家具知識網-家具俱樂部-家具標準-家具論壇-家具資料知識網站

 找回密碼
 立即注冊

QQ登錄

只需一步,快速開始

查看: 8184|回復: 1
打印 上一主題 下一主題

[木工加工] 傳統家具結構的力學性能研究

[復制鏈接]

77

主題

105

帖子

115

積分

家具會員

Rank: 2

積分
115
跳轉到指定樓層
樓主
發表于 2020-9-22 07:53:59 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
榫卯結構的廣泛應用是傳統家具最突出的特點,它的力學性能對結構的影響十分重要。榫卯之間的連接有一定的間隙,在節點轉動的同時提供抵抗彎矩的能力,表現為介于剛性節點和鉸接節點之間的非剛性連接狀態。此外,木材屬彈性材料,在外力作用下產生變形,外力撤除后又會回到原來形狀,在循環荷載達到最大值時,施以相反方向的力,有力量提升的現象。這種較大變形還不破壞的能力使構件之間能夠分解荷載,形成整體受力。
1 傳統家具結構的整體性
家具強度不僅決定于材料,更重要的是家具的結構形式。傳統家具主要采用框架結構,即許多桿件由接點連接起來形成構架,各個桿件互相制約、協調形成一個空間整體,承受各方向可能出現的載荷。
1.1 傳統家具的連接類型
構件的類型一般分為桿和索。家具構件之間大部分為桿件連接,桿件既可受拉也可受壓,決定桿件連接設計的因素主要是桿件之間的交角及桿件的截面形式。桿件交角由造型與結構體系決定,應避免非垂直交接;木質構件的截面形狀對連接設計產生重要的影響,在交角非垂直的情況下應注意截面形式及木材紋理方向,并使連接部分過渡自然合理。
索連接在家具中的應用不常見,一個較為直觀的例子是傳統家具中胡床或交椅的X型構件與座面形成的張力整體結構。張力整體(Tensegrity)是tensile和integrity的縮寫形式,20世紀60年代由美國建筑師富勒(R.B.Fuller)提出。如圖1所示,張拉整體結構由壓桿和索組成,壓桿在連續的索中處于孤立狀態,所有壓桿都必須分開同時靠索的預應力連接起來,在結構中盡可能減少受壓狀態,因為受壓存在著屈曲現象,張拉整體使結構處于連續的張拉狀態,結構整體不需要外部的支撐和錨固,像一個自支撐結構一樣穩定。傳統家具的非剛性連接以及構架相互牽制的特性,與張拉整體的思想較為類似,這類結構呈現一定的彈性,能吸收相當的能量。
1.2 傳統家具結構的自由度
結構力學上的自由度指分析結構系統時,有效結構節點上的未知節點變位數。自由度大致有兩種形式:移動的自由度和旋轉的自由度。如圖2所示,在平面中有三個自由度:面旋轉,前后及左右兩個移動;在立體中,有六個自由度,分別為前后、上下及左右三個移動和前后、上下及左右三面旋轉。從家具節點分析的角度,將兩個或兩個以上的部件連接在一起有很多種方式,每一種方式又有不同的變化。要使連接能夠起作用,必須限制六個運動自由度中的一個或多個。
根據自由度的空間限定,傳統家具可分為二維榫卯結構和三維榫卯結構。二維榫卯是在三維空間中有一個方向的變形不受約束,位置一般在垂直于卯口的方向,這種缺陷會直接對節點的某個方向的力學性能造成影響。如燕尾榫抵抗豎直向上荷載能力較差,直榫抵抗水平拔出荷載能力較差,這種局限性造成了榫卯和剛性節點之間性能的差異。在構架發生側向變形時,對于垂直卯口的橫棖的水平力,這類榫卯缺乏抵抗能力,造成椅子結構中椅棖與腿連接部位榫頭的拔出和牙頭、牙子等裝飾性部件的脫落。傳統家具結構也會應用某個方向的自由度,克服木材因性能引起的變形,比如攢邊打槽裝板結構,中間鑲嵌的面板在平面左右、前后自由度并未限定。(圖3)形成定向支座,被承擔的部分不能轉動,但可以沿一個方向平行滑動,提供反力矩和一個反作用力。三維榫卯是在二維榫卯的基礎上通過限制各個單獨的構件在各方向的運動,使整個構件成為一個整體。由于具體加強的部位及視覺效果的要求不同,具體方式也不同。一般來說,有四種加強的方式:第一是通過構造手段確保有效約束。傳統家具結構部件之間存在著層級關系,這種層級關系體現在裝配先后的差異,目的是實現榫卯結構由二維向三維的轉化。例如直榫這類缺乏可靠約束的節點類型,可利用上部接合構件的重力作用限制自由度,使榫頭向上;再如嵌板拼板面積較大,垂直方向上沒有約束,面板背后通常開槽插入兩條呈梯形的穿帶,防止拼板產生垂直方向上的變形。第二是在同一截面出橫、豎榫頭,通過與第三構件的連接,實現多向固定,限制自由度,如抱肩榫、棕角榫、裹腿等。如圖4所示,傳統椅子通過座面將腿固定,形成整體,互相牽制。第三是在構件接合部位受力平面形成角度或者梯形結構,增大抗彎或抗拔強度。比如丁字形接合中的格肩榫,通過45°斜面增強了抗彎矩能力,虛肩結構又增大了膠合面積,提高了榫頭的抗拔強度。第四是通過楔、砦等進行補強。比如楔釘榫,用于弧形彎材的連接,先通過水平方向組合兩個部件,通過榫頭互相咬合,限制垂直方向運動,再用梯形楔釘限制水平方向的運動。為解決榫頭容易拔出的問題,在民間家具中常使用銷栓、砦來固定。砦常用在直榫內,如圖5所示,在榫頭鋸開豁口,然后將破頭砦敲入卯眼里撐開后,榫頭將很難再退出,這種結構非常堅固且不可逆。
1.3 傳統家具結構的層級性
傳統家具的結構系統是不同元素的結合體,根據各種概念和方法設計的接點,限制單元構件的運動,可以看作在各種層級之間的部件的關系。這種組織系統具有層級性:結構的基本元素是部件,部件組合連接成為功能性單元,比如邊框、拼板、梁柱等,單元組裝成框架并通過輔助性構件(如各類牙板、棖)增強其穩定性。傳統家具所有的部件通過這種方式定位、安裝,通過層級結構承受各種條件下的荷載及由濕脹干縮引起的變形。
1 f" ?( C# @; p& [- L" e% d% P/ d(歡迎光臨家具知識網http://www.02za.com)


$ s! J+ Z8 X5 e8 w
2 傳統家具結構的梁柱結構體系
傳統家具采用框架式結構,繼承了傳統木建筑的梁柱結構體系。在框架結構中梁是重要的構件,承受垂直于縱向軸力的作用,家具結構中經常采用的是固端梁和懸臂梁的結構形式,比如書架上存放的書籍是在固端梁施加平均載荷,拖動桌子腿是將負載集中在懸臂梁,橫梁承擔荷載后在彎曲力矩作用下容易產生彎曲變形直至斷裂,因此傳統家具中梁是結構設計中考慮的重點。
2.1 梁的設計
梁的設計需要考慮兩種荷載。第一種荷載是彎曲應力,彎曲應力在梁的底部引起橫跨木紋的裂紋,位置通常在跨度的中間三分之一處。第二種需要考慮的荷載是剪切應力。剪切應力的關鍵點是靠近支撐點的位置。如果荷載沒有正確的施加在支撐柱上,而是落在柱子附近,可能會導致梁受剪切應力破壞。典型的兩端固定的矩形截面硬木梁跨度變形的近似簡化公式為:D=w·L3/[(24×106)·b·h3]。其中,w為施加在跨度中間的荷載,L是梁跨度(沒有支撐)部分的長度,b是梁的寬度(水平方向),h為梁的高度(垂直方向)。從公式中可以看出,D與梁垂直方向上的厚度的立方成反比,因此,粗略地說,跨度上10%的增加能夠由10%的梁的垂直高度的增加所抵消。因此,為提高承載橫截面的強度,最好的方法是增加垂直方向的尺寸h,而非增加總面積或寬度。
2.1.1 變截面梁
彎曲強度計算是為了保證梁的危險截面上的最大應力滿足強度條件,大多情況下梁上只有一個或少數幾個截面上的彎矩達到最大值,因此只有極少數截面是危險截面。當危險截面上的最大應力達到許用應力值時,其他大多數截面上的最大應力沒有或者遠遠沒有達到該值,這意味著大多數截面處的材料沒有被充分利用。為了合理的利用材料,減輕結構重量,很多構件都設計成變化的截面:彎矩大的地方截面大,彎矩小的地方截面也小一些。比如傳統家具中椅或案的面板下的輔助性構件一壸門,其各點的截面高度設計基本隨該點所承受的彎曲應力變化,截面下緣最終形成一條自然的曲線,在提高構件抗彎強度的同時保證了視覺效果。
此外,梁的截面在垂直方向上分為上中下三個部分,(圖6)承受荷載時梁的截面上沿受壓,中間為不受拉亦不受壓的中性層,因此如果減少中性層的材料,并不影響梁的抗彎能力。明式家具中牙板、束腰、托腮為一木連作,也稱為“假三上”,托腮凹入意味著截面上中性軸附近的材料減少,形成工程結構中的工字型截面。
2.1.2 伸臂梁
伸臂梁是在一個固定絞支座和一個活動絞支座之上,伸出一端或兩端的梁。與桌不同,傳統家具中的案較為狹長,腿不與桌面平齊,而是縮進形成雙伸臂梁,因此案比普通桌的跨度大,在結構上有其合理性。
2.1.3 連續梁
連續梁是有三個或三個以上支座的梁。連續梁有中間支座,所以它的變形和內力通常比單跨梁要小。案一般在2.4米以上,有些甚至達到3.6米。對于跨度較大的案,可以通過增加支撐點,形成連續梁,如圖7所示。
2.2 傳統家具的梁與補強結構
傳統家具梁的補強結構主要體現在腿、束腰與桌面(座面)的接合關系上,總體來說傳統家具梁的補強有三種結構方式,即橫向棖、霸王棖和角牙。橫向棖一般用在桌案的深度方向,也有四周都有棖的情況,這種結構補強效果最好。根據棖的造型又可分為直棖、羅鍋棖、窗格棖、曲尺棖、霸王棖等類型,其中從桌腿延伸到桌面橫檔的霸王棖是造型最有力的形式。角牙是在桌面四角的小型托架,裝飾性較強。角牙的形制與傳統建筑中的替木相似,作用是加固桌(椅)腿、桌(椅)面及束腰的組合,增強抗水平力的能力,防止棖榫頭的拔出,并能減短梁的跨度。明式家具中的夾頭榫通過接合桌腳與桌面,達到夾緊牙條及固定桌面的作用,形成連接裙板與上部面板的整體結構。這幾種結構方式也可以配合使用,比如霸王棖與角牙同時使用,或霸王棖與羅鍋棖、角牙同時使用,如圖8所示為常見的一腿三牙羅鍋棖方桌。
3 結語
從構件的截面形狀到榫卯節點和構架的組成,中國傳統家具的結構體現了樸素的力學原理。以往國內傳統家具的研究,大多偏重于形制或構造的感性研究,忽略整體結構的力學合理性,家具的設計和制作仍然建立在經驗的基礎上,遠未達到真正意義上的工程設計水平。隨著對傳統家具研究的深入,運用有限元法等數學和力學工具對傳統家具結構進行定量的分析將是下一步探索的方向。

# e- R: J. u: I: w  y, y  |* v
文章來源:《家具與室內裝飾》2012年第11期
文章作者:薛坤
作者單位:南京林業大學
6 L  j$ R1 f: u4 s5 {$ Z+ ?8 j(歡迎光臨家具知識網http://www.02za.com)

本帖子中包含更多資源

您需要 登錄 才可以下載或查看,沒有帳號?立即注冊

x
分享到:  QQ好友和群QQ好友和群
收藏收藏
回復

使用道具 舉報

473

主題

638

帖子

1062

積分

管理員

Rank: 9Rank: 9Rank: 9

積分
1062
沙發
發表于 2021-5-1 11:45:57 | 只看該作者
很有技術的家具知識!
回復

使用道具 舉報

您需要登錄后才可以回帖 登錄 | 立即注冊

本版積分規則

◇◆家具知識網·免責聲明◆◇
本站內容來自會員或互聯網,本站不對內容的真實性負責,不保證您使用上述信息時的情況與之相符,也不擔保該信息的準確性,完整性和及時性,本站內容不可做為商業用途,也不承擔瀏覽者因此而發生或致使的任何商業風險。本站保留全部或部分刪除上述報告的權利,圖片與資訊如有侵權,請聯系本站刪除,郵箱 FurnitureClub@Furniture-club.com。
家具知識網Furniture-Club)已正式安全運行 天感謝您對我們的支持!

QQ|Archiver|手機版|小黑屋|家具知識網 ( 粵ICP備20040755號 )川公網安備 51172502000152號

GMT+8, 2022-5-26 04:39 , Processed in 0.162607 second(s), 19 queries .

Powered by Furniture-Club X3.4

Copyright © 2020-2023, Furniture-Club.

快速回復 返回頂部 返回列表
黑人巨茎和中国美女视频,8000在线观看免费视频,米奇影院888奇米色,女人和男人啪视频在线观看
<蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <蜘蛛词>| <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链> <文本链>