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塑−木插接节点的配合特性及参数优化

王安正 关惠元

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塑−木插接节点的配合特性及参数优化

    作者简介: 王安正,博士生,讲师。主要研究方向:家具及产品设计。Email:njwanganzheng@163.com 地址:210037 江苏省南京市玄武区龙蟠路159号南京林业大学家居与工业设计学院.
    通讯作者: 关惠元,教授,博士生导师。主要研究方向:家具设计与工程、感性工学。Email:guanhuiyuan@njfu.com.cn 地址:同上
  • 中图分类号: TS633

Connection characteristics and parameter optimization of plastic-wood insert joint

  • 摘要: 目的 塑料与木材的插接连接是塑料椅类家具中一种常见的节点形式,对节点的配合参量进行优化设计能够有效地提高节点接合强度,从而提升产品的可靠性。方法 以PP塑料与榉木圆榫接合构件为例,选择塑料件壁厚、接合长度、过盈配合量为考察因素,以抗拔强度与抗弯强度为评价指标,采用3因素3水平的Box-Behnken响应面设计法,建立接合强度与配合参数之间的数学模型,通过方差分析各因素的显著性及交互作用,同时通过求解拟合方程获得节点的最优配合参量。并在此基础上对过盈、胶合和木螺丝3种不同装配方式的构件节点抗拔力进行对比分析。结果 3个因素均对节点的抗拔强度有显著影响,但只有塑料件壁厚和接合长度这两个因素对节点的抗弯强度有显著影响,与过盈配合量无关。直径为40 mm的圆榫塑−木插接节点的最优配合参数为:塑料件壁厚3.2 mm,接合长度50 mm,过盈配合量0.15 mm,对此参数节点进行力学性能试验可获得极限抗拔力2 139.3 N及弯曲载荷1 306.4 N。3种不同装配方式的构件节点抗拔力分别为:过盈装配(Ⅰ型节点)966.5 N < 胶合装配(Ⅱ型节点)1 251.4 N < 木螺丝装配(Ⅲ型节点)1 607.6 N。结论 塑−木插接节点的配合参数可以通过响应面法优化设计以获得最佳力学性能,在实际应用中各设计因素在设计域内靠近上限取值较易获得最大接合强度,此外采用木螺丝的装配方式能够大大提高节点的抗拔强度。
  • 图 1  试件尺寸与插接方式

    Figure 1.  Size of specimens and method of connection

    图 2  抗拔性能测试加载方式

    Figure 2.  Loading mode of anti-pulling strength experiment

    图 3  抗弯性能测试加载方式

    Figure 3.  Loading mode of bending strength experiment

    图 4  塑料件强度对节点接合强度的影响

    Figure 4.  Effects of plastic parts strength on joint strength

    图 5  设计因素与抗拔力的响应曲面

    Figure 5.  Response surface of design factors and withdrawal force

    图 6  抗弯试验中塑−木插接节点的破坏形式

    Figure 6.  Destroy type of plastic-wood insert joint in bending strength experiment

    图 7  设计因素与弯曲载荷的响应面模型

    Figure 7.  Response surface of design factors and bending load

    图 8  抗拔试验结果对比

    Figure 8.  Comparison of anti-pulling experiment results

    图 9  不同类型节点破坏形式

    Figure 9.  Destroy types of different joints

    表 1  试验因子水平设置

    Table 1.  Experiment factor levels

    因素 Factor水平 Level
    − 101
    壁厚 Wall thickness of plastic parts (t)/mm 2.4 2.8 3.2
    接合长度 Inserting length (d)/mm 30 40 50
    配合量 Interference fit (f)/mm 0.05 0.10 0.15
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    表 2  响应面分析试验设计及结果

    Table 2.  Experiment design and results of response surface method

    试验号
    No.
    塑料件壁厚
    Wall thickness of plastic
    parts (t)/mm
    接合长度
    Inserting length (d)/mm
    配合量
    Interference fit (f)/mm
    抗拔力
    Withdrawal force/N
    弯曲载荷
    Bending load/N
    试验值
    Experiment value
    预测值
    Prediction value
    试验值
    Experiment value
    预测值
    Prediction value
    1 0 0 0 765.7 846.0 1 046.1 1 066.0
    2 0 0 0 851.2 846.0 1 065.7 1 066.0
    3 0 − 1 − 1 186.6 214.0 743.6 757.8
    4 0 1 − 1 445.0 419.0 1 213.2 1 221.7
    5 0 − 1 1 1 075.1 1 101.2 829.8 821.3
    6 1 − 1 0 447.5 459.1 874.6 868.6
    7 1 1 0 992.6 1 057.6 1 305.9 1 305.6
    8 0 1 1 1 677.8 1 650.5 1 211.9 1 197.7
    9 − 1 0 1 629.8 668.7 935.6 943.8
    10 0 0 0 921.1 846.0 1 086.3 1 066.0
    11 1 0 − 1 258.9 220.0 1 138.2 1 130.0
    12 − 1 1 0 237.2 225.6 1 076.7 1 082.7
    13 1 0 1 1 826.5 1 788.9 1 110.6 1 125.1
    14 − 1 − 1 0 134.8 69.8 679.2 679.5
    15 − 1 0 − 1 81.3 118.9 914.0 899.5
    下载: 导出CSV

    表 3  抗拔强度方差分析

    Table 3.  ANOVA of tensile strength

    方差来源 Variance source平方和 Sum of squaresdf均方 Mean squareFP显著性 Significance
    模型 Model 4.006 × 106 9 4.451 × 105 75.34 < 0.000 1 ***
    塑料件壁厚 Wall thickness of plastic parts (t) 7.457 × 105 1 7.457 × 105 126.21 < 0.000 1 ***
    接合长度 Inserting length (d) 2.845 × 105 1 2.845 × 105 48.15 0.001 0 **
    配合量 Interference fit (f) 2.244 × 106 1 2.244 × 106 379.88 < 0.000 1 ***
    td 48 995.82 1 48 995.82 8.29 0.034 6 **
    tf 2.596 × 105 1 2.596 × 105 43.95 0.001 2 **
    df 29 635.62 1 29 635.62 5.02 0.075 2
    t2 2.691 × 105 1 2.691 × 105 45.55 0.001 1 **
    d2 55 849.57 1 55 849.57 9.45 0.027 6 **
    f2 55 963.15 1 55 963.15 9.47 0.027 5 **
    残差 Residual 29 541.45 5 5 908.29
    失拟项 Lack of fit 17 426.31 3 5 808.77 0.96 0.546 9
    纯误差 Pure error 12 115.14 2 6 057.57
    总和 Cor total 4.036 × 106 14
    注:拟合度 = 0.992 7;校正拟合度 = 0.979 5;预测拟合度 = 0.924 2;信噪比 = 27.391;变异系数 = 10.95%。“***”表示非常显著;“**”表示显著;“—”表示不显著。Notes: R2 = 0.992 7; Adj R2 = 0.979 5; Pred R2 = 0.924 2; Adeq precision = 27.391; C.V. = 10.95%. “***” means very significant; “**” means significant; “—” means non-significant.
    下载: 导出CSV

    表 4  抗弯强度方差分析

    Table 4.  ANOVA of bending strength

    方差来源 Variance source平方和 Sum of squaresdf均方 Mean squareFP显著性 Significance
    模型 Model 4.544 × 105 9 50 485.3 127.02 < 0.000 1 ***
    塑料件壁厚 Wall thickness of plastic parts (t) 84 830.8 1 84 830.8 213.44 < 0.000 1 ***
    接合长度 Inserting length (d) 3.53 × 105 1 3.53 × 105 888.19 < 0.000 1 ***
    配合量 Interference fit (f) 778.15 1 778.15 1.96 0.220 6
    td 285.61 1 285.61 0.72 0.435 3
    tf 605.16 1 605.16 1.52 0.272 1
    df 1 914.06 1 1 914.06 4.82 0.079 6
    t2