面向家具工程设计的搁板蠕变变形预测模型

摘要

【目的】为提升实木家具搁板的长期使用安全性与设计可靠性，以黑胡桃木（Juglans nigra）直拼板为研究对象，探究其在长期载荷下的蠕变行为，构建适用于搁板耐久性设计与变形预测的蠕变本构模型及性能预测方法。【方法】通过为期42 d的三点弯曲蠕变试验，研究材料在2%f_m、6%f_m和10%f_m（f_m为平均抗弯强度）应力水平下的黏弹性行为；采用非线性拟合方法，对比评估幂律模型、标准线性固体模型与Burgers模型的拟合优度；基于参数演化分析，建立考虑应力影响的广义蠕变本构方程，并提出一套基于长期变形控制阈值的实木搁板结构参数优化设计方法。【结果】（1）Burgers模型为最优本构模型(R² > 0.992,RMSE为1.88×10^-6～7.71×10^-6)，可完整表征瞬时弹性、延迟弹性与稳态黏性流动。（2）模型参数呈现显著应力相关性：延迟弹性模量随应力呈指数增长，弛豫时间呈幂律衰减，材料行为由低应力下的准线性蠕变向高应力下的非线性蠕变过渡；所构建的广义本构模型可准确预测2%f_m～10%f_m应力范围内的长期变形。（3）基于该模型开发的参数优化方法，可根据目标使用年限与许用变形量，为家具搁板提供确定关键尺寸（如厚度、跨度）的科学方案，实现性能导向的精准设计。【结论】本研究建立了从材料蠕变参数到家具构件设计参数的映射方法，所提出的模型与优化方法为实木家具搁板的耐久性设计与安全评估提供了理论工具，有助于推动家具工程设计从经验模式向预测性能模式的转变。

关键词

家具设计 / 实木搁板 / 蠕变 / 本构模型 / Burgers模型 / 耐久性设计 / 变形预测

基金资助

实木定制家具柜类产品的用户研究与产品设计系统搭建策略项目（2025HXZXCLXY027）; 北京市级大学生创新创业训练计划项目（202510022370）