实木榫接合家具因其精巧的结构,天然的材质和多变的造型,深受广大消费者的青睐。结构设计作为实木家具产品研发中的重要一环,其直接影响家具产品的生产工艺、所用材积和结构安全。现有实木家具结构设计方法主要凭借设计经验并结合实物打样测试,或将实木榫接合节点视为刚性节点,家具结构简化为二维的平面结构后进行力学分析或有限元法分析。本研究以缩短实木榫接合家具结构设计周期、节省材料、降低成本为目的,将榫接合节点视为半刚性节点,对木材及榫接合力学特性进行了系统研究,建立了节点的有限元模型,并对实木榫接合家具进行了结构优化分析,以实现在设计阶段即可对实木家具的结构强度进行预测及优化。主要研究结果如下:1)测量了榉木压缩和拉伸状态下的弹性常数、屈服强度、破坏强度,构建了真实的塑性应力-应变本构关系,进而得到了榉木的弹塑性有限元分析所需参数。建立了榉木压缩和拉伸状态下的有限元模型,并通过试验进行了验证。验证结果如下:在弹塑性阶段,压缩状态下,轴向、径向与弦向的误差分别为13.69%、4.25%和4.81%;拉伸状态下的误差分别为8.25%、4.27%和10.92%。试验与有限元分析结果具有较好的一致性,可用于预测榉木弹塑性阶段的力学行为。2)提出了榫接合节点解剖测量法,自行设计了摩擦系数测量装置,并分别对接触面纹理、面积和压力对榫接合节点摩擦系数的影响进行了研究。以节点摩擦特性为基础,建立了榫接合节点抗拔及抗弯承载能力的有限元模型和力学模型,并通过试验进行了验证。验证结果如下:抗拔承载状态下,榫接合过盈量为0.1和0.2 mm时,试验结果分别为974.02和1609.46 N,有限元模型分析误差分别为7.78%和21.73%,力学模型预测误差分别为28.29%、33.10%;抗弯承载状态下,榫接合过盈量为0、0.1和0.2 mm时,试验结果分别为1138.13,1188.00和1229.07 N,有限元分析误差分别为2.51%、4.09%、4.54%,力学模型的结果预测范围为1011-1348 N。建立的无胶榫接合有限元模型可进行抗拔和抗弯承载能力预测。3)采用榫接合节点解剖测量法对节点胶合特性及其有限元模型进行了研究。通过试验测量得到了节点胶黏剂的分布和胶线厚度,以及节点胶合界面的法向拉伸强度、抗拔和抗弯方向的两个剪切强度。以内聚力模型和最大应力准则为理论,节点的胶合特性为基础,建立了榫接合节点T型构件的抗拔及抗弯有限元模型,并通过试验进行了验证。验证结果如下:榫接合过盈量为0、0.1和0.2 mm时,抗拔试验结果分别为3155.48,4434.30和5133.01N,有限元分析误差分别为2.36%、6.89%、1.56%;抗弯试验结果分别为1268.50,1151.63和1147.13 N,有限元分析误差分别为11.22%、0.46%、1.95%。建立的胶合状态下的榫接合有限元模型可进行抗拔及抗弯承载能力预测。4)以实木榫接合方凳为例,以榫接合节点有限元模型为基础,建立了方凳的整体有限元模型,并通过试验进行了验证。首先,将有限元模型的应力分布趋势与试验测量的应变分布趋势进行了定性对比分析;然后,将有限元分析得到的方凳座面承载能力与试验结果进行了定量对比分析。分析比较结果如下:方凳试验所得应变分布趋势与有限元分析应力分布趋势具有较好的一致性;所有方凳座面承载能力的有限元分析结果与试验结果的误差均在21.4 4%以内。建立的榫接合节点有限元模型可用于实木家具的结构设计。5)以实木榫接合方凳为例,对实木榫接合家具的结构设计优化方法进行了研究。首先,通过有限元分析法和响应曲面分析法对方凳拉档位置进行了优化,得到方凳座面承载能力与两侧拉档位置的优化方程(拟合度为0.88);然后,通过有限元分析法和MATLAB中的非线性优化方法对方凳所用材积进行了优化,优化后方凳用材减少了43.35%。有限元分析法对实木家具的结构及用材减量设计有显著作用。综上所述,提出的榫接合节点解剖测量法可应用于榫接合节点力学特性研究;基于榫接合节点力学特性所建立的节点有限元模型能够对实木家具的结构力学性能进行预测;提出的榫接合结构设计优化方法可有效地对实木家具结构进行优化。本研究结果对缩短家具结构设计周期,节省材料,降低成本有意义。