板式家具是指以各种人造板(如细木工板、中密度纤维板、刨花板等)为基材制成板件后采用各种连接件接合的家具。板式家具具有结构简单，零部件标准化、专业化，易拆装、易运输，生产方式便于机械化、自动化、协作化等优点，能够大幅度降低成本，能够有效地减少木材消耗，有利于保护森林资源，因此板式家具逐渐成为家具市场上的主流产品。板式家具的兴起，给家具行业带来了一场巨大的变革，从根本上改变了家具制造业的设计和生产模式，给家具设计师提供了更广阔的创造空间，同时也促进了家具的标准化、工业化，不断满足现代感、多样化和个性化的需求(王逢瑚，1994；江兴龙等，2003；刘文斌等，2005)。

1 结构强度设计研究与发展概况 1.1 国外研究与发展概况

关于家具结构强度的研究国外进行得较早。20世纪50年代后期，Kotas(1958)对五面箱体的结合强度进行了研究，后来他根据自己的研究成果撰写了一本家具手册。随后美国普渡大学的Eckelman(1970)对板式部件的结合强度及家具的整体结构做了许多研究，提出了板件的刚度与各种形式角结合变形的关系。Ganowicz和Rogozinski把这种内部作用关系应用到柜类制品分析上，研究柜体角接合对柜体刚度的影响，他们发现，用特种铰链把旁板和顶板、底板连接起来，并和背板用螺栓连接，这种柜体结构，刚度比计算的理论值大5%，圆榫角接合柜体刚度比理论值大10%(Rudolph，1970)。接着Hata分析了背板和柜体深度对整体刚度的影响(Eckelman，1978)，Eckelman(1970)对柜体刚度进行了计算，并提出柜体中各块板件每个角部作用力的计算公式，所有这些有关柜体变形的研究都没涉及到带搁板和中隔板柜体的论述，直到Eckelman等(1985)对带有横搁板和中隔板的柜体做了综合分析，计算搁板和中隔板对柜体刚度的影响，得出可用三角固定一角条件计算柜体受力变形的方法，并通过大量试验，修正得出了描述柜类家具加载及变形的经验公式。

Albin(1989)又针对不同的角结合形式和载荷形式预测了家具横向承载部件的变形；Smardzewski(1993)研究了背板对柜体家具稳定性的影响；美国学者Nurgul(2006)对不同连接件连接的可拆装式柜类结构的角部接合强度也进行试验发现：刨花板和中密度纤维板两者的连接强度有很大差别，在拉伸和压缩试验中，中密度纤维板的角接合连接强度比刨花板平均高出22%，这与美国学者Ali等(2005)的研究结果是一致的。

连接件对板式家具强度有直接影响，国外有很多学者对家具结合性能方面也开展了深入研究。Bachmann和Hassler(1978)通过试验得出：刨花板密度对金属预埋件抗拔力有重要影响; 直径对预埋件的抗拔力影响不大；预埋件埋入深度对抗拔力的影响大于直径对抗拔力的影响。涂胶后压入的塑料预埋件具有较高的抗拔力。

美国密西西比州立大学的Zhang等(2005)对榫接合结构的胶合板和定向刨花板的侧向握钉强度做了许多研究，指出：在定向刨花板和南部杉木胶合板中榫接合的侧向剪切强度在250~350磅/榫之间变化，阔叶树材胶合板的强度略高于针叶树材胶合板的强度；定向刨花板和南部杉木胶合板中榫接合的侧向边缘握钉强度在300~500磅/榫之间变化；而道格拉斯冷杉胶合板和阔叶树材胶合板的侧向边缘握钉强度在500~700磅/榫之间变化。

美国学者Ali(2005)做了榫间距对角部接合连接强度的影响研究，对刨花板和中密度纤维板角部连接在压缩载荷和拉伸载荷作用下进行了试验，指出：榫的弯曲承载能力随材质类型、载荷类型、榫的数量以及榫的间距不同有很大差别; 拉伸载荷和压缩载荷对榫的作用影响相差很大；中密度纤维板的角部连接强度要高于刨花板的角部连接强度。

Tsair-Bor(2006)通过对用单一木片连接的刨花板基体和松木板基体的抗弯力矩进行研究，得出：在2种连接基体中试件抵抗弯曲力矩的能力与连接木片的面积成正比；松木板中木片连接抗压缩应力的能力比抗拉伸应力高出21%，而在刨花板中二者没有明显差别；松木板基体连接组在抵抗弯曲应力方面较刨花板基体连接组相差较大；在所有的试验中基体都是连接中最弱的部分，破坏都发生在基体上。

1.2 国内研究与发展概况

我国是从20世纪70年代末期开始对板式家具及其连接进行研究的。北京木材工业研究所先后于1979年和1982年对涨开式、倒刺式、偏心式、圆柱螺母等8种连接件的结合性能通过4项衡量五金件的力学性能指标(连接件的拔出比重、拔出比阻、破坏弯矩和连接件刚性效率)研究后指出：圆柱螺母、塞孔螺母最好；偏心式、直角式居其次；其余各种较差，而且垂直板面的握钉力比板边高一倍左右，同时在导孔内施胶比无胶时的抗拔力也要高出一倍以上，金属材料制成的连接件的力学性能优于尼龙等高分子材料制成的连接件(马耀驭等，1997)。

东北林业大学通过对板式家具熔化喷射式角结合强度的研究表明：熔化喷射斜接的强度和刚度比熔化喷射端接高出许多，而熔化喷射式角结合的强度比常规的圆榫角部结合高的更多，用熔化喷射斜接的柜体在载荷作用下的位移比常规的圆榫接合的柜体减少15%~40%，柜体横向部件的挠度能减少30%~40%(Cai et al., 1993；王逢瑚等，1996)。

东北林业大学和吉林省露水河林业局通过对板式家具结构强度研究后指出：辅以施胶时，偏心连接件的角部结合强度大于圆榫的角部结合强度(蔡力平等，1991)。

东北林业大学的王逢瑚等(1994)在板式家具熔化喷射式角部结合强度的研究的基础上，预测了柜体家具加载时的变形情况。

2 存在的问题与展望

尽管国内外很多学者对板式家具结构强度做了很多研究，但大都局限于试验测算，设计手段较为落后，在设计中还缺少深入分析和精确计算的概念。结果往往造成2方面的失误：一方面家具设计过程中的安全性即家具制品的强度和刚度满足不了设计要求，导致变形，甚至破坏，达不到设计年限，缩短了其使用寿命；另一方面安全系数过大，没有最大限度的节省原料，造成资源浪费，制品粗大笨重，反过来又降低了其艺术魅力(柳万千，1994；司传领，2002)。

电子计算机的出现和广泛应用使家具结构强度设计发生了巨大的变化。到现在为止，世界上一些发达国家都已制定了家具力学性能标准，而且还相应地建立了一整套测试规范。有些国家家具设计者和家具生产厂家与计算机中心直接联机，新设计的家具在投入生产之前，该家具的强度分析立刻可以计算出来；还开发了家具设计、强度分析和生产制造的集成计算机系统(吴智慧，1998)。

目前，国内对于常用计算机平面制图软件如何寻找联机接口，进行柜体(立体)重要结合部位、接合方法有限元计算，柜体应力即时分析，从而进行家具设计和强度分析的研究尚未开展。随着各种有限元分析软件的出现和其功能的不断完善，将有限元理论应用到板式家具的结构设计中是十分重要、具有实际意义的工作。

实际上，不同人造板材料、不同连接方式之间强度有很大的差异。不仅如此，即使同一种人造板材料，不同的连接方式、不同的连接位置，对强度也有很大的影响。传统的家具设计方法只是被动地分析产品的性能，而不是主动设计产品的参数，在这个意义上讲没有真正体现“设计"的含义。利用优化设计技术，借助电子计算机，应用精确度较高的力学分析的数值分析方法进行分析计算，可以从众多可行的设计方案中寻找出最佳设计方案。因此有必要将优化设计技术应用到板式家具的结构设计中。

3 结语

将有限元理论和优化设计技术应用到板式家具的结构设计中，通过精确计算和优化设计，能够改善板式家具的设计手段，克服以往靠经验和模仿的设计状态；能够选出更实用、更经济的材料，合理减少材料消耗，为板式家具的设计选材提供理论依据；能够充分发挥材料性能，提高家具强度，保证家具质量，降低成本，提高经济效益；能够提高板式家具结构设计的合理性和科学性，打破传统的设计生产模式，有利于家具集成制造系统的开发使用。

因此，研究板式家具的结构强度设计，在设计中引入有限元理论和优化设计技术，开发CAD/CAM/CAE集成系统是当前版式家具业发展的当务之急，也是将来的发展趋势，当前开展这一研究具有重要的意义。