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1、 木质复合门结构优化仿真分析研究 乔雅煊 李贤军 吕建雄 王海东 郝晓峰*（1.中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004；2.索菲亚家居股份有限公司，广东 广州 510000）我国木质门产业已进入快速发展期，2021 年全国木门行业总产值达到1 603 亿元，同比增长2.1%1。木质门包括实木门、实木复合门和木质复合门3 大类，其中木质复合门是目前市场上所占份额最大的木门种类。这类木门以人造板为原材料，材料来源广、理化性能优良、成本较低，具有隔音、隔热、强度高等特点，因此被广泛用于商业和民用家居领域2。木质复合门由门扇和门框组成，门扇结构主要由骨架、填充料、表板三层结构复合
2、而成。其中，门扇骨架材料常使用单板层积材（LVL），表板为中密度纤维板（MDF），填充料为空心刨花板或蜂窝纸。这些木质材料会从使用环境中吸收或解吸水分而发生干缩湿胀，进而使木质复合门产生变形3-4。干缩湿胀是木质材料固有属性，通常可用干缩湿膨胀系数对其定量表征5-7。在使用过程中，由于组成木质复合门三层复合结构的木质材料干缩湿膨胀系数不同，因此导致木质复合门门扇翘曲、开裂或局部变形等问题。其中，门扇中的边梃、中档处常发生弯曲或反翘，致使门扇立面不在同一平面内，造成门扇开关不灵活8-11。选择合适的结构并对生产工艺流程进行控制，可最大程度消除因木质材料自身属性和外在环境带来的影响12-14。有研
3、究表明，通过在边梃上开设应力释放槽、增加中横框数量和改善门扇饰面材料等方法优化门扇结构，可以减小门扇变形15-17。也有研究通过对门扇骨架结构进行优化以提升稳定性。李萍18提出使用交错复合实木板压制而成的家具面板，在保证产品外观属性的前提下，使其稳定性显著提升。王世松19设计一种抗变形门扇骨架，左右对称两个门挺分别与上下对称的两个门帽相互榫卯连接成型，并在门骨架内侧的四个顶角处均设有加强块，加强了门扇的防变形能力。卢达权20采取在门板凹槽内固定不易变形的金属型材，保证了门板不会在潮湿环境下拱起变形。此外，调整门铰链数量和安装位置也能提高门扇的尺寸稳定性21-22。以上方法在一定程度上解决了木质
4、复合门变形问题，为了精准量化分析门框架、填充料及表面板对木质复合门变形的影响规律，本研究基于有限元模型，在湿度变化条件下，定量表征木质复合门门扇框架不同组坯方案的吸湿变形情况，优化影响门扇变形的设计变量，以获得最佳的木质复合门组坯结构。1 材料与方法1.1 试验材料试验用材：门扇骨架材料为单板层积材（LVL），门扇表板材料为中密度纤维板（MDF），取自索菲亚华鹤门业有限公司。LVL厚度分别为25 mm和40 mm；MDF厚度分别为5.7 mm和22 mm。1.2 试验设备电子天平，TE214S /210 g(0.1 mg)，梅特勒托利多上海有限公司；电热鼓风干燥箱，101-3AB，天津市泰斯特
5、仪器有限公司；电子数显游标卡尺，MNT-150T，桂林广陆数字测控有限公司。1.3 湿膨胀系数测定不同原材料供应商检测3个批次，在同一批次同一板材9个区域内各采样30个，厚度为板材厚度，每种规格15个样品。按照GB/T 1927.82021无疵小试样木材物理力学性质试验方法 第8部分：湿胀性测定规定测定木材湿膨胀系数，木材含水率按照GB/T 176572013人造板及饰面人造板理化性能试验方法进行测定。1.4 有限元模型建立1.4.1 湿应力基本方程在吸湿情况下，弹性体的应变分量由以下两部分叠加而成：1）自由膨胀引起的应变分量，该分量服从湿膨胀规律：2）在湿膨胀时因弹性体内各部分之间相互约束引
6、起的应变分量，这些应变分量和湿应力之间服从Hooke定律。因此，吸湿情况下的物理方程为：式中：x，y，z分别为x，y，z方向上的线应变，Pa；x，y，z分别为x，y，z方向上的正应力，Pa；E为材料弹性模量，Pa；为泊松比；xy，xz，yz为xy，xz，yz方向上的剪切应变，Pa；xy，xz，yz为xy，xz，yz方向上的剪应力，Pa；为湿膨胀系数；C为湿度，C为湿度变化量，%RH。为获得在试验湿度变化过程中不便直接测量的门扇框架结构变形情况，现使用有限元分析软件ABAQUS进行分析。上述方程结果与热应力场中的数学模型基本相同，因此湿应力有限元分析可借鉴热应力场模型23。1.4.2 材料属性设
7、定为保证模型模拟木材的各向异性，需要9 个弹性常数，即径向、弦向、轴向三个方向上的弹性模量、泊松比和剪切弹性模量。模型材料的弹性常数如表1 所示。本研究中木质门门扇结构整体几何模型的尺寸为2 000 mm 850 mm。表1 基材的弹性常数Tab.1 Elastic constants of basic materials1.4.3 初始条件和边界条件门扇结构在开始吸湿变形时含水率为10%。吸湿分析时，对门扇结构施加相对湿度载荷17%，在门扇结构边界施加约束，进行铰链固定。本研究根据现有门扇结构，拟定7 种组坯方案，如图1 所示。对7 种方案进行模拟分析，选取最优方案后，以表板厚度、骨架厚度和
8、单边宽度为设计变量，对方案进行尺寸优化。图1 7 种框架结构方案Fig.1 Seven frame structures2 结果与分析2.1 湿膨胀系数分析2.1.1 MDF湿膨胀系数分析由图2 可知，不同厚度MDF 3 个方向（长度、宽度及厚度）的湿膨胀系数存在显著性差异，其中5.7 mm MDF厚度方向平均湿膨胀系数分别为长度和宽度方向的26.0 倍和19.5 倍，中心处厚度湿膨胀系数较边缘处低。这可能是MDF热压过程中边部密度略低于心部，边缘孔隙略大，其吸湿位点更多所致。22 mm MDF厚度方向平均湿膨胀系数是长度和宽度方向的23.7倍和24.5 倍。22 mm MDF厚度方向平均湿膨
9、胀系数是5.7 mm MDF的1.1 倍，厚度越大湿膨胀系数越大，其原因可能是由于MDF的尺寸稳定性随密度增加而下降，密度越大，由内应力释放产生的回弹力越大，而这种回弹力为不可逆26-27。图2 不同厚度MDF的湿膨胀系数Fig.2 Hygroscopic expansion coefficient of MDF with different thickness2.1.2 LVL湿膨胀系数由图3 可知，厚度为25、40 mm的 LVL顺纹、横纹及厚度方向的湿膨胀系数差异性均不显著（P=0.59，P=0.39，P=0.36），说明两者间同方向的湿膨胀系数差别不大。但同一厚度LVL横纹与厚度方向差
10、异性较大（P=0.000 04，P=0.000 3），其中25 mm LVL横纹方向平均湿膨胀系数比厚度方向高35.6%，40 mm横纹方向平均湿膨胀系数比厚度方向高24.4%。顺纹方向湿膨胀系数最小，这主要是因为LVL顺纹为木材纵向，木材纵向湿胀系数较小；而LVL厚度与横纹方向自由湿胀差异较大，这主要是因为横纹为木材弦向，厚度方向为木材径向，木材径向湿胀系数较弦向小所致28-35。图3 不同厚度LVL的湿膨胀系数Fig.3 Hygroscopic expansion coefficient of LVL with different thickness由上述分析可知，MDF厚度方向湿膨胀系数
11、远远大于其长度和宽度方向，且厚度越大湿膨胀系数越大。不同厚度LVL湿膨胀系数差别不大，但同一厚度LVL顺纹、横纹与厚度方向差异性较大。数据对比表明，MDF厚度方向湿膨胀系数最大，LVL顺纹方向湿膨胀系数最小。本研究选用LVL作为框架材料，MDF为表板材料。根据湿膨胀系数分析，LVL单元条的组坯方向如图4所示。图4 单元条组坯方向Fig.4 The orientation of the unit2.2 木质复合门结构优化分析2.2.1 框架结构对门扇变形的影响运用ABAQUS对7种框架组坯结构进行变形模拟。根据工厂门扇现有尺寸，框架厚度固定为28 mm，单元条宽度固定为40 mm，门扇含水率模拟
12、由10%升至17%。如图5所示，7种组坯结构综合变形量（U）的变形范围为2.7323.201 mm，宽度方向变形量（U1）变形范围为2.7183.201 mm，厚度方向变形量（U2）变形范围为0.2410.248 mm，长度方向变形量（U3）变形范围为1.9272.383 mm。图5 7 种框架结构变形量Fig.5 Deformation of seven frame structures以门扇框架结构-1为基础，分别分析其余6种方案。结构-2在结构-1的基础上增加了中横梃，结构-1的U为2.957 mm，结构-2的U为2.732 mm，变形量相比结构-1减小了7.6%。根据图6的7种方案变形
13、云图可知，结构-2右边梃受中梃限制，中间部位变形明显减小，造成这种现象的原因是中梃长度方向为LVL纵向，变形较小，其限制了右边梃宽度方向变形。结构-2与结构-3框架组坯方式大致相同，区别在于结构-2采用完整中横梃和2个分开的中竖梃形式，结构-3采用完整中竖梃和2个分开的中横梃形式。结构-2的U1为2.718 mm，结构-3的U1为3.084 mm，比结构-2高出13.5%，可以看出带有完整中横梃的组坯结构能更好地抑制门扇宽度方向的变形。图6 7 种框架结构变形云图Fig.6 Deformation cloud diagram of seven frame structure结构-3和结构-4与
14、结构-1相比，增加了2个中横梃，并且分布于中竖梃两侧，结构-3的U为3.091 mm，变形量相比结构-1增加了4.5%，其原因是中竖梃的横向变形较大，增加的左右对称中横梃无法起到制约效果。结构-4与结构-3的不同之处是将分开的2个中横梃错开组坯，结构-4的U为2.734 mm，相比结构-1变形量减小了7.5%，可能是错开的组坯形式将变形分散，使得这种结构可有效抑制变形。结构-5与结构-1相比，去掉了中竖梃，采用中横梃形式，U下降了6.4%，变形减小的原因与结构-2相同。结构-6与结构-7框架组坯方式大致相同，区别在于结构-6的左右边梃与上下边梃为交叉组合形式（如图7c），结构-7为边梃包上下边
15、梃组合形式（图7b）。与结构-1相比，结构-6变形量增加了8.4%，而结构-7下降了4.4%。根据模拟结果可知，结构-6的U1为3.201 mm，U3为2.076 mm，结构-7的U1为2.819 mm，比结构-6降低11.93%，U3为2.111 mm，比结构-6增加1.98%。整体来看，边梃包上下边梃组合形式优于左右边梃与上下边梃交叉组合形式，其原因是边梃包上下边梃连接处接触面较大，更能起到牵制作用。图7 不同连接方式Fig.7 Different connection modes综合7种结构方案可知，门扇的变形主要取决于连接方式和组坯方式。结构15门变形主要发生在未固定边梃中部及上下边梃
16、交汇角隅处，结构67门变形主要集中在未固定边梃的中间位置，结构-2的变形最小，结构-6的变形最大。根据图6和图7可以看出，中横梃可以抑制未固定侧边梃的变形，带有中横梃的组坯结构框架整体变形量会比不带中横梃的结构框架整体变形量小。2.2.2 门扇框架与表板交互作用分析根据2.1中对MDF 3个方向湿膨胀系数的分析，MDF厚度方向的湿膨胀系数远大于其长度和宽度方向湿膨胀系数。加入表板后，7种方案的U1和U3均变小，U2均增大，加入表板会加剧整体结构厚度方向的变形，但如图8所示，7种框架整体变形均减小，说明表板对框架结构的变形抑制效果显著。根据7种结构的变形云图（图9），带有中横梃的框架，如结构-2和结构-5可显著抑制
