铝合金一体式折叠桌椅结构设计及方案优化

王乐洋，张宗铄，张志宇，王洪卓，邵倩男，李 斌

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

折叠桌椅是一种轻便、可叠放且具有艺术价值的桌椅，既方便搬动，又节省空间[1-2]。通常折叠桌椅按用途可以分为家用折叠桌椅、户外折叠桌椅、会议折叠桌椅等。随着社会经济的快速发展，人们的生活和工作方式对家具的使用产生了新的需求，一种造型多样、用途广泛、承载能力强、操作灵活、价格优惠、便携的一体式折叠桌椅应运而生，市场需求量巨大[3-5]。根据国际市场研究机构预测，全球折叠家具市场年均增长率为6.9%，预计2022年全球折叠家具市场交易额将达到839亿元[4-6]。折叠桌椅作为折叠家具中的一种细分产品，其市场前景同样广阔[7]。

铝合金具有质量轻、塑造性强的特点，广泛应用于折叠桌椅中，常见的是一桌四椅的结构形式，用途广泛，经常应用于户外以及大型的会展中心。铝合金折叠桌椅更是一些机构户外推广、百姓户外野餐自驾游等使用最频繁的产品[8-10]。结构上，这类产品按照力学原理设计而成，架构坚固，使用寿命长，操作简单，使用方便；价格上，比较实惠，根据质量、大小价格也会有所不同，可以满足消费者众多需求。

1 原始设计方案

1.1 原始设计参数

铝合金折叠桌椅具有轻质高强、外观美观、易于携带、稳定性强、使用寿命长、不易锈蚀、可回收利用的特点[5]。

此次设计的铝合金一体式折叠桌椅为一桌四椅结构，材料为6061-T6/T4铝合金，主要连接方式为螺接及铆接，折叠桌椅打开状态尺寸为1306 mm×850 mm×720 mm，关闭状态尺寸为850 mm×375 mm×140 mm，桌面承载量为100 kg，椅子承载量为90 kg，该折叠桌椅总用铝量为11.7 kg。该铝合金一体式折叠桌椅打开状态二维图如图1所示，关闭状态二维图如图2所示。

图1 铝合金一体式折叠桌椅打开状态二维图

图2 铝合金一体式折叠桌椅关闭状态二维图

1.2 整体结构设计

铝合金一体式折叠桌椅由桌面结构、桌椅折叠连接件结构及椅子结构组成，桌面结构采用6061-T4铝合金材料，桌椅折叠连接件结构多为塑料材质，其主体架构采用6061-T6铝合金材料，椅子结构均采用6061-T6铝合金挤压型材。桌面结构采用螺接及铆接结合的方式；桌面结构、桌椅折叠连接件结构及椅子结构采用螺接的连接方式。另外，各结构均采用银白氧化的表面处理方式，以提高桌椅使用寿命，降低维修成本。铝合金一体式折叠桌椅三维数模如图3所示。

图3 铝合金一体式折叠桌椅三维数模

2 原始方案仿真分析结果

针对此次设计的铝合金一体式折叠桌椅，桌椅腿部与地面固定连接。根据实际使用工况及参照国家标准GB 28478-2012《户外休闲家具安全性能要求桌椅类产品》的要求，在桌面中心位置加载集中载荷（500 N），在椅子中间位置、距一边侧面80 mm处加载集中载荷（1 100 N），然后进行静力学分析，校验强度和刚度是否满足使用要求。

有限元分析结果表明：铝合金一体式折叠桌椅的最大应力为229.6 MPa，小于6061-T6挤压铝合金的屈服强度240 MPa，而最大变形量为6.845 mm，并未产生明显变形，不会破坏桌面主体结构。因此，该铝合金一体式折叠桌椅的刚度和强度均满足设计要求。

3 原始方案产品缺陷分析

根据原始设计方案生产样件，并用于实际试验。为验证产品性能是否满足使用需求，4个成年人分别坐在该样件的椅子上，发现该样件椅面纵向实际使用长度较短，椅面型材较薄；当4人同时坐在椅面上时，椅面出现明显变形且结构晃动。另外因椅面与桌面范围有限，人长期坐在椅面上容易出现疲累现象，舒适度差，且生产初期，未对零件结构做圆角处理，存在尖角结构，安全性能较差。针对以上缺陷，需对原始设计方案进行优化设计。

4 优化设计方案

4.1 优化改进方案

由于一体式折叠桌椅原始方案存在承载量低、舒适度差、安全性无保障等问题，故对其结构进行改进[6]。在折叠状态尺寸不变情况下，桌椅展开后总长度由1 306 mm变为1 400 mm，椅面纵向长度由268 mm增至最大310 mm，使空间利用率最大化；新增椅背结构，增加产品舒适度，椅背结构利用L型插销连接固定，拆装便捷；另考虑到人员体重的日渐增加，故增厚椅面板型材壁厚，将椅子承载量提升至150 kg；原始方案铝合金折叠桌椅的椅子采用正方形椅面，存在尖角结构，极易划伤使用者。现利用铝材加工的优势，改变铝型材截面，在椅面型材截面增加圆角，且桌椅边缘处均设计为圆弧封边结构，以保护使用人员的安全，更加人性化。改进优化方案如图4所示。

图4 铝合金一体式折叠桌椅优化方案三维数模

4.2 方案对比分析

通过优化设计，改进了铝合金一体式折叠桌椅原始设计方案中的不足之处，具体方案对比分析结果如表1所示。

表1 铝合金一体式折叠桌椅方案对比分析结果

5 小结

针对铝合金一体式折叠桌椅原始方案存在的承载量低、舒适度差、安全性无保障等问题进行设计优化。优化后的铝合金一体式折叠桌椅方案在满足使用工况的同时，提高并完善了产品的空间利用率和安全可靠性，提升了桌椅的使用舒适性。铝合金一体式折叠桌椅由于其材料回收残值大等特点，符合国家倡导的绿色环保发展理念，实现可循环使用。同时由于其质量轻、耐腐蚀、外形美观、使用寿命长等优势，必将具有广阔的市场前景。经过实践与优化，该产品实用、稳定，具有一定的推广价值。