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      板式T型構(gòu)件圓棒榫連接節(jié)點(diǎn)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計?

      2022-12-26 03:10:22王雨凡張仲鳳
      林產(chǎn)工業(yè) 2022年12期
      關(guān)鍵詞:圓棒板式承載力

      王雨凡 任 毅 張仲鳳

      (中南林業(yè)科技大學(xué),國家林業(yè)和草原局綠色家具工程技術(shù)研究中心,湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410004)

      對家具而言,節(jié)點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位,是影響產(chǎn)品整體穩(wěn)定性及壽命的主要因素[1-4]。隨著使用時間的增加,在自然環(huán)境及人為因素的作用下,節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能會不可避免地受到影響,導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的安全性降低。板式柜類擱板發(fā)生形變?yōu)槌R妴栴},而擱板與側(cè)板接合節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度不夠是擱板發(fā)生形變的原因之一。為增強(qiáng)板式柜類擱板的角接合強(qiáng)度,改善擱板形變問題,本文針對板式T型構(gòu)件進(jìn)行研究。圓棒榫生產(chǎn)方便、成本低,是家具產(chǎn)品中常用的連接件[5]。板式家具通常由偏心連接件配合圓棒榫進(jìn)行連接,圓棒榫在其中起著定位和連接的雙重作用,其自身尺寸、材料、表面紋理等皆對板式構(gòu)件接合性能產(chǎn)生影響。何風(fēng)梅[6]通過有限元分析,發(fā)現(xiàn)通過圓棒榫和偏心連接件連接的L型構(gòu)件,其最大形變量隨著圓棒榫直徑的增大而減小。司傳領(lǐng)[7]對圓棒榫及其他連接件接合構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行對比,指出以圓棒榫為接口的角結(jié)合試件強(qiáng)度大于三合一偏心連接件角結(jié)合強(qiáng)度,而次于倒刺固定連接件,且T型接合試件的角結(jié)合強(qiáng)度值大于L型試件。蔡紹祥[8]通過研究表明:隨著圓棒榫數(shù)量的增加,構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度也有所增大,但圓棒榫的抗拉強(qiáng)度呈減小趨勢,且直徑為8 mm的圓棒榫其抗拉性能最優(yōu)。除單榫棒外,學(xué)者們還對雙圓棒榫進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨著圓棒榫直徑的增加,試件的極限抗拔和抗彎強(qiáng)度及節(jié)點(diǎn)的抗彎強(qiáng)度均有所增大[9-10]。以上研究皆僅對單因素變量進(jìn)行考察,而節(jié)點(diǎn)接合性能是多因素共同作用的結(jié)果。因此,本文采用正交試驗的方法,綜合考察圓棒榫的直徑、長度及材料這三個因素對板式T型構(gòu)件抗彎強(qiáng)度的影響。

      目前關(guān)于家具的優(yōu)化研究,多為在控制產(chǎn)品質(zhì)量在容差范圍內(nèi)的前提下,對產(chǎn)品尺寸進(jìn)行極限優(yōu)化[11]。但在實(shí)際生產(chǎn)中,若某一生產(chǎn)步驟產(chǎn)生輕微誤差,導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)值發(fā)生變化,使數(shù)值超出極限優(yōu)化尺寸,產(chǎn)品質(zhì)量也隨之改變,從而導(dǎo)致該產(chǎn)品質(zhì)量存在較大隱患。與傳統(tǒng)的極限優(yōu)化方法不同,穩(wěn)健設(shè)計思想是通過調(diào)整設(shè)計變量,增強(qiáng)產(chǎn)品對干擾因素的抗干擾能力,以控制其質(zhì)量在容差允許范圍內(nèi)并使質(zhì)量趨于穩(wěn)定為目標(biāo),從而設(shè)計出高質(zhì)量、低成本的家具[12-13]。穩(wěn)健設(shè)計是一種低成本、高質(zhì)量的設(shè)計思想和方法[14]。日本質(zhì)量管理學(xué)專家田口玄一博士于20世紀(jì)70年代提出田口法,為穩(wěn)健設(shè)計的實(shí)際應(yīng)用及發(fā)展奠定基礎(chǔ)[15]。田口法將“質(zhì)量損失函數(shù)”的概念引入產(chǎn)品質(zhì)量分析中,將質(zhì)量損失函數(shù)模型轉(zhuǎn)化為信噪比指標(biāo)來衡量設(shè)計參數(shù)的穩(wěn)健程度[16]。通過設(shè)計使產(chǎn)品質(zhì)量對不確定因素(如溫度、濕度、加工誤差等)的敏感度降至最低,找出抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)整性好、性能穩(wěn)定且可靠的設(shè)計方案,以達(dá)到低成本、高質(zhì)量的目標(biāo)[6,17-19]。穩(wěn)健設(shè)計田口法現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工程中,在設(shè)計參數(shù)的組合優(yōu)化以及質(zhì)量系統(tǒng)的設(shè)計中,它已被證明是一種簡單而有效的實(shí)驗設(shè)計解決方案[20]。

      1 材料與方法

      1.1 材料

      試驗以圓棒榫為連接件構(gòu)建板式T型構(gòu)件,以多層板為試件基材。多層板密度為0.6 g/cm3,含水率為9%。如圖1所示,T型構(gòu)件橫材的尺寸為200 mm×100 mm×18 mm(長×寬×厚),縱材尺寸為150 mm×100 mm×18 mm(長×寬×厚)。

      圖1 板式T型構(gòu)件圓棒榫連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of round bar tenon connection of plate T-shaped member

      以表面帶有螺旋紋理的圓棒榫為研究對象,選取圓棒榫的長度、直徑及材料為設(shè)計因素,各因素選取的水平值如表1所示。將試件的抗彎極限承載力設(shè)為目標(biāo)質(zhì)量特性。使用臺鉆及鉆頭限位器加工榫眼,T型構(gòu)件側(cè)板開孔深度為11 mm,直徑分別為6、8、10 mm;與側(cè)板接合的橫板邊部開孔直徑分別為6、8、10 mm,深度為(L-10) mm(L為榫長)。榫頭部位均勻涂布一層白乳膠后與榫眼接合,置于通風(fēng)干燥處靜置7 d[21]。

      表1 板式T型構(gòu)件圓棒榫試驗設(shè)計因素及水平Tab.1 Factors and levels of experimental design of round bar tenon for plate type T-shaped members

      圖2 圓棒榫示意圖Fig.2 Schematic diagram of round rod tenon

      1.2 試驗方法

      采用正交試驗的方法進(jìn)行研究方案設(shè)計,通過合理的設(shè)計因素安排,最大限度地減少試驗次數(shù)、縮短試驗周期,在分析出最優(yōu)試驗方案的同時,達(dá)到高效、節(jié)能的目的。采用L9(34)正交試驗表,如表2所示。共設(shè)有9組試驗,為減少誤差,每組重復(fù)試件數(shù)量為5個。試件通過夾具固定于微機(jī)控制人造板萬能力學(xué)實(shí)驗機(jī)(型號MWW-100A,濟(jì)南華衡試驗設(shè)備有限公司生產(chǎn)),在距T型構(gòu)件橫豎兩板接觸面150 mm處施加載荷,對板式T型構(gòu)件進(jìn)行抗彎實(shí)驗。加載頭直徑為30 mm,加載速度為10 mm/min。記錄試件的抗彎極限承載力,取5次試驗結(jié)果的平均值,數(shù)據(jù)在表2中列出。

      圖3 試件加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of specimen loading

      1.3 數(shù)據(jù)處理方法

      有學(xué)者指出信噪比可作為通信系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo),表示接收機(jī)輸出功率的信號功率與噪聲功率的比值[11],可將此概念引入產(chǎn)品及工藝的質(zhì)量評定中,用于反映一個系統(tǒng)質(zhì)量的好壞,一般用η表示,計算公式如下[6]:

      質(zhì)量工程原理中,產(chǎn)品的質(zhì)量特性分為望目特性、望大特性及望小特性[22]。望目特性為目標(biāo)質(zhì)量特性,圍繞一個定值上下波動,目標(biāo)值波動越小且越趨近于這個定值,則說明產(chǎn)品的質(zhì)量越好,如家具榫卯的配合尺寸公差。望大特性為產(chǎn)品的質(zhì)量特性值,其數(shù)值越大越好,如家具的疲勞壽命。望小特性即為產(chǎn)品的質(zhì)量特性值,其數(shù)值越小越好,理想值為0,如柜類擱板的彎曲變形[23]。

      本試驗的目標(biāo)質(zhì)量特性為抗彎極限承載力,符合質(zhì)量工程原理中的望大特性,即構(gòu)件的抗彎極限承載力越大,通過圓棒榫結(jié)合的構(gòu)件質(zhì)量越好。望大特性的信噪比計算公式如式2所示[24]:

      式中:yi代表目標(biāo)質(zhì)量特性的值,即為試件的抗彎極限承載力,N。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 破壞形態(tài)分析

      在試驗過程中發(fā)現(xiàn),櫸木和桉木圓棒榫連接的構(gòu)件在加載過程中有脆響,試驗結(jié)束后觀察到直徑為6、8 mm的圓棒榫表面有明顯裂痕(圖4),其中直徑為6 mm的桉木圓棒榫破壞最為嚴(yán)重,榫頭發(fā)生斷裂(圖5),直徑為6 mm荷木圓棒榫表面有輕微裂痕。而直徑為8 mm和10 mm荷木圓棒榫連接的試件在加載過程中無脆響,僅圓棒榫被明顯拔出(圖6),表面受到擠壓發(fā)生形變,無裂痕產(chǎn)生(圖7)。卸載后,T型構(gòu)件有復(fù)位現(xiàn)象,其中通過直徑為10 mm荷木圓棒榫連接的構(gòu)件復(fù)位現(xiàn)象最為明顯。

      圖4 圓棒榫裂痕Fig.4 Tenon cracking

      圖5 桉木圓棒榫斷裂Fig.5 Break of Eucalyptus dowel

      圖6 圓棒榫被拔出Fig.6 Pull-out of tenon

      圖7 荷木圓棒榫發(fā)生形變Fig.7 Deformation of the lotus wood tenon

      2.2 信噪比分析

      各組試驗數(shù)據(jù)經(jīng)公式2計算,得出的信噪比記錄于表2,直觀分析得到第9組方案(直徑為10 mm且長為40 mm的櫸木圓棒榫)最佳。將設(shè)計因素相互分離,求得各因素水平的信噪比均值(k1、k2、k3),繪制折線圖。由圖8可知,板式T型構(gòu)件的抗彎極限承載力隨圓棒榫直徑及長度的增大呈均勻遞增趨勢。三種材料中,荷木圓棒榫連接件的抗彎性能最強(qiáng),櫸木次之,桉木最差。由此可見,圓棒榫的抗彎強(qiáng)度與材料的密度有關(guān),即材料的密度越大,強(qiáng)度越高。優(yōu)化結(jié)果表明:長為50 mm且直徑為10 mm的荷木圓棒榫為最穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計。由表2可知,圓棒榫直徑的極差值最大,為主要影響因素,而圓棒榫長度和材料的極差與直徑極差相比較小,為次要影響因素。

      圖8 設(shè)計因素信噪比均值及貢獻(xiàn)率分析圖Fig.8 Mean signal-to-noise ratio and contribution ratio analysis graph of design factors

      表2 板式T型構(gòu)件圓棒榫試驗正交表Tab.2 Orthogonal table of round bar tenon experiment of plate T-shaped member

      2.3 貢獻(xiàn)率分析

      以上分析只能確定各設(shè)計因素水平參數(shù)的主次排序,為明確圓棒榫三種設(shè)計因素對目標(biāo)質(zhì)量特性的影響程度,進(jìn)一步對各設(shè)計因素信噪比的貢獻(xiàn)率分析。單因素偏差平方和在總偏差平方和中所占的比率稱為貢獻(xiàn)率[25-27]。由表3可知,設(shè)計因素中圓棒榫直徑對構(gòu)件抗彎極限承載力的貢獻(xiàn)率最大,達(dá)到56.74%,即對板式T型構(gòu)件的抗彎性能影響最大,而材料和長度對構(gòu)件抗彎極限承載力的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)小于圓棒榫直徑。因此在圓棒榫連接板式家具的情況下,合理選定圓棒榫的直徑可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗彎性能,提高整體家具結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

      表3 設(shè)計因素貢獻(xiàn)率分析Tab.3 Design factor contribution rate analysis

      2.4 對比試驗

      對優(yōu)化后圓棒榫連接的T型構(gòu)件進(jìn)行抗彎測試,選取上述直觀分析出的最優(yōu)組(直徑為10 mm且長為40 mm的櫸木圓棒榫)作為對照組,每組進(jìn)行5次測試,結(jié)果如表4所示。優(yōu)化后,T型構(gòu)件的抗彎極限承載力比初始T型構(gòu)件增強(qiáng)15.8 N,優(yōu)化率為21.07%;信噪比比初始組提高1.66,優(yōu)化率為4.42%。由此可知,經(jīng)穩(wěn)健設(shè)計田口法優(yōu)化的圓棒榫,可有效提高板式T型構(gòu)件的抗彎承載能力,增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性。

      表4 初始及優(yōu)化后試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Initial and optimized experimental data

      3 結(jié)論

      本試驗對板式T型構(gòu)件的圓棒榫進(jìn)行了穩(wěn)健優(yōu)化,結(jié)果表明:圓棒榫直徑的變化對構(gòu)件整體抗彎性能影響最大,且構(gòu)件的極限抗彎承載力大小隨圓棒榫直徑及長度的增加呈遞增趨勢。分析表明:直徑為10 mm、長為50 mm的荷木圓棒榫為本研究中板式T型構(gòu)件的最穩(wěn)健設(shè)計。優(yōu)化后,構(gòu)件的抗彎極限承載力提高15.8 N,信噪比增強(qiáng)1.66,兩者優(yōu)化率分別為21.07%和4.42%。因此,穩(wěn)健設(shè)計田口法可有效優(yōu)化板式家具結(jié)構(gòu),提升角部接合性能,減少質(zhì)量波動,從而延長板式家具的使用壽命。

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