文/張小吉

沙發(fā)的舒適感來自軟質(zhì)材料的支撐。其軟質(zhì)材料按功能分為兩種：一種提供柔軟度，如包覆物中的發(fā)泡橡膠或其他軟性材料；另一種提供彈性支撐，如座框中所設(shè)置的蛇簧、彈簧或彈性繩。目前，市場上使用較廣且技術(shù)較成熟的沙發(fā)結(jié)構(gòu)為配置多條蛇簧的一體化式座框（見圖1）。蛇簧的母線結(jié)構(gòu)形式分為3種：平狀、弓狀和圓弧狀，峰形結(jié)構(gòu)分為兩種：矩形和圓形。

圖1 蛇簧座框結(jié)構(gòu)示意圖

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《軟體家具 沙發(fā)》（QB/T 1952.1-2012）第5.5條對于沙發(fā)耐久性檢驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定如下：“經(jīng)各相應(yīng)等級測試后，沙發(fā)座、背及扶手的面料應(yīng)完好無損，面料縫紉處無脫線或開裂，墊料無移位或破損，彈簧無傾斜、無松動或斷簧，繃帶無斷裂損壞或松動，骨架無永久性松動或斷裂。”目前，在耐久性測試中，蛇簧斷裂是主要的產(chǎn)品損壞形式，制造企業(yè)的解決辦法是：在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加多條蛇簧，以分散其下壓力產(chǎn)生的壓強(qiáng)，從而減少每條蛇簧的應(yīng)力。但此種方式會增加企業(yè)成本。已有的相關(guān)研究有：張琳[1]等人對沙發(fā)彈簧坐墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，以期得到座框的力學(xué)模型，為力學(xué)模型分析提供一些理論支持。王麒宇[2]等人利用有限元橫梁模型搭載了一個立體的沙發(fā)框架，研究出了一種搭建沙發(fā)框架的簡易方法。本文結(jié)合前人研究，嘗試使用有限元分析技術(shù)來比較不同峰形的平狀蛇簧在相同壓下量作用下的受力情況，從而為沙發(fā)設(shè)計(jì)、蛇簧的制作和使用過程提供參考。

一、蛇簧模型與相關(guān)尺寸

本文研究的蛇簧是在國內(nèi)沙發(fā)設(shè)計(jì)與制造過程中被廣泛采用的平狀圓形等節(jié)距蛇簧與平狀矩形等節(jié)距蛇簧。為便于比較，本文中所選的模型總長均為550 mm，彈簧橫截面均為直徑3.50 mm的圓形，節(jié)距均為22 mm，峰高均為37 mm，具體參數(shù)見圖2和圖3。

圖2 平狀圓形等節(jié)距蛇簧模型與尺寸/mm

圖3 平狀矩形等節(jié)距蛇簧模型與尺寸/mm

二、分析過程

1. 設(shè)置材料參數(shù)

結(jié)合《冷拉碳素彈簧鋼絲》（GB/T 4357-2009）的要求，彈簧材料設(shè)定為冷拉碳素彈簧鋼絲，該種材料的物理參數(shù)為：彈性模量為201 GPa，泊松比為0.29，屈服極限為350 MPa[3]。

2. 邊界條件和載荷條件

邊界條件：蛇簧與框架通過彈簧扣連接（見圖4）。在有限元分析中，模型兩端的直線段分別約束3個方向的平動自由度和2個方向的轉(zhuǎn)動自由度，即UX= 0，UY= 0，UZ= 0，ROTY= 0，ROTZ= 0。

圖4 蛇簧與框架連接示意圖

載荷條件：模型模擬實(shí)際使用過程中的工況，假設(shè)兩種蛇簧分別受到相同的位移壓下量UZ= –100 mm，作用位置為蛇簧長度方向中點(diǎn)處。

3. 結(jié)果分析

① 軸向力分布云圖的比較

在仿真ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析來評估相關(guān)模型，其材料性能參數(shù)需符合上述材料物理參數(shù)的規(guī)定，其加載邊界條件與載荷條件需符合上述邊界和載荷條件的規(guī)定，以獲得其軸向力部分的力分布云圖。圖5為平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。圖6為平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。

當(dāng)平狀圓形等節(jié)距蛇簧中間位置受到的壓下量為100 mm時，其最大軸向力為290 N，最大軸向應(yīng)力為：σ=F/S=290/[π×（0.0035/2）2] =30.1 MPa，其中S為蛇簧截面積。

軸向應(yīng)力分布詳見圖5–a。與受力方向平行的區(qū)域軸向應(yīng)力最大，后逐步減少至受力方向垂直的蛇簧部分，軸向應(yīng)力較大的位置主要位于平狀圓形等節(jié)距蛇簧弧形段的峰頂處（見圖5–b）。

圖5 平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

當(dāng)平狀矩形等節(jié)距蛇簧中間位置受到相同的壓下量時，其最大軸向力為207 N，最大軸向應(yīng)力為：σ=F/S=207/[π×（0.0035/2）2] =21.5 MPa。

軸向應(yīng)力較大的位置主要位于平狀矩形等節(jié)距蛇簧與受力方向平行的區(qū)域處，并且蛇簧與該部分的軸向應(yīng)力趨于均勻一致（見圖6–b）。

圖6 平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受軸向力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

上述兩種情況說明，在相同壓下量為100 mm時，平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的軸向應(yīng)力最大值較平狀圓形等節(jié)距蛇簧小，且最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)在與受力方向平行的區(qū)域中，兩種蛇簧結(jié)構(gòu)相較而言，平狀矩形等節(jié)距蛇簧抗拉能力更優(yōu)。在對軸向力分布云圖進(jìn)行比較時，我們可觀察到，軸向力分布范圍均集中在蛇簧與拉力方向平行的區(qū)域，平狀矩形等節(jié)距蛇簧與平狀圓形等節(jié)距蛇簧相比，平行于受力方向的受力長度之和較大，故平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的軸向應(yīng)力最大值較平狀圓形等節(jié)距蛇簧小。

② 剪切力分布云圖的比較

圖7為平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。圖8為平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域。

圖7 平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

圖8 平狀矩形等節(jié)距蛇簧所受剪切力分布云圖和局部放大顯示區(qū)域

當(dāng)平狀圓形等節(jié)距蛇簧中間位置受到的壓下量為100 mm時，其最大剪切力為474 N，最大截面剪切應(yīng)力σ =F/S =474/[π×（0.0035/2）2] =49.3 MPa。剪切應(yīng)力較大的位置主要位于平狀圓形等節(jié)距蛇簧弧形段過渡到直線段的區(qū)域（見圖 7–b）。

在相同壓下量的情況下，平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的最大剪切力為829 N，最大截面剪切應(yīng)力σ = F/S =829/[π×（0.0035/2）2] =86.2 MPa。剪切應(yīng)力較大的位置主要位于平狀矩形等節(jié)距蛇簧的圓角區(qū)域（見圖8–b）。

在相同壓下量為100 mm的情況下，平狀矩形等節(jié)距蛇簧受到的剪切應(yīng)力最大，是平狀圓形等節(jié)距蛇簧所受剪切應(yīng)力的1.75倍。在剪切應(yīng)力分析中，平狀矩形等節(jié)距蛇簧相比平狀圓形等節(jié)距蛇簧在轉(zhuǎn)角處容易造成應(yīng)力集中，也更容易造成失效。剪切應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因多數(shù)由受力物體的形狀所導(dǎo)致，平狀矩形等節(jié)距蛇簧在使用時，應(yīng)特別注意彎角處剪切應(yīng)力較大的問題。

三、結(jié) 論

本文主要分析了平狀圓形等節(jié)距蛇簧和平狀矩形等節(jié)距蛇簧在相同壓下量100 mm情況下的受力分布，最后得出：兩種不同結(jié)構(gòu)的平狀等節(jié)距蛇簧在相同壓下量時，所受軸向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的情況存在一定差異；兩種不同結(jié)構(gòu)的平狀等節(jié)距蛇簧在相同的直徑下，剪切應(yīng)力和軸向應(yīng)力此消彼長。相關(guān)人員需結(jié)合不同的設(shè)計(jì)、工況選取不同形狀的蛇簧，從而增加沙發(fā)產(chǎn)品類家具的使用壽命。