔強度值基本一致，均在1 300～1 400 N之間。

圖4 卡口端部出頭長度b對抗拔強度的影響Fig.4 Inf l uences of bayonet end length b on anti-pulling strength

圖5為a與b的尺寸對構(gòu)件抗拔強度的共同作用分析結(jié)果，其可以完整地描述a與b在各自定義域內(nèi)對節(jié)點強度的影響，詳細數(shù)值如圖中標尺所示。由圖可知，響應曲面隨著卡口尺寸a與b的變化，并未呈現(xiàn)出單調(diào)增長或降低趨勢，說明插接節(jié)點抗拔強度由卡口尺寸a與b共同決定。

圖5 卡口尺寸a與b對構(gòu)件強度的共同作用Fig.5 Combined inf l uence of size a and b on component strength

通過Origin軟件對實驗結(jié)果進行擬合，得到方程式（2），其中a代表卡口深度，b代表卡口端部出頭長度，Y為構(gòu)件抗拔強度，結(jié)合抗拔實驗結(jié)果及共同作用結(jié)果進行分析，可以看出構(gòu)件的卡口端部出頭長度b為15～20 mm，卡口深度a為10～20 mm較合理。通過此方程即可預測插接結(jié)構(gòu)T型構(gòu)件的抗拔強度，可用于指導對節(jié)點抗拔強度要求較高的家具設(shè)計。

3.2 抗彎實驗結(jié)果

表4為抗彎實驗中T型構(gòu)件的破壞特征：主要為立板孔的下方出現(xiàn)不同程度的壓痕，以及部分卡口斷裂。其中，在b為10 mm，隨著a的增加，在20 mm時豎向構(gòu)件的卡孔邊緣的材料出現(xiàn)壓痕；a為30、40 mm時卡口斷裂。在b為15 mm，a為20 mm時卡孔邊緣的材料出現(xiàn)壓痕；a為30 mm時卡口出現(xiàn)裂痕；a為40 mm時卡口斷裂。在b為20 mm，a為20 mm時卡孔邊緣出現(xiàn)較大面積的擠壓痕跡；a為30 mm時卡孔邊緣的材料出現(xiàn)較深壓痕；在a為40 mm，橫向構(gòu)件與豎向構(gòu)件均破壞，說明這個時候材料與卡口的配合值達到最大。

表4 構(gòu)件抗彎實驗的破壞特征Tab.4 Destroyed characteristics of component anti-bending test

如表2所示為抗彎實驗結(jié)果，從實驗現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)中可明顯看出，當卡口端部出頭長度b過小時，橫向與豎向構(gòu)件接合強度極低，故在以下數(shù)據(jù)分析時，不包含卡口深度a為10 mm組的數(shù)據(jù)。

由圖6可知，在抗彎力學試驗中，固定a的尺寸，構(gòu)件抗彎強度隨b的增加呈遞增趨勢。三種不同b在a為10 mm時構(gòu)件的抗彎強度區(qū)別不大，而隨著a尺寸的增加，b尺寸的抗彎強度的排列順序為：20 mm＞15 mm＞10 mm。如圖7所示，當固定b時，隨著a尺寸的增加，其抗彎強度有所提高，但受b的影響較小。

圖8為卡口尺寸a與b對構(gòu)件抗彎強度的共同作用

圖6 卡口深度a對抗彎強度的影響Fig.6 Inf l uences of bayonet depth a on antibending strength

圖7 卡口端部出頭長度b對抗彎強度的影響Fig.7 Inf l uences of bayonet end length b on anti-bending strength

圖8 卡口尺寸a與b對構(gòu)件抗彎強度的共同作用Fig.8 Combined inf l uence of size a and b on component anti-bending strength

mm結(jié)果，由圖可知對構(gòu)件抗彎強度隨著a的增加而增加，而隨著b的變化對構(gòu)件的抗彎強度并無顯著影響，故可判斷構(gòu)件抗彎強度主要受a的影響。

通過對實驗結(jié)果進行擬合，得到方程（3），其中a代表卡口深度，b代表卡口端部出頭長度，Y為構(gòu)件抗彎強度，由方程可計算出不同a值與b值組合時的構(gòu)件抗彎強度，且相關(guān)性系數(shù)較高為0.997 4。通過不同卡口尺寸的抗彎強度與構(gòu)件破壞情況分析，得出該研究中b為15～20 mm，a為30～40 mm時構(gòu)件強度較高。通過此方程即可預測插接結(jié)構(gòu)T型構(gòu)件的抗彎強度，故其可用于指導插接結(jié)構(gòu)家具設(shè)計。

3.3 抗扭轉(zhuǎn)實驗結(jié)果

如圖9所示為抗扭轉(zhuǎn)實驗構(gòu)件的主要破壞特征。橫向構(gòu)件的材料自身破壞如圖9-1、橫向構(gòu)件變形如圖9-2以及橫向構(gòu)件端部開裂如圖9-3，構(gòu)件的破壞形式隨著卡口尺寸a的逐漸增加產(chǎn)生變化，a為10 mm時主要為材料自身的破壞，當a為40 mm時主要破壞為橫向構(gòu)件端部斷裂。豎向構(gòu)件立板基本完好，沒有出現(xiàn)開裂或斷痕。

圖9 構(gòu)件抗扭轉(zhuǎn)實驗的破壞特征Fig.9 Destroyed characteristics of component anti-torsion test

圖10是通過固定a得出b隨著卡口尺寸a變化的曲線圖，從圖中可以看出b的強度隨著a的增加逐漸降低，并且在a為40 mm時構(gòu)件的抗扭強度最低，平均值均在120 N左右，在卡口深度為20～40 mm時，抗扭強度呈直線下降；不同卡口端部出頭長度為10～15 mm的抗扭強度相似，抗扭強度值差異不明顯。

圖10 卡口深度a對抗扭強度的影響Fig.10 Inf l uences of bayonet depth a on anti-torsion strength

由圖11可知，固定b的尺寸，構(gòu)件的抗扭強度隨著a的增加呈階梯式遞減的關(guān)系。其中，在a的尺寸為10mm時，其抗扭轉(zhuǎn)強度最大，在350～440N之間；在a為40mm時，構(gòu)件抗扭轉(zhuǎn)強度為120N；構(gòu)件a尺寸的抗扭強度的排列順序為：10mm ＞20mm＞30mm＞40mm。

圖11 卡口端部出頭長度b對抗扭強度的影響Fig.11 Inf l uences of bayonet end length b on anti-torsion strength

由圖12可知b對抗扭強度影響并不大，隨著b值的增大，抗扭強度并未有明顯增長；而隨著a值的增加，構(gòu)件的抗扭強度也相應地增加，由此說明構(gòu)件的抗扭強度主要受a的尺寸影響，且當a的值為10 mm時，構(gòu)件的抗扭強度最大。

圖12 卡口尺寸a與b對構(gòu)件抗扭轉(zhuǎn)強度的共同作用Fig.12 Combined inf l uence of size a and b on component anti-torsion strength

進一步對實驗結(jié)果進行擬合，可得到方程（4），其中a代表卡口深度，b代表卡口端部出頭長度，Y為構(gòu)件抗扭強度，由方程可計算出不同a值與b值組合時的構(gòu)件抗扭強度，且相關(guān)性系數(shù)較高為0.986 8。根據(jù)計算與構(gòu)件破壞形式分析，卡口端部出頭長度設(shè)置為10～15 mm，卡口深度設(shè)置在10～20 mm較合理。通過此方程即可預測插接結(jié)構(gòu)T型構(gòu)件的抗扭強度。

4 結(jié)論

通過對桉木多層板插接結(jié)構(gòu)的12種不同卡口尺寸的實驗結(jié)果及結(jié)論進行綜合分析，可以得出，當卡口深度a與構(gòu)件寬度比在0.17～0.33倍的區(qū)間內(nèi),卡口端部出頭長度為多層板厚度的0.83倍時，適用于對抗拔、抗扭載荷要求較高的家具，其卡口尺寸設(shè)計在這個區(qū)間內(nèi)較為穩(wěn)定；而當卡口深度a與構(gòu)件寬度比在0.5～0.67倍的區(qū)間內(nèi),卡口端部出頭長度是多層板厚度的0.83倍時，該區(qū)間內(nèi)的卡口尺寸適用于對抗彎強度要求較高的家具部位。因此，將其運用在插接結(jié)構(gòu)家具設(shè)計中時，需要根據(jù)家具的受力情況及載荷方向進行選擇。文中僅針對了最常見的一類插接結(jié)構(gòu)的不同卡口尺寸對插接結(jié)構(gòu)家具的影響進行了分析，通過得出的擬合方程為插接結(jié)構(gòu)家具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供方法和參考依據(jù)。今后還可進一步對不同結(jié)構(gòu)、材料、飾面材質(zhì)對插接結(jié)構(gòu)節(jié)點強度的影響以及插接結(jié)構(gòu)的耐久性進行研究。

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