实木家具力学性能与选材指标分析_毛卫国
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林业科技开发 2015 年第 29 卷第 6 期
林 产 加 工 与 利 用 欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗
具框架上时， 轴向力、 剪应力和弯曲力矩等同时产生 并作用于结构件和接合点上。 图 2 为外力作用下座
椅横档、 横枨和椅腿等部位形成的内应力 。
收稿日期： 2015 －03 －30 修回日期： 2015－07－19 基金项目： 广 东 省 宜 华 木 业 股 份 有 限 公 司 博 士 后 科 研 工 作 站 项 目 （ 144348 ） ； 台州市 “500 精英计划” 项目（ 2014 ） ； 江苏省林业三新工程 2014］ 04 ） ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目（ PAPD） 。 项目（ lysx［ 作者简介： 毛卫国（ 1990 － ） ， 男， 硕士生， 研究方向为家具与木制品工 mail： xuwei@ njfu． edu． cn 程。通信作者： 徐伟， 副教授。E-
实木家具不同于实木建筑， 尤其实木框架结构家 具对用材颇为苛刻， 在长时间与人和物交互过程中受 到各种各样的力、 碰撞和破坏时还必须保证家具整体 的稳定坚固和细节的无瑕， 以满足实木家具美观、 坚固 和耐用等特定属性。现有实木家具产品经常出现开 裂、 断裂和破损等质量问题， 其中一个重要原因就是实 木家具用材的选择。笔者通过对实木家具及其构件的 受力分析和常用实木家具用材力学性能的分析， 形成 基于力学性能评价的实木家具力学性能指标等级和选 材等级建议， 根据选材等级和指标选择合适的木材， 为 木材在实木家具中的合理高效使用提供参考。 1 实木家具及构件力学分析 1． 1 实木家具力学分析 框架式结构是实木家具的典型结构 ， 框架结构实
干缩系数、 抗弯强度、 抗弯弹性模量、 顺纹抗剪强度、 硬度等物理力学性能进行了整理和数学分析 。 通过 对 24 种木材的性能分析能够侧面了解其他树种 ， 也 为硬度等性能指标的等级划分提供了参考依据 ， 有利 以满足不 于根据提出的参考指标进行有目的的选择 ， 同构件需要。 2． 1 干缩系数 湿胀干缩和各向异性是木材的两大特性 ， 也是影 响木材在家具中应用的重要影响因素 。图 4 是 24 种 Nhomakorabea图4
24 种木材干缩系数对比
2． 2
硬度
0． 924 7 ， 相关系数 r 弯 ≈0． 915 ， 具有较高的相关性； 气 干密 度 x 与 抗 弯 弹 性 模 量 y 弹 之 间 关 系 为 y 弹 = 11 398 x + 3 740． 4 ， r 弹 ≈0． 736 ， 具有一定相关性。
硬度是衡量家具用材的一个重要指标 ， 本研究中 的硬度是表征特定面积上所能承受的压入荷载 ， 单位 为 MPa。图 5 为 24 种木材的硬度分析， 端面、 径面或 即硬度 是弦面硬度的数值与气干密度基本成正相关 ， 随气干密度的增大而增大。建立一元线性回归方程， yi ） ， i = 1， 2， …， n。则回归方程为 样本点为（ x i ， 其中， y = a + bx， 相关系数 r， 其中： x = 1 / nxi ， y = 1 / n yi ， a = y － bx， b = （ xi －
能要求和家具产品常用树种物理力学性能的基础上 ， 才能根据需求合理选择木材。 实木家具产品所用树 种繁多， 笔者选取了 24 种家具产品常用木材
［6 ］
， 并对
林业科技开发 2015 年第 29 卷第 6 期
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（ 1． 南京林业大学家具与工业设计学院， 南京 210037 ； 2． 广东省宜华木业股份有限公司； 3． 台州市玉环县楚洲人才科技创新服务中心） 摘 要： 框架结构实木家具构件在外载荷作用下会产生内应力 ， 在构件和结点处的表现形式和大小不同 。 将实木
家具构件按结构分成支承型和连接型构件 ， 并进行力学性能分析， 结果表明： 不同构件受力情况不同 ， 对木材硬度、 尺寸稳定性、 握钉力等要求也不同。确定了不同构件各性能间的相对重要性 ， 并在家具常用树种力学性能分析基 对木材各性能进行了等级划分 ， 为实木家具选材提出了性能要求和指标建议 ， 实现木材在实木家具中的合理 础上， 利用。 关键词： 实木家具； 力学性能； 选材指标
Building of wood selecting index for solid wood furniture based on mechanical property analysis ∥ MAO
Weiguo， XU Wei， HUANG Qiongtao， TANG Xianliang， WU Zhihui
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望板等 ） ， 其中主要连接构件 次要连接构件（ 如塞角、 一般跨度较大且构件横向受压强度大。 由于主要构 不同构件间接合方式也会影响构件的选 件受力较大， 榫、 胶接合的方式对木材尺寸稳定性要求较高 ， 择， 钉、 木螺钉及五金件接合要求木材具有较好的握钉 对于不同的构件， 硬度、 尺寸稳定性、 握钉 力。因此， 力、 抗弯强度等重要性不同， 在选择木材时也应当根 据不同力学性能之间的相对重要性 ， 优先考虑特定的 性能要求。
木家具是各个实木构件通过榫、 钉、 木螺钉、 胶或连接 件接合而成。实木家具产品的耐用度与实木家具及 其构件所承受的载荷性质和大小有较密切的联系 。 载荷是物体作用于结构上的力， 分为外力和内应力： 外力是通过外在物体作用到结构上的力 ， 包括作用力 和支反力； 内应力是结构构件内部产生的抵抗外载荷 ［1 ］ 的力 。家具作为长期与人、 物、 环境交互的物件， 在使用中会受到各种形式的外载荷， 如静载荷、 冲击 载荷、 循环载荷等。 由于木材本身的特性， 家具木材 变形甚 内部在长期抵抗外力过程中会产生应力疲劳 、 至破坏等。框架结构实木座椅是与人交互最密切 、 受 力最复杂的家具类型， 因此， 笔者对实木座椅进行分 析。在与人交互的过程中， 座椅所受外载荷包括座面 ［2－3 ］ 、 垂直载荷、 靠背载荷 扶手载荷以及侧向推力等， 同时还受到地面的反作用力， 垂直方向上所有力之和 为零， 如图 1 所示。 当有外力作用时， 除一部分构件 直接受力外， 外力还会通过接合点依次传递和重新分 接合点的受力主要有轴向拉 配至框架中的其他构件， 应力、 横向剪应力和弯曲力矩等。当外载荷作用到家
F2 为手肘施加压力， F3 为腿部施加压力， 注： F1 为人体臀部施加压力， F4 为背部施加向后推力， F5 为手肘施加侧向推力， f1 为地面支持力， f2 为地面纵向静摩擦力， f3 为地面侧向静摩擦力 。
F b 为背部施加向后推力， 注： F a 为人体施加压力， F c 为地面支持力， F d 为地面静摩擦力， f a 为纵向内应力， f b 为横向内应力， M 为弯曲力矩。
图1
座椅整体力学分析
图2
座椅局部力学分析
1． 2
实木家具构件分类与力学分析
同一接合点处不同构件的受力情况不同 （ 图 3 ） 。 实木家具构件可根据受力的不同， 分为支承型构件 （ 椅腿、 桌腿、 床柱、 联帮棍等 ） 、 连接型构件 （ 横撑、 撑 、 ） ， ， 档 塞角等 和装饰型构件 其中 装饰型构件不是主 要受力对象， 或承担支承 （ 或连接 ） 功能， 不做具体分 析。支承型构件的主要受力是纵向压力和支反力 ， 其 次是与连接型构件间的相互作用力。 支承型构件受 到纵向压力和地面反作用力而产生纵向剪切力 ， 在与 连接型构件的连接位置受力复杂 ， 尤其是有榫眼的支 ［4－5 ］ 应力较为集中。 支承型构件要 承型构件榫眼处 求木材具有较高的硬度和顺纹抗剪强度。 连接型构 件在连接其他构件或相互连接时 ， 两端受力或中心受 压： 端部开榫头的连接型构件， 榫头部位受力较为集 ； ， 中 连接件中心受压时 由于两端固定， 端头在垂直载 连接型构件也会产生弯曲力 荷作用下会产生剪应力， 矩， 连接型构件越长， 垂直载荷越大， 弯矩越大。连接 型构件要 求 木 材 具 有 较 高 的 抗 弯 强 度 和 抗 弯 弹 性 模量。 同一家具中并非所有支承型构件或连接型构件 的受力均相同。不同支承型构件在家具产品中的作 用是不同的， 对木材性能要求亦不同。支承型构件可 分为主要支承型构件和次要支承型构件 ， 主要支承型 构件用于承载整个家具的质量和外力 ， 一般为家具中 ， 、 受力最大的构件 如椅腿 桌腿等腿部构件； 次要支承 构件主要承担部分纵向载荷， 如联帮棍等。连接型构 件亦可分为主要连接构件 （ 如扶手、 横枨、 横档等 ） 和
Abstract： External loading may induce internal stress in components of solid wood furniture． The pattern and value of the stress are different between components and their nodes． In this study， solid wood furniture components are classified as supporting and connective ones， and mechanical analyses were performed on them． The results showed that the requirements on wood hardness， dimensional stability and screw holding strength were different for different components． The relative importance of different mechanical strengths in furniture components was determined， and the mechanical performance was grawhich can propose mechanical property index for the raw maded by means of mechanical analyses on popular wood species， terial selecting of solid wood furniture， and to realize the proper use of different wood species． Key words： solid wood furniture； mechanical property； selection index First author’ s address： College of Furniture and Industrial Design， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037 ， China
林业科技开发 2015 年第 29 卷第 6 期
林 产 加 工 与 利 用 欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗
具框架上时， 轴向力、 剪应力和弯曲力矩等同时产生 并作用于结构件和接合点上。 图 2 为外力作用下座
椅横档、 横枨和椅腿等部位形成的内应力 。
收稿日期： 2015 －03 －30 修回日期： 2015－07－19 基金项目： 广 东 省 宜 华 木 业 股 份 有 限 公 司 博 士 后 科 研 工 作 站 项 目 （ 144348 ） ； 台州市 “500 精英计划” 项目（ 2014 ） ； 江苏省林业三新工程 2014］ 04 ） ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目（ PAPD） 。 项目（ lysx［ 作者简介： 毛卫国（ 1990 － ） ， 男， 硕士生， 研究方向为家具与木制品工 mail： xuwei@ njfu． edu． cn 程。通信作者： 徐伟， 副教授。E-
实木家具不同于实木建筑， 尤其实木框架结构家 具对用材颇为苛刻， 在长时间与人和物交互过程中受 到各种各样的力、 碰撞和破坏时还必须保证家具整体 的稳定坚固和细节的无瑕， 以满足实木家具美观、 坚固 和耐用等特定属性。现有实木家具产品经常出现开 裂、 断裂和破损等质量问题， 其中一个重要原因就是实 木家具用材的选择。笔者通过对实木家具及其构件的 受力分析和常用实木家具用材力学性能的分析， 形成 基于力学性能评价的实木家具力学性能指标等级和选 材等级建议， 根据选材等级和指标选择合适的木材， 为 木材在实木家具中的合理高效使用提供参考。 1 实木家具及构件力学分析 1． 1 实木家具力学分析 框架式结构是实木家具的典型结构 ， 框架结构实
干缩系数、 抗弯强度、 抗弯弹性模量、 顺纹抗剪强度、 硬度等物理力学性能进行了整理和数学分析 。 通过 对 24 种木材的性能分析能够侧面了解其他树种 ， 也 为硬度等性能指标的等级划分提供了参考依据 ， 有利 以满足不 于根据提出的参考指标进行有目的的选择 ， 同构件需要。 2． 1 干缩系数 湿胀干缩和各向异性是木材的两大特性 ， 也是影 响木材在家具中应用的重要影响因素 。图 4 是 24 种 Nhomakorabea图4
24 种木材干缩系数对比
2． 2
硬度
0． 924 7 ， 相关系数 r 弯 ≈0． 915 ， 具有较高的相关性； 气 干密 度 x 与 抗 弯 弹 性 模 量 y 弹 之 间 关 系 为 y 弹 = 11 398 x + 3 740． 4 ， r 弹 ≈0． 736 ， 具有一定相关性。
硬度是衡量家具用材的一个重要指标 ， 本研究中 的硬度是表征特定面积上所能承受的压入荷载 ， 单位 为 MPa。图 5 为 24 种木材的硬度分析， 端面、 径面或 即硬度 是弦面硬度的数值与气干密度基本成正相关 ， 随气干密度的增大而增大。建立一元线性回归方程， yi ） ， i = 1， 2， …， n。则回归方程为 样本点为（ x i ， 其中， y = a + bx， 相关系数 r， 其中： x = 1 / nxi ， y = 1 / n yi ， a = y － bx， b = （ xi －
能要求和家具产品常用树种物理力学性能的基础上 ， 才能根据需求合理选择木材。 实木家具产品所用树 种繁多， 笔者选取了 24 种家具产品常用木材
［6 ］
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林业科技开发 2015 年第 29 卷第 6 期
欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗欗 林 产 加 工 与 利 用
（ 1． 南京林业大学家具与工业设计学院， 南京 210037 ； 2． 广东省宜华木业股份有限公司； 3． 台州市玉环县楚洲人才科技创新服务中心） 摘 要： 框架结构实木家具构件在外载荷作用下会产生内应力 ， 在构件和结点处的表现形式和大小不同 。 将实木
家具构件按结构分成支承型和连接型构件 ， 并进行力学性能分析， 结果表明： 不同构件受力情况不同 ， 对木材硬度、 尺寸稳定性、 握钉力等要求也不同。确定了不同构件各性能间的相对重要性 ， 并在家具常用树种力学性能分析基 对木材各性能进行了等级划分 ， 为实木家具选材提出了性能要求和指标建议 ， 实现木材在实木家具中的合理 础上， 利用。 关键词： 实木家具； 力学性能； 选材指标
Building of wood selecting index for solid wood furniture based on mechanical property analysis ∥ MAO
Weiguo， XU Wei， HUANG Qiongtao， TANG Xianliang， WU Zhihui
128
望板等 ） ， 其中主要连接构件 次要连接构件（ 如塞角、 一般跨度较大且构件横向受压强度大。 由于主要构 不同构件间接合方式也会影响构件的选 件受力较大， 榫、 胶接合的方式对木材尺寸稳定性要求较高 ， 择， 钉、 木螺钉及五金件接合要求木材具有较好的握钉 对于不同的构件， 硬度、 尺寸稳定性、 握钉 力。因此， 力、 抗弯强度等重要性不同， 在选择木材时也应当根 据不同力学性能之间的相对重要性 ， 优先考虑特定的 性能要求。
木家具是各个实木构件通过榫、 钉、 木螺钉、 胶或连接 件接合而成。实木家具产品的耐用度与实木家具及 其构件所承受的载荷性质和大小有较密切的联系 。 载荷是物体作用于结构上的力， 分为外力和内应力： 外力是通过外在物体作用到结构上的力 ， 包括作用力 和支反力； 内应力是结构构件内部产生的抵抗外载荷 ［1 ］ 的力 。家具作为长期与人、 物、 环境交互的物件， 在使用中会受到各种形式的外载荷， 如静载荷、 冲击 载荷、 循环载荷等。 由于木材本身的特性， 家具木材 变形甚 内部在长期抵抗外力过程中会产生应力疲劳 、 至破坏等。框架结构实木座椅是与人交互最密切 、 受 力最复杂的家具类型， 因此， 笔者对实木座椅进行分 析。在与人交互的过程中， 座椅所受外载荷包括座面 ［2－3 ］ 、 垂直载荷、 靠背载荷 扶手载荷以及侧向推力等， 同时还受到地面的反作用力， 垂直方向上所有力之和 为零， 如图 1 所示。 当有外力作用时， 除一部分构件 直接受力外， 外力还会通过接合点依次传递和重新分 接合点的受力主要有轴向拉 配至框架中的其他构件， 应力、 横向剪应力和弯曲力矩等。当外载荷作用到家
F2 为手肘施加压力， F3 为腿部施加压力， 注： F1 为人体臀部施加压力， F4 为背部施加向后推力， F5 为手肘施加侧向推力， f1 为地面支持力， f2 为地面纵向静摩擦力， f3 为地面侧向静摩擦力 。
F b 为背部施加向后推力， 注： F a 为人体施加压力， F c 为地面支持力， F d 为地面静摩擦力， f a 为纵向内应力， f b 为横向内应力， M 为弯曲力矩。
图1
座椅整体力学分析
图2
座椅局部力学分析
1． 2
实木家具构件分类与力学分析
同一接合点处不同构件的受力情况不同 （ 图 3 ） 。 实木家具构件可根据受力的不同， 分为支承型构件 （ 椅腿、 桌腿、 床柱、 联帮棍等 ） 、 连接型构件 （ 横撑、 撑 、 ） ， ， 档 塞角等 和装饰型构件 其中 装饰型构件不是主 要受力对象， 或承担支承 （ 或连接 ） 功能， 不做具体分 析。支承型构件的主要受力是纵向压力和支反力 ， 其 次是与连接型构件间的相互作用力。 支承型构件受 到纵向压力和地面反作用力而产生纵向剪切力 ， 在与 连接型构件的连接位置受力复杂 ， 尤其是有榫眼的支 ［4－5 ］ 应力较为集中。 支承型构件要 承型构件榫眼处 求木材具有较高的硬度和顺纹抗剪强度。 连接型构 件在连接其他构件或相互连接时 ， 两端受力或中心受 压： 端部开榫头的连接型构件， 榫头部位受力较为集 ； ， 中 连接件中心受压时 由于两端固定， 端头在垂直载 连接型构件也会产生弯曲力 荷作用下会产生剪应力， 矩， 连接型构件越长， 垂直载荷越大， 弯矩越大。连接 型构件要 求 木 材 具 有 较 高 的 抗 弯 强 度 和 抗 弯 弹 性 模量。 同一家具中并非所有支承型构件或连接型构件 的受力均相同。不同支承型构件在家具产品中的作 用是不同的， 对木材性能要求亦不同。支承型构件可 分为主要支承型构件和次要支承型构件 ， 主要支承型 构件用于承载整个家具的质量和外力 ， 一般为家具中 ， 、 受力最大的构件 如椅腿 桌腿等腿部构件； 次要支承 构件主要承担部分纵向载荷， 如联帮棍等。连接型构 件亦可分为主要连接构件 （ 如扶手、 横枨、 横档等 ） 和
Abstract： External loading may induce internal stress in components of solid wood furniture． The pattern and value of the stress are different between components and their nodes． In this study， solid wood furniture components are classified as supporting and connective ones， and mechanical analyses were performed on them． The results showed that the requirements on wood hardness， dimensional stability and screw holding strength were different for different components． The relative importance of different mechanical strengths in furniture components was determined， and the mechanical performance was grawhich can propose mechanical property index for the raw maded by means of mechanical analyses on popular wood species， terial selecting of solid wood furniture， and to realize the proper use of different wood species． Key words： solid wood furniture； mechanical property； selection index First author’ s address： College of Furniture and Industrial Design， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037 ， China
