鋁合金一體式折疊桌椅結構設計及方案優(yōu)化

王樂洋，張宗鑠，張志宇，王洪卓，邵倩男，李 斌

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003）

0 前言

折疊桌椅是一種輕便、可疊放且具有藝術價值的桌椅，既方便搬動，又節(jié)省空間[1-2]。通常折疊桌椅按用途可以分為家用折疊桌椅、戶外折疊桌椅、會議折疊桌椅等。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活和工作方式對家具的使用產(chǎn)生了新的需求，一種造型多樣、用途廣泛、承載能力強、操作靈活、價格優(yōu)惠、便攜的一體式折疊桌椅應運而生，市場需求量巨大[3-5]。根據(jù)國際市場研究機構預測，全球折疊家具市場年均增長率為6.9%，預計2022年全球折疊家具市場交易額將達到839億元[4-6]。折疊桌椅作為折疊家具中的一種細分產(chǎn)品，其市場前景同樣廣闊[7]。

鋁合金具有質量輕、塑造性強的特點，廣泛應用于折疊桌椅中，常見的是一桌四椅的結構形式，用途廣泛，經(jīng)常應用于戶外以及大型的會展中心。鋁合金折疊桌椅更是一些機構戶外推廣、百姓戶外野餐自駕游等使用最頻繁的產(chǎn)品[8-10]。結構上，這類產(chǎn)品按照力學原理設計而成，架構堅固，使用壽命長，操作簡單，使用方便；價格上，比較實惠，根據(jù)質量、大小價格也會有所不同，可以滿足消費者眾多需求。

1 原始設計方案

1.1 原始設計參數(shù)

鋁合金折疊桌椅具有輕質高強、外觀美觀、易于攜帶、穩(wěn)定性強、使用壽命長、不易銹蝕、可回收利用的特點[5]。

此次設計的鋁合金一體式折疊桌椅為一桌四椅結構，材料為6061-T6/T4鋁合金，主要連接方式為螺接及鉚接，折疊桌椅打開狀態(tài)尺寸為1306 mm×850 mm×720 mm，關閉狀態(tài)尺寸為850 mm×375 mm×140 mm，桌面承載量為100 kg，椅子承載量為90 kg，該折疊桌椅總用鋁量為11.7 kg。該鋁合金一體式折疊桌椅打開狀態(tài)二維圖如圖1所示，關閉狀態(tài)二維圖如圖2所示。

圖1 鋁合金一體式折疊桌椅打開狀態(tài)二維圖

圖2 鋁合金一體式折疊桌椅關閉狀態(tài)二維圖

1.2 整體結構設計

鋁合金一體式折疊桌椅由桌面結構、桌椅折疊連接件結構及椅子結構組成，桌面結構采用6061-T4鋁合金材料，桌椅折疊連接件結構多為塑料材質，其主體架構采用6061-T6鋁合金材料，椅子結構均采用6061-T6鋁合金擠壓型材。桌面結構采用螺接及鉚接結合的方式；桌面結構、桌椅折疊連接件結構及椅子結構采用螺接的連接方式。另外，各結構均采用銀白氧化的表面處理方式，以提高桌椅使用壽命，降低維修成本。鋁合金一體式折疊桌椅三維數(shù)模如圖3所示。

圖3 鋁合金一體式折疊桌椅三維數(shù)模

2 原始方案仿真分析結果

針對此次設計的鋁合金一體式折疊桌椅，桌椅腿部與地面固定連接。根據(jù)實際使用工況及參照國家標準GB 28478-2012《戶外休閑家具安全性能要求桌椅類產(chǎn)品》的要求，在桌面中心位置加載集中載荷（500 N），在椅子中間位置、距一邊側面80 mm處加載集中載荷（1 100 N），然后進行靜力學分析，校驗強度和剛度是否滿足使用要求。

有限元分析結果表明：鋁合金一體式折疊桌椅的最大應力為229.6 MPa，小于6061-T6擠壓鋁合金的屈服強度240 MPa，而最大變形量為6.845 mm，并未產(chǎn)生明顯變形，不會破壞桌面主體結構。因此，該鋁合金一體式折疊桌椅的剛度和強度均滿足設計要求。

3 原始方案產(chǎn)品缺陷分析

根據(jù)原始設計方案生產(chǎn)樣件，并用于實際試驗。為驗證產(chǎn)品性能是否滿足使用需求，4個成年人分別坐在該樣件的椅子上，發(fā)現(xiàn)該樣件椅面縱向實際使用長度較短，椅面型材較??；當4人同時坐在椅面上時，椅面出現(xiàn)明顯變形且結構晃動。另外因椅面與桌面范圍有限，人長期坐在椅面上容易出現(xiàn)疲累現(xiàn)象，舒適度差，且生產(chǎn)初期，未對零件結構做圓角處理，存在尖角結構，安全性能較差。針對以上缺陷，需對原始設計方案進行優(yōu)化設計。

4 優(yōu)化設計方案

4.1 優(yōu)化改進方案

由于一體式折疊桌椅原始方案存在承載量低、舒適度差、安全性無保障等問題，故對其結構進行改進[6]。在折疊狀態(tài)尺寸不變情況下，桌椅展開后總長度由1 306 mm變?yōu)? 400 mm，椅面縱向長度由268 mm增至最大310 mm，使空間利用率最大化；新增椅背結構，增加產(chǎn)品舒適度，椅背結構利用L型插銷連接固定，拆裝便捷；另考慮到人員體重的日漸增加，故增厚椅面板型材壁厚，將椅子承載量提升至150 kg；原始方案鋁合金折疊桌椅的椅子采用正方形椅面，存在尖角結構，極易劃傷使用者?，F(xiàn)利用鋁材加工的優(yōu)勢，改變鋁型材截面，在椅面型材截面增加圓角，且桌椅邊緣處均設計為圓弧封邊結構，以保護使用人員的安全，更加人性化。改進優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4 鋁合金一體式折疊桌椅優(yōu)化方案三維數(shù)模

4.2 方案對比分析

通過優(yōu)化設計，改進了鋁合金一體式折疊桌椅原始設計方案中的不足之處，具體方案對比分析結果如表1所示。

表1 鋁合金一體式折疊桌椅方案對比分析結果

5 小結

針對鋁合金一體式折疊桌椅原始方案存在的承載量低、舒適度差、安全性無保障等問題進行設計優(yōu)化。優(yōu)化后的鋁合金一體式折疊桌椅方案在滿足使用工況的同時，提高并完善了產(chǎn)品的空間利用率和安全可靠性，提升了桌椅的使用舒適性。鋁合金一體式折疊桌椅由于其材料回收殘值大等特點，符合國家倡導的綠色環(huán)保發(fā)展理念，實現(xiàn)可循環(huán)使用。同時由于其質量輕、耐腐蝕、外形美觀、使用壽命長等優(yōu)勢，必將具有廣闊的市場前景。經(jīng)過實踐與優(yōu)化，該產(chǎn)品實用、穩(wěn)定，具有一定的推廣價值。