王東峰

摘 要：隨著家庭內(nèi)健身的流行，許多家用健身器材應運而生。文章針對一種家用健身器材進行了分析，并提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，取得良好改進效果。為該類健身器材的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：家用健身器材；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著社會的不斷發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平不斷提高，對生活質(zhì)量的要求也隨之提升。而健康作為人們一種永恒的追求，是人們生活質(zhì)量指標中重要一項，為了獲得健康的身體，越來越來的人開始重視體育鍛煉[ 1 ]。

由于現(xiàn)代生活的節(jié)奏，和受霧霾頻發(fā)影響，家庭內(nèi)健身成為很多人的首選。家用健身器材市場也因此變得火熱起來，各種形式的家用健身器材遍布各大電商平臺。其中一種名為家用引體向上器，以其使用的便捷性和多用性，成為許多家庭內(nèi)健身者的選擇。下面針對此種家用健身器材進行分析，并對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行了探討。

1 整體結(jié)構(gòu)分析

家用引體向上器的種類多樣，但其基本結(jié)構(gòu)大同小異，大多是將健身器放置于門框上，利用結(jié)構(gòu)和門框及墻面之間產(chǎn)生的作用力工作?，F(xiàn)對主流的幾種結(jié)構(gòu)進行分析簡化后進行建模，如圖1所示，其中上彎管上的1平面至于內(nèi)側(cè)門框上和墻面接觸，曲面2至于門框另一側(cè)和門框接觸，曲面3為施力處。該類健身器多為通過電商平臺銷售，為便于郵寄采分體結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接固結(jié)在一起。出于成本考慮，結(jié)構(gòu)多采用尺寸一致的空心管型材。

2 結(jié)構(gòu)有限元分析

為了充分了解該種健身器材的工作情況，和便于下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化等強度設(shè)計[ 2 ]，對其進行有限元分析。將1平面和2曲面固結(jié)，在3處施加垂直向下的載荷。大多數(shù)引體向上器的最大承載載荷在200KG左右，因此載荷大小設(shè)置為2000N。

經(jīng)有限元分析，最大應變出現(xiàn)在施加載荷的最末端，其大小為5.18mm。整體應力分布如圖2所示。從應力分布上可以看出整體應力分布非常不均勻，應力主要分布在靠近支撐面2的下橫桿處，以及上彎管和下橫管的連接部位。最大應力出現(xiàn)在上彎管和下橫桿的連接部位。通過應力分析可知上彎管和下橫桿采用等尺空心管不符合等強度設(shè)計原則，對充分發(fā)揮材料的性能不利，另外上彎管和下橫桿之間靠螺栓連接兩者之間的接觸面積過小。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上述分析，現(xiàn)對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在靠近2曲面處的兩段直管以及和下橫管連接部位的上彎管采用大截面尺寸。將連接處的上彎管變?yōu)閁形。重新建模后進行有限元分析，改進后的結(jié)構(gòu)在相同載荷下最大應變變?yōu)榱?.19mm，其應力分布如如圖3所示。

最大應力值下降十分明顯。這對充分發(fā)揮材料的性能和進一步的輕量化設(shè)計提供了依據(jù)，并有效的提高了結(jié)構(gòu)的抗偶然過載能力，提高了使用安全系數(shù)。

4 結(jié)論

通過對該種健身器材的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，提出了改進措施，使得該結(jié)構(gòu)在同等載荷下最大應力應變大大降低。此種研究方法為此類家用健身器材的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

參考文獻：

[1] 鄭維維.戶外公共健身器材改進設(shè)計與通用設(shè)計原理運用的思考[D].同濟大學建筑與城市規(guī)劃學院，2008.

[2] 王收軍，毛薛輝.造波機中橫梁結(jié)構(gòu)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2014，（16）：90-92，99.