高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析

贾娜 刘曼曼 花军 毛磊 白雪

贾娜, 刘曼曼, 花军, 毛磊, 白雪. 基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
引用本文: 贾娜, 刘曼曼, 花军, 毛磊, 白雪. 基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
JIA Na, LIU Man-man, HUA Jun, MAO Lei, BAI Xue. Static analysis of finite element model of wood flooring lock based on 3D scanning[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
Citation: JIA Na, LIU Man-man, HUA Jun, MAO Lei, BAI Xue. Static analysis of finite element model of wood flooring lock based on 3D scanning[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223

基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
基金项目: 

黑龙江省教育科学规划课题 GJB1214003

黑龙江省基本科研业务费项目 HCZ201601

黑龙江省森林工业总局应用研究项目 sgzjy2015006

详细信息
    作者简介:

    贾娜,副教授。主要研究方向:木制品加工技术。Email:jiana@nefu.edu.cn  地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学机电工程学院

    通讯作者:

    花军,教授,博士生导师。主要研究方向:木材加工装备。Email:huajun81@163.com  地址:同上

  • 中图分类号: S784;O312

Static analysis of finite element model of wood flooring lock based on 3D scanning

  • 摘要: 木地板连接中锁扣起到了关键作用,为探索不同锁扣形式对木地板力学性能的影响,以强化地板锁扣为研究对象,以锁扣有限元模型的静力学特性为研究目标,利用三维扫描仪获取嵌入锁定和本体锁定两类强化地板12种典型锁扣的三维点云数据、逆向重构锁扣的三维实体模型,分析其结构特点,确定影响锁扣力学性能的结构特征值;采用有限元软件ANSYS对锁扣有限元模型进行弯曲和拉伸载荷作用下的整体变形、等效应力、等效应变的仿真分析,研究强化地板锁扣的静力学特性。结果表明:两类锁扣结构中,锁扣结合面长度、榫头(槽)凸(凹)出长度等参数与结合面形状是影响锁扣力学性能的主要因素;嵌入锁定锁扣具有更加优越的整体性能,受锁扣自身结构形状影响小,受锁定元件形状影响较大;本体锁定锁扣结构中,大的弧形锁扣截面形状更有利于提高锁扣的力学性能。通过三维扫描逆向重构锁扣模型以及对木地板锁扣结构和功能相关性的分析,为锁扣的设计、优化和检测提供了新的思路。
  • 图  1  强化地板锁扣各组成结构实体模型图

    Figure  1.  Structure solid models of laminate flooring lock

    图  2  强化地板锁扣的装配模型

    H为强化地板厚度,a为锁扣结合面长度,b为榫头内凹/凸出的长度,c为榫头内凹/凸出上边线到地板上表面的长度,d为榫头厚度,e为榫头下部内凹深度。

    Figure  2.  Assembly model of laminate flooring lock

    H is the thickness of laminate flooring, a is the locking juction length, b is the concave/convex length of tenon, c is the length from the top line of the concave/convex tenon to the flooring surface, d is the thickness of the tenon, e is the depth of the lower part in concave tenon.

    图  3  网格划分后的木地板锁扣有限元模型

    Figure  3.  Finite element model of wood flooring lock after meshing

    图  4  地板锁扣受载荷和约束示意图

    F为集中应力;L为支点距锁扣中心线距离。

    Figure  4.  Schematic diagram of flooring lock under load and constraint

    F is the concentrated stress, L is the distance between the fulcrum and either side of the center line of the lock.

    图  5  弯曲载荷作用下的模拟图

    Figure  5.  Simulation diagram under bending load

    图  6  锁扣弯曲变形整体变形的最大值图

    Figure  6.  The maximum total deformation of the lock under bending load

    图  7  锁扣弯曲变形等效应变的最大值图

    Figure  7.  The maximum equivalent strain of the lock under bending load

    图  8  锁扣弯曲变形等效应力的最大值图

    Figure  8.  The maximum equivalent stress of the lock under bending load

    图  9  水平拉伸载荷作用下的模拟图

    Figure  9.  Simulation diagram under horizontal tensile load

    图  10  水平拉力下整体变形的最大值图

    Figure  10.  The maximum total deformation of the lock under horizontal tensile load

    图  11  水平拉力下等效应变的最大值图

    Figure  11.  The maximum equivalent strain of the lock under horizontal tensile load

    图  12  水平拉力下等效应力的最大值图

    Figure  12.  The maximum equivalent stress of the lock under horizontal tensile load

    表  1  12种锁扣截面形状与结构特征值

    Table  1.   Section shapes and structure characteristics of 12 kinds of locks

  • [1] 胡丽娟.我国地板锁扣技术打破国外垄断[N].中国技术市场报, 2010-01-12(001).

    HU L J. Our country floor locking technology breaks foreign monopoly[N]. China Technology Market Newspaper, 2010-01-12 (001).
    [2] 王忠明, 马文君, 龙三群.木地板锁扣技术国际专利分析[J].木材工业, 2015, 29(1):18-23. doi:  10.3969/j.issn.1001-8654.2015.01.004

    WANG Z M, MA W J, LONG S Q. Patent analysis on wood flooring locking technology[J]. China Wood Industry, 2015, 29(1): 18-23. doi:  10.3969/j.issn.1001-8654.2015.01.004
    [3] MORIAU S S G, CAPPELLE M G M, THIERS B P J. Method of making floor panels with edge connectors: US7644557[P]. 2010-07-19.
    [4] MORIAU S S G, CAPPELLE M G M, THIERS B P J. Floor panels with edge connectors: US7661238[P]. 2016-03-22.
    [5] PERVAN D, PÅLSSON A. Mechanical locking of flooring panels with a flexible bristle tongue: US8033074B2[P]. 2011-10-11.
    [6] VALINGE INNOVATION A B. Mechanical locking of flooring panels with a flexible bristle tongue: US864042B2[P]. 2014.
    [7] PERVAN D, HAKANSSON N, NYGREN P. Mechanical locking of floor panels with a flexible tongue: US8381477B2[P]. 2013-02-26.
    [8] PERVAN D, PALSSON A. Mechanical locking of floor panels with a flexible bristle tongue: US9382716B2[P]. 2016-07-05.
    [9] 李欣, 陈斌.我国木地板锁扣技术专利分析[J].建材发展导向, 2015, 13(4):29-31. doi:  10.3969/j.issn.1672-1675.2015.04.018

    LI X, CHEN B. Patent analysis of wooden floor locking technology in our country[J]. Development Orientation of Building Materials, 2015, 13(4): 29-31. doi:  10.3969/j.issn.1672-1675.2015.04.018
    [10] 深圳市燕加隆实业发展有限公司.地板块、地板系统及铺设地板系统的方法: 200680054224. 4[P]. 2010-05-12.

    SHEN ZHEN YAN JIA LONG INDUSTRIAL DEVELOPMENT CO. LTD. Floor block, floor system and method for laying floor system: 200680054224. 4[P]. 2010-05-12.
    [11] 周江龙, 姜志华.强化木地板锁扣结合力测试方法探讨[J].中国人造板, 2010, 17(2):29-30. doi:  10.3969/j.issn.1673-5064.2010.02.010

    ZHOU J L, JIANG Z H. Test method for joint strength of laminate flooring[J]. China Wood-Based Panels, 2010, 17(2): 29-30. doi:  10.3969/j.issn.1673-5064.2010.02.010
    [12] 陈祎, 熊猛.三维扫描技术在整形外科中的临床应用研究进展[J].东南大学学报(医学版), 2015, 34(4):670-673. doi:  10.3969/j.issn.1671-6264.2015.04.039

    CHEN H, XIONG M. Progress of clinical application of three dimensional scanning technique in plastic surgery[J]. Journal of Southeast University (Medical Science Edition), 2015, 34(4): 670-673. doi:  10.3969/j.issn.1671-6264.2015.04.039
    [13] 程小龙, 程效军, 贾东峰, 等.三维激光扫描技术在考古发掘中的应用[J].工程勘察, 2015, 43(8):79-86. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gckc201508016

    CHENG X L, CHENG X J, JIA D F, et al. The application of 3D laser scanning in archaeological exploration[J].Geotechnical Investigation & Surveying, 2015, 43(8): 79-86. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gckc201508016
    [14] 张海煊, 陈云霞, 方涛, 等.三维扫描技术在陶瓷制品检验鉴证和修复仿制中的应用研究[J].中国陶瓷, 2016, 52(9):45-49. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgtc201609009

    ZHANG H X, CHEN Y X, FANG T, et al. Research on application of 3D scanning technology for ceramic products identification, imitation and restoration[J]. China Ceramics, 2016, 52(9): 45-49. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgtc201609009
    [15] 马鹏飞, 梁宁博, 李学飞, 等.三维激光扫描技术在建构筑物安全检测中的应用[C]//第四届全国工程结构安全检测鉴定与加固修复研讨会论文集.北京: 国家工业建构筑物质量安全监督检验中心, 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心, 2015: 4.

    MA P F, LIANG N B, LI X F, et al. Application of three dimensional laser scanning technology in building structure safety inspection[C]//Proceedings of the fourth national symposium on safety inspection, identification and reinforcement of structures. Beijing: National Industrial Construction Quality Safety Supervision and Inspection Center, National Industrial Buidding Diagnosis and Reconstruction Engineering Technology Research Center, 2015: 4.
    [16] 宋灵香.三维影视模型制作方法浅析[J].信息化建设, 2016(1):246-247. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/msjyyj201214081

    SONG L X. Analysis of three dimensional video model making method[J]. Information Construction, 2016 (1): 246-247. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/msjyyj201214081
    [17] 俱英翠, 刘锡, 万曙雄.三维扫描技术在风电铸件尺寸检测中的应用[J].现代铸铁, 2015, 35(3):86-89. doi:  10.3969/j.issn.1003-8345.2015.03.016

    JU Y C, LIU X, WAN S X. Application of 3D scanning technique in dimension inspection of wind power castings[J].Modern Cast Iron, 2015, 35(3): 86-89. doi:  10.3969/j.issn.1003-8345.2015.03.016
    [18] 张绍群, 花军, 许威, 等.基于三维扫描技术的木材断口分形特征[J].林业科学, 2014, 50(7):138-142. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lykx201407019

    ZHANG S Q, HUA J, XU W, et al. Fractal feature of wood fracture with 3D scanning technologies[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(7): 138-142. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/lykx201407019
    [19] 杨永泉, 张世超, 夏振佳.三维扫描技术在铸件新产品开发中的应用[J].机械工业标准化与质量, 2013(3):37-41. doi:  10.3969/j.issn.1007-6905.2013.03.011

    YANG Y Q, ZHANG S C, XIA Z J. The application of 3D scanning technology in the casting process of new product development[J]. Machinery Industry Standardization & Quality, 2013(3): 37-41. doi:  10.3969/j.issn.1007-6905.2013.03.011
    [20] 蒋丰璘.有限元分析在37.00R57巨型工程机械子午线轮胎结构优化中的应用[J].轮胎工业, 2016, 36(3):147-149. doi:  10.3969/j.issn.1006-8171.2016.03.004

    JIANG F L. Application of FEA in structure optimization of 37. 00R57 giant off-the-road radial tire[J].Tire Industry, 2016, 36(3): 147-149. doi:  10.3969/j.issn.1006-8171.2016.03.004
    [21] 董凯骏.基于SiPESC的隐式非线性有限元程序框架研发[D].大连: 大连理工大学, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1016217272.htm

    DONG K J. Development of implicit nonlinear finite element analysis framework based on SiPESC[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2016. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10141-1016217272.htm
    [22] 高鑫.玻璃纤维增强复合材料加工机理研究及有限元分析[D].镇江: 江苏科技大学, 2015. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10289-1015996974.htm

    GAO X. Glass fiber reinforced composite materials processing mechanism research and finite element analysis[D]. Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology, 2015. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10289-1015996974.htm
    [23] 闫海龙.高强方钢管高强混凝土轴压短柱力学性能非线性有限元分析[D].沈阳: 沈阳建筑大学, 2014.

    YAN H L. The nonlinear finite element analysis on mechanical properties of high-strength CFST under axial compression[D]. Shenyang: Shenyang Jianzhu University, 2014.
    [24] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会.浸渍纸层压木质地板: GB/T18102—2007[S].北京: 中国标准出版社, 2008.

    General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of China. Laminate flooring: GB/T18102—2007 [S]. Beijing: China Standard Press, 2008.
    [25] 喻永巽.ANSYS Workbench的应用现状及分析[J].机电工程技术, 2014, 43(9):138-140. doi:  10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.038

    YU Y X. Current situation and analysis of ANSYS workbench[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2014, 43(9): 138-140. doi:  10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.038
    [26] 蔡力平, 余松宝, 郭希强.板式家具结构强度分析[J].林业科学, 1991, 27(1):91-96. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y2992501

    CAI L P, YU S B, GUO X Q. Ananalysis of the strength case furniture[J]. Scientia Silvae Sinicae, 1991, 27(1): 91-96. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Thesis/Y2992501
    [27] W. 沃伯肯.国际塑料手册[M].4版.北京:化学工业出版社, 1998.

    WOBOKEN W. International plastics handbook [M]. 4th ed. Beijing: Chemical Industry Press, 1998.
    [28] 张帆.基于有限元法的实木框架式家具结构力学研究[D].北京: 北京林业大学, 2012.

    ZHANG F. Research on structural mechanics of solid wood frame work furniture based on finite element method [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2012.
    [29] 王得胜, 程建业, 高国富.进行有限元分析时简支梁约束条件的确定[J].河南理工大学学报(自然科学版), 2014, 33(2): 177-181. doi:  10.3969/j.issn.1673-9787.2014.02.011

    WANG D S, CHENG J Y, GAO G F. Determination of constraints for finite element analysis of a simple beam [J]. Journal of Henan Polytechnic University (Natural Science), 2014, 33 (2): 177-181. doi:  10.3969/j.issn.1673-9787.2014.02.011
  • [1] 孟晨, 牛健植, 余海龙, 杜灵通, 尹正聪.  土壤大孔隙三维特征影响因素和测定方法研究进展 . 北京林业大学学报, 2020, 35(): 1-8. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190158
    [2] 储德淼, 母军, 康柳, 赖宗元.  单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析 . 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
    [3] 瞿文斌, 及金楠, 陈丽华, 胡雨村.  黄土高原植物根系增强土体抗剪强度的模型与试验研究 . 北京林业大学学报, 2017, 39(12): 79-87. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170234
    [4] 赵洪刚, 乐磊, 刘明利, 吴俊华, 刘彦龙.  拼花实木复合地板激光切割制备工艺研究 . 北京林业大学学报, 2016, 38(6): 110-115. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150380
    [5] 程祥, 张梅, 毛建丰, 钮世辉, 马俊, 李伟, 李悦.  有限种群油松种子园的遗传多样性与交配系统 . 北京林业大学学报, 2016, 38(9): 8-15. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150486
    [6] 张鳌, 冀晓东, 丛旭, 戴显庆.  基于线性滤波法的单株林木抗风有限元模拟 . 北京林业大学学报, 2016, 38(2): 1-9. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150268
    [7] 王潆旋, 姚立红, 阚江明.  伐根机车架把手的试验模态与有限元模态分析 . 北京林业大学学报, 2016, 38(2): 124-130. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150225
    [8] 詹慧娟, 解潍嘉, 孙浩, 黄华国.  应用ENVI-met 模型模拟三维植被场景温度分布 . 北京林业大学学报, 2014, 36(4): 64-74.
    [9] 李艳洁, 徐辰, 卢元甲, 赵东.  挖坑机钻头的有限元分析与试验 . 北京林业大学学报, 2013, 35(2): 112-117.
    [10] 陈喆, 孙涛, 张凌寒, 秦前清.  三维元胞自动机各向异性林火蔓延快速模型 . 北京林业大学学报, 2012, 34(1): 86-91.
    [11] 彭冠云, 江泽慧, 刘杏娥, 任海青, 余雁.  木质地板结构与密度分布特征的CT技术检测 . 北京林业大学学报, 2010, 32(6): 109-113.
    [12] 董斌, 冯仲科, 张冬有, 姚山, 隋宏大, 王佳, .  基于GIS的数字三维林相图构建技术 . 北京林业大学学报, 2008, 30(增刊1): 143-146.
    [13] 张超波, 陈丽华, 刘秀萍.  林木根系黄土复合体的非线性有限元分析 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 221-227.
    [14] 刘秀萍, 陈丽华, 宋维峰, 高振林, 张超波, .  刺槐林造林密度对边坡稳定性的影响 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 234-239.
    [15] 刘秀萍, 陈丽华, 宋维峰, 高振林, 张超波, .  边坡形态对刺槐林边坡稳定性的影响 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 228-233.
    [16] 刘秀萍, 陈丽华, 张心平, 高振林, 宋维峰, .  黄土高原造林边坡应力应变特征及其稳定性分析 . 北京林业大学学报, 2008, 30(5): 97-103.
    [17] 陈丽华, 刘秀萍, 宋维峰, 高振林, 张超波.  降雨条件下刺槐林边坡稳定性分析 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 211-214.
    [18] 陈丽华, 刘秀萍, 宋维峰, 张超波.  刺槐林边坡稳定性有限元分析 . 北京林业大学学报, 2008, 30(supp.2): 206-210.
    [19] 李吉跃, 赵燕东, 郑凌凌, 张灿, 张求慧, 李雪萍, 谭炳香, 温俊宝, 刘金福, 冯夏莲, 常德龙, 程占红, 徐文铎, 吴斌, 齐春辉, 段爱国, 邹大林, 李贤军, 匡文慧, 
    ZHAOGuang-jie, 李雪峰, 鲁绍伟, 王玉涛, 刘常富, 王云琦, 张路平, 何正权, 韩烈保, 洪伟, 王玉杰, 韩士杰, 赵广杰, 张建国, 何兴元, 张树文, 吴斌, 宋湛谦, 朱天辉, 何承忠, 李吉跃, 翟洪波, 温俊宝, LUOWen-sheng, 余新晓, 何友均, 白陈祥, 李增元, 吴庆利, 骆有庆, 张志毅, 童书振, 张养贞, 黄文豪, 陈尔学, 刘凤芹, 李俊清, 梁小红, 姜伟, 骆有庆, 匡秋明, 郭忠玲, FurunoTakeshi, ]魏晓霞, 林秦文, 何静, ]陈玮, 陈发菊, 赵桂玲, 梁宏伟, 李颖, 曾会明, RENQian, 郑兴波, 庞勇, 许志春, 张军, 崔国发, 张振明, 胡伟华, 安新民, 许志春, 张璧光, 杨凯, 雷渊才, 侯伟, 刘君, 郑杰, 赵广亮, 宋国正, 曹川健, PaulWolfgang, 李福海, 李凤兰, 董建生, 姚永刚, 张全来, 张有慧, 田桂芳, 李考学, 李永波, 赫万成, 李长明, 张世玺.  沈阳城市森林三维绿量测算 . 北京林业大学学报, 2006, 28(3): 32-37.
    [20] 赵晓松, 张德荣, 马宇飞, 贺庆棠, 黄荣凤, 戴松香, 郭明辉, 李黎, 高岩, 曹世雄, 田晶会, 王小丹, 华丽, 董运斋, 邵海荣, 黄华国, 李雪玲, 王瑞刚, 金幼菊, 陈少良, 李文彬, 贺康宁, 陈斌如, 王四清, 古川郁夫, 张晓丽, 冷平生, 于志明, 闫丽, 陈少良, 贺庆棠, 李俊清, 关德新, 阎海平, 习宝田, 王百田, 李海英, 邹祥旺, 杨永福, 鲍甫成, 陈莉, 高攀, 王蕾, 任云卯, 阎海平, 刘力源, 李建章, 吴家兵, 高双林, 金小娟, 张卫强, 金昌杰, 陈华君, 王金满, 侯智, 陈源泉, 侯智, 程根伟, 郝志勇, 赵有科, 李涛, 尹婧, 高旺盛, 韩士杰, 杜建军, 翁海娇, 赵琼, 李鹤, 杨爽, 段杉.  基于三维曲面元胞自动机模型的林火蔓延模拟 . 北京林业大学学报, 2005, 27(3): 94-97.
  • 加载中
图(12) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  1080
  • HTML全文浏览量:  198
  • PDF下载量:  34
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-26
  • 修回日期:  2017-09-25
  • 刊出日期:  2017-11-01

基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
    基金项目:

    黑龙江省教育科学规划课题 GJB1214003

    黑龙江省基本科研业务费项目 HCZ201601

    黑龙江省森林工业总局应用研究项目 sgzjy2015006

    作者简介:

    贾娜,副教授。主要研究方向:木制品加工技术。Email:jiana@nefu.edu.cn  地址:150040 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号东北林业大学机电工程学院

    通讯作者: 花军,教授,博士生导师。主要研究方向:木材加工装备。Email:huajun81@163.com  地址:同上
  • 中图分类号: S784;O312

摘要: 木地板连接中锁扣起到了关键作用,为探索不同锁扣形式对木地板力学性能的影响,以强化地板锁扣为研究对象,以锁扣有限元模型的静力学特性为研究目标,利用三维扫描仪获取嵌入锁定和本体锁定两类强化地板12种典型锁扣的三维点云数据、逆向重构锁扣的三维实体模型,分析其结构特点,确定影响锁扣力学性能的结构特征值;采用有限元软件ANSYS对锁扣有限元模型进行弯曲和拉伸载荷作用下的整体变形、等效应力、等效应变的仿真分析,研究强化地板锁扣的静力学特性。结果表明:两类锁扣结构中,锁扣结合面长度、榫头(槽)凸(凹)出长度等参数与结合面形状是影响锁扣力学性能的主要因素;嵌入锁定锁扣具有更加优越的整体性能,受锁扣自身结构形状影响小,受锁定元件形状影响较大;本体锁定锁扣结构中,大的弧形锁扣截面形状更有利于提高锁扣的力学性能。通过三维扫描逆向重构锁扣模型以及对木地板锁扣结构和功能相关性的分析,为锁扣的设计、优化和检测提供了新的思路。

English Abstract

贾娜, 刘曼曼, 花军, 毛磊, 白雪. 基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
引用本文: 贾娜, 刘曼曼, 花军, 毛磊, 白雪. 基于3D Scan的木地板锁扣有限元模型静力学分析[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
JIA Na, LIU Man-man, HUA Jun, MAO Lei, BAI Xue. Static analysis of finite element model of wood flooring lock based on 3D scanning[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
Citation: JIA Na, LIU Man-man, HUA Jun, MAO Lei, BAI Xue. Static analysis of finite element model of wood flooring lock based on 3D scanning[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(11): 98-105. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170223
  • 锁扣连接是目前木地板铺装较为常见的连接方式,利用凸出的榫头和内凹的榫槽形成木地板之间的连接与锁定[1]。为更好地适应木地板基材的种类和使用环境,木地板锁扣在结构、功能和材料等方面不断地进行优化,木地板锁扣技术已成为木地板行业的核心技术之一[2]

    根据木地板锁扣的结构特点,可将其分为本体锁定锁扣和嵌入锁定锁扣两大类。本体锁定的锁扣主要由榫头和榫槽两部分组成,榫头可以倾斜或垂直插入榫槽;嵌入锁定的锁扣除了具有上述两部分结构外,还包括锁定元件,一般是具有一定结构的硬质弹性塑料,锁定元件先与榫槽或榫头配合安装,再以倾斜或垂直方式完成装配。从近年来锁扣技术的发展趋势来看,关于锁扣的研究主要集中在国外几个大型地板公司[38],世界排名前6位的锁扣专利申请人的技术侧重点,均比较重视新兴的嵌入锁定元件技术;我国木地板锁扣技术的研发还未广泛展开[9 10],且以本体锁定元件技术为主导,嵌入锁定元件技术相对较少。

    锁扣结构精细,尺寸较小,受到研究方法和手段的限制,目前还没有测试木地板锁扣力学性能的有效方法,国内外对锁扣的研究多集中在锁扣的连接形式与结构上,而对其力学性能的研究没有统一的标准[11]。三维扫描技术和有限元法分析方法为研究该问题提供了新的思路。三维扫描技术作为一项获取空间数据的重要技术手段,已经受到各领域的关注和研究[12-18],用于对物体的3D外形和结构进行扫描,获得物体表面大量的三维坐标点,这些坐标点称为“点云”[19],通过对点云数据进行预处理和重建优化,实现被测物体的重建;有限元分析(FEA,Finite Element Analysis)作为一种有效的数值分析方法,广泛地应用于机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器等几乎所有的科学研究和工程技术领域[20-23],已经商业化的有限元分析软件功能强大,能够实现从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。

    将三维扫描技术与有限元分析方法相结合,以使用最为广泛的强化地板锁扣结构为例,借助三维扫描技术对锁扣进行扫描,通过逆向建模手段重建锁扣的三维模型,利用有限元分析软件ANSYS对锁扣结构的有限元模型进行仿真分析,观察模型在弯曲或拉伸载荷作用下的整体变形、等效应力和等效应变,探索锁扣结构对其力学性能和功能实现的影响。研究结果既可用于锁扣的力学性能分析,又能够为锁扣结构设计和性能预测提供有效的手段。

    • 分析了目前市场上常见的木地板锁扣形式,选取其中12种具有代表特性锁扣作为研究对象,其中7种为本体锁定结构,5种为嵌入锁定结构。鉴于目前尚无关于木地板锁扣力学性能检测的标准,参照GB/T18102—2007[24]中关于强化地板理化性能测试的规定,在保证锁扣结构完整的情况下,试件尺寸设定为250 mm×250 mm,厚度采用强化地板自身的厚度为8 mm。

    • 强化地板锁扣尺寸小,结构精细,尤其是锁扣结合面上凸出的榫头和下凹的榫槽往往呈现不同曲率的曲面形状,且强化地板锁扣试件颜色较深,利用普通精度的三维扫描设备和CT断层扫描数据均未能成功逆向重构锁扣的三维实体模型。

      实验采用扫描精度更高的德国博尔科曼的smartSCAN3D-5C型的白光三维扫描设备。白光扫描系统采用微结构光投影技术和非对称结构,在一次拍照过程中,利用10°、20°和30°这3个角度计算距离,这种非对称结构布置,有效地克服了反光问题,利用同一个点对3个角度反光效果不同,能获取更多点云,单幅扫描精度可达0.05 mm。为有效降低试件表面反光对测试结果的影响,扫描前用反差增强剂对试件表面进行喷涂处理。

      利用该方法获取了12种强化地板锁扣的点云数据,利用逆向工程软件重构强化地板锁扣的几何曲面模型,将模型导入Solid Works三维建模软件,生成强化地板锁扣的榫头、榫槽和弹性锁定元件的实体模型,如图 1所示。

      图  1  强化地板锁扣各组成结构实体模型图

      Figure 1.  Structure solid models of laminate flooring lock

      将锁扣的各个组成部分进行装配,得到锁扣的三维装配实体模型,如图 2a所示。

      图  2  强化地板锁扣的装配模型

      Figure 2.  Assembly model of laminate flooring lock

    • 通过三维扫描逆向重构12种锁扣的三维实体模型,其结构特点可由强化地板锁扣的主要结构尺寸表征,其中,H为强化地板厚度,a为锁扣结合面长度,b为榫头内凹/凸出的长度,c为榫头内凹/凸出上边线到地板上表面的长度,d为榫头厚度,e为榫头下部内凹深度,如图 2b所示。在软件中测量出锁扣的结构特征值如表 1所示,为了便于表征和比较,锁扣的结构尺寸均以强化地板厚度为基准。

      表 1  12种锁扣截面形状与结构特征值

      Table 1.  Section shapes and structure characteristics of 12 kinds of locks

      以锁扣三维模型的结构与尺寸为基础,通过建立锁扣有限元模型并进行仿真,可以分析出锁扣结构形式对力学性能的影响。

    • 将锁扣的装配模型导入ANSYS Workbench软件中,通过设定材料属性、量纲与网格形式完成锁扣有限元模型的构建[25],在此基础上进行弯曲载荷或拉伸载荷作用下锁扣的静力学仿真分析。

    • 为更好地分析锁扣结构形式对其力学性能的影响,将12种强化地板锁扣的基材均设定为高密度纤维板,纤维板属于黏弹性材料,但是可以认为它有一定的线弹性区域[26]。同时,其具有各向同性的材料特点,建立能够反映高密度纤维板特点的锁扣有限元模型,因此采用梁单元来进行离散分析,其密度为928.8 kg/m3,弹性模量为1.2×104 MPa,泊松比为0.25,上述参数是根据GB/T18102—2007《浸渍纸层压木质木地板》的要求,通过实验测得;锁定元件设定为硬质塑料[27],密度为1 143.0 kg/m3,弹性模量为8.3×103MPa,泊松比为0.28。考虑到锁扣结构特点,在建模及分析过程中,设置量纲如下:长度单位为mm,力的单位为N,质量单位为kg,时间单位为s。

      有限元模型单元尺寸的大小与求解精度有着密切联系,尺寸越小,计算的精度就会越高;但如果单元尺寸过小,会增加计算量,影响计算速度,故在确保较高的计算准确性的情况下,尽可能减少单元总数来提高计算速度[28]。本研究采用智能网格划分,得到有限元模型的单元总数为120 682,节点总数为25 330,网格划分后的强化地板锁扣有限元模型如图 3所示。其中,图 3a为网格划分后锁扣有限元模型,图 3b为网格划分后硬质弹性锁定元件的局部有限元模型。

      图  3  网格划分后的木地板锁扣有限元模型

      Figure 3.  Finite element model of wood flooring lock after meshing

    • 弯曲和拉伸是木地板承受的主要载荷形式,在锁扣模型上除了施加载荷外,还要施加约束,载荷和约束是ANSYS Workbench-Mechanical求解的边界体条件,它们是以所选单元的自由度的形式定义的。根据强化地板的静曲强度≥35 MPa[29],对锁扣施加330 N的集中力,形成弯曲载荷,并以静曲强度测试要求施加约束,即支点设置于锁扣中心线两侧105 mm处,端面的分割线垂直中性面的方向位移为0 [11],如图 4所示。对锁扣结构施加拉伸载荷时,考虑锁扣水平方向的结合力,对于家庭铺装用强化木地板,欧洲标准一般要求长短边锁扣结合力为每50 mm 175 N[29],本次模拟载荷大小设置水平方向的拉力为875 N。

      图  4  地板锁扣受载荷和约束示意图

      Figure 4.  Schematic diagram of flooring lock under load and constraint

    • 以10号锁扣为例,施加了载荷和约束后,由仿真结果生成锁扣整体变形等值线、等效应变等值线和应力等值线,如图 5所示。锁扣整体变形的最大值为0.321 6 mm, 等效应变的最大值为0.001 4,等效应力的最大值为15.304 0 MPa。以相同的分析过程对1~12号强化地板锁扣的整体变形、等效应力和应变最大值仿真结果的统计如图 6~8所示。

      图  5  弯曲载荷作用下的模拟图

      Figure 5.  Simulation diagram under bending load

      图  6  锁扣弯曲变形整体变形的最大值图

      Figure 6.  The maximum total deformation of the lock under bending load

      图  7  锁扣弯曲变形等效应变的最大值图

      Figure 7.  The maximum equivalent strain of the lock under bending load

      图  8  锁扣弯曲变形等效应力的最大值图

      Figure 8.  The maximum equivalent stress of the lock under bending load

      图 6~8可知:锁扣连接的强化地板在承受弯曲载荷作用时,嵌入锁定结构综合力学性能优于本体锁定结构,在等效应力、等效应变仿真结果中体现得更为明显。其中8~12号嵌入锁定结构的等效应力、等效应变值变化幅度非常小,结合表 1中锁定元件形状可知:装有锁定元件的嵌入式锁扣的结构形式,类似于桁架结构,能起到增强木地板力学性能,减小连接处变形,提高连接刚度的作用。有了锁定元件的参与,锁扣自身结构的变化对其力学性能的影响较小,设计时可以考虑简化锁扣榫头和榫槽的结构。而本体锁定锁扣,仿真结果起伏较大,表明锁扣结构对力学性能变化的影响较大。

      图 6中,5号本体锁定锁扣和10号嵌入锁定锁扣都能实现较小的变形量。通过表 1进行对比分析发现:这两种锁扣的ab值都比较大,10号地板锁扣的b值最大,达到地板厚度的40%,b值较大的9号木地板锁扣也表现出较为优异的力学性能。因此可以推断:锁扣结构中的ab值对锁扣的力学性能,尤其是整体变形的影响较大。分析表 1可知:10号锁扣的锁定元件的形状较为特殊,具有较大的弯曲半径和更多的凸凹结构,说明优化锁定元件的形状,同样有利于提高锁扣结构的力学性能。结合表 1可知:5号锁扣是所有锁扣结合面中唯一使用较大弧形截面的结构,抵抗变形能力最强。可以推断出大弧形锁扣界面有利于提高木地板锁扣的力学性能。

    • 同样以10号地板为例,在水平拉伸载荷的作用下,获得锁扣整体变形等值线、等效应变等值线和等效应力等值线,如图 9所示。由仿真结果可知,锁扣的整体变形的最大值为0.005 7 mm, 等效应变的最大值为0.000 2,等效应力的最大值为2.509 3 MPa。以相同的分析过程对1~12号强化地板锁扣的整体变形、等效应力和等效应变最大值仿真结果的统计分析如图 10~12所示。

      图  9  水平拉伸载荷作用下的模拟图

      Figure 9.  Simulation diagram under horizontal tensile load

      图  10  水平拉力下整体变形的最大值图

      Figure 10.  The maximum total deformation of the lock under horizontal tensile load

      图  11  水平拉力下等效应变的最大值图

      Figure 11.  The maximum equivalent strain of the lock under horizontal tensile load

      图  12  水平拉力下等效应力的最大值图

      Figure 12.  The maximum equivalent stress of the lock under horizontal tensile load

      在拉伸载荷作用下,1~12号强化地板锁扣变形的最大值的变化如图 10所示。从仿真结果可以看出:嵌入锁定结构比本体锁定结构变形小,且不同嵌入结构锁扣的变形量变化幅度非常小;本体锁定结构的锁扣中,2号和5号锁扣也能达到较小的变形量,其结构有较好的借鉴作用;1号和2号锁扣的abd值相同,而2号锁扣的c值(20%H)是同类锁扣中比较小的,变形比较小的11号强化地板锁扣c值(25%H)也比较小,大部分锁扣的c值处于30%H~40%H,表明小的c值对提高锁扣的抗拉强度更有利。

      在嵌入锁定结构中,8号、9号、10号锁扣的等效应力、等效应变的最大值变化幅度不大,这与它们有着共同的c值(33.3%H)有关;10号、11号、12号锁扣的等效应力、等效应变依次增大,其b值由40%H变为10%H,表明榫头与锁定元件的接触长度依次减小,因此其结合力也依次减小。

      本体锁定结构中,2号、5号、7号锁扣表现出较好的力学性能优越性,同时又存在着细微的差异,比较这3种锁扣的e值,5号、7号锁扣的e值(20%H)比2号锁扣的e值(12%H)大,榫头与榫槽扣合时,接触面积也较大,其结合力也较大;1号、4号、6号锁扣的等效应变、等效应力最大值依次减小,这与其榫头结合长度a依次增大有关,在100%H~150%H范围内,增大榫头长度,可以有效地增大锁扣的结合力。

    • 利用三维扫描和逆向设计的方法建立木地板锁扣的三维模型,分析其结构特点,并通过对木地板锁扣有限元模型的静力学分析,得出以下结论:

      1) 采用高精度三维扫描仪扫描涂有反差增强剂的木地板锁扣,能有效获取其三维点云数据,借助逆向设计软件与三维设计软件可以重构锁扣结构三维实体模型,结合有限元分析方法,能够实现锁扣结构有限元模型的建立与仿真,获得的仿真可以有效地反映木地板锁扣的静力学特性。

      2) 对木地板锁扣有限元模型进行静力学分析,考察模型在弯曲和拉伸载荷作用下变形、应力和应变。仿真结果表明:嵌入锁定锁扣的综合力学性能优于本体锁定锁扣,其力学性能更为稳定,受结构形状影响小,具有较大弯曲半径和更多凸凹结构的锁定元件更有利于提高锁扣力学性能;本体锁定锁扣的力学性能同样能够达到与嵌入锁定结构相同的水平,但受木地板榫槽和榫头结构的影响较大。

      3) 综合分析木地板锁扣结构特点和仿真结果,锁扣结构中较大的锁扣结合面长度、榫头内凹/凸出的长度、榫头下部内凹深度和较小的榫头内凹/凸出上边线到地板上表面的长度对锁扣保持较大的抗弯刚度和抗拉强度有利;本体锁定锁扣结构中,大的弧形锁扣截面形状更有利于提高锁扣的力学性能。

      锁扣连接作为木质件的重要连接形式,还有许多问题需要深入研究,尤其是锁定元件对嵌入锁定锁扣功能实现的力学作用机制、锁扣截面形状的优化、锁扣的稳定性分析、锁扣材质及加工工艺性等问题都有待于进一步探讨。

参考文献 (29)

目录

    /

    返回文章
    返回