基于Ansys workbench的木结构强度分析

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前言

榫卯技术是一种古老的木结构连接方法，通过在两个木质部件上创造相互吻合的凹凸形状来实现结合。在这种结构中，凸出的部分被称为“榫”或“榫头”，而凹入的部分则被称作“卯”或“榫眼”、“榫槽”。当这些部分紧密地嵌合在一起时，它们便形成了坚固的连接。这种连接方式是中国古代建筑、家具以及其他木制工具和设施的核心构造技术。

在榫卯结构中，木件之间的相互作用不仅涉及数量上的多少，还涉及高度、长度的差异，通过精巧设计实现完美匹配，有效防止了木件在各个方向上的扭曲。一个基础的榫卯结构由两个元素组成，其一是带有突出“榫头”的构件，它被插入另一构件中的“卯眼”，以此达到稳固的连接效果。其中，插入卯眼内部的部分称为“榫舌”，其余部分则是“榫肩”。

这种精妙的连接方法不仅在建筑领域得到广泛应用，也广泛运用于家具制作，显示了家具设计与建筑设计之间的密切关系。尽管采用榫卯结构的单个构件可能相对薄弱，但作为一个整体，它们却能承受极大的力量。这一结构的巧妙之处在于，它不依赖单个部件的力量，而是依靠部件之间的相互配合与支撑。因此，这种结构形式成为了中国后世建筑和传统中式家具设计的基本模式。

计算模型

1、二维零件图

如下图所示的木制榫卯结构，其水平部件的自由端承受着1000牛顿的压力。此结构由木材制成，现需对其构造进行强度验证。

二维零件图

2、三维零件图

榫的三维零件图如下图所示。

卯的三维零件图如下图所示。

卯榫的三维图如下图所示。

3、参数选择

在本篇文章中，我们选用了樟子松木材作为制作榫卯结构的材料。在我国北方地区广泛分布的樟子松以其挺拔的树干和较快的生长速率而闻名，同时也表现出了很强的适应能力。樟子松木材具备以下显著优势：首先，它具有较强的抗虫蛀性能，十分适合用于打造衣柜、凳子等各类家具。其次，鉴于樟子松在国内的广泛分布和快速生长特性，与其他高档实木材料相比，其价格更为经济，因而在建筑材料市场上拥有较高的需求。

3.1木材材料性能

木材作为一种复杂的生物材料，存在一些固有的缺陷，如容易发生形变、材质上的不均匀性以及易受到生物因素的侵害。关于这些方面的研究在以往的文献中相对较少，主要原因在于影响木材性质的因素具有不确定性，以及在实验研究中，不同木材样本之间表现出了显著的差异性和离散性。

此外，木材是一种各向异性的材料，这意味着它的物理性质会随着方向的不同而有所变化。这种各向异性的根本在于木材细胞纤维排列的方向性。根据木纤维的生长方向，可以将木材的性质划分为三个主要方向：顺纹纵向、横纹径向和横纹弦向。顺纹纵向是指与木纤维平行的方向；横纹径向是指在与木纤维垂直的横截面上，既与年轮垂直又通过圆心的方向；横纹弦向则是指在横截面上，与径向垂直的方向。这些方向被区分开来，是因为顺纹纵向的物理力学属性与横纹方向的属性有着显著差异，同时，横纹径向和横纹弦向之间的材料性质也不尽相同。