湖南省第二屆大學生結構模型大賽計算書

1、 目 錄第一部分 設計說明書 117第二部分 整體布置圖 1823第三部分 計算書 2430第一部分 設計說明書一、競賽題目單跨空間木質結構模型設計二、競賽內容設計承受豎向偏心靜荷載的對稱木質結構模型，結構類型不限。1、模型設計：模型設計（含方案、說明書、計算書）。2、模型制作：在48 小時內完成結構模型現(xiàn)場制作。3、模型測試：模型尺寸與模型質量測量，模型力學性能測試。三、競賽要求1、參賽對象湖南省全日制在校土木類專業(yè)本、?？粕?。2、參賽要求（1）以學校為單位組織參賽隊，各單位參賽隊總數(shù)不超過3支（不含獨立學院參賽隊），獨立學院限支參賽隊。（2）每個參賽隊由1 至3 名在校全日制學生（年級和土

2、木類專業(yè)方向不限）和1 名指導教師組成，每位參賽學生只允許加入一個參賽隊。每個參賽隊提交一份作品，并給作品命名。（3）各參賽隊必須在規(guī)定時間和地點參加競賽活動，競賽期間不得換人，若有參賽隊員退出，則缺人競賽。遲到者（參賽隊或參賽者）作為自動棄權處理。3、參賽時間報名時間：所有參賽隊必須在2013年11月1日至11月20日期間內，以學校為單位，按要求填寫競賽報名表（見附件），并將報名表發(fā)送到jiegoumoxing。競賽時間：2013年12月6日至2013年12月9日，具體安排另行通知。4、模型設計基本要求（1） 模型尺寸要求：結構模型按照空間直角坐標投影限制（上下偏差限為2.0mm），具體要求

3、如下：模型寬度限制為b = (300 400)mm，模型最大高度限制為100mm max h = ，模型最小長度限制1200mm min l = (注：加載跨度l=1200mm)；（2）模型對稱性要求：橫截面具有豎向對稱軸，模型具有縱向對稱面；2（3）模型重量要求：模型總質量不得超過2000g（上偏差限2g)。（4）模型設計文件要求 設計文件內容：設計文件包括設計說明書、方案圖和計算書。設計說明書應包括對方案的構思、造型和結構體系及其他有特色方面的說明；方案圖應包括結構整體布置圖和主要構件詳圖；計算書應包括結構選型、計算簡圖、荷載分析、內力分析、承載能力估算等。 設計文件裝訂：文件用A4 紙打

4、印，按目錄、設計說明書、方案圖和計算書的順序編排裝訂；封面必須注明作品名稱、參賽學校、參賽隊員姓名和指導老師，并加蓋參賽學校教務處公章。為便于評審，封面采用活頁（可用少量雙面膠與正文粘貼）； 設計文件一式五份，于現(xiàn)場報到時交到競賽組委會，否則作自動棄權處理。四、模型制作基本要求1、模型制作材料由競賽籌備工作組現(xiàn)場統(tǒng)一提供相同規(guī)格的競賽模型制作材料，規(guī)格如下表所示：表1. 模型材料材料名稱幾何尺寸（mm）紅梨15 封邊木線條2200×12×4說明：幾何尺寸指長×寬×厚。2、模型制作工具由競賽籌備工作組為每支參賽隊現(xiàn)場統(tǒng)一提供相同規(guī)格型號的模型制作工具，工具

5、包括：（1）美工刀，鋼鋸，鋸條；（2）3m 鋼卷尺、60cm 直尺、三角板；（3）鉛筆，白紙，砂紙；（4）正規(guī)生產廠家生產的502 膠，聚乙烯薄膜（防止粘手用）；3、模型制作要求（1）模型現(xiàn)場制作時間不得超過48 小時，具體安排另行通知；（2）必須且只能使用競賽籌備工作組現(xiàn)場統(tǒng)一提供的制作材料和工具制作模型；（3）現(xiàn)場制作的結構模型必須與提交的設計文件一致；（4）在模型上表面標示模型的跨中截面和縱對稱面位置，以便加載。3五、加載裝置與加載要求1、模型加載裝置加載效果圖如圖1，模型加載為簡支加載方式，支座為兩根外徑為10mm 的鋼管，一根固定，一根可滾動，支座跨度1200mm，加載位置為模型跨中

6、截面。圖1 加載效果圖模型加載平面如圖2(a)所示，模型加載立面如圖2(b)所示，模型加載剖面如圖2(c)所示。上、下加載梁平面圖分別如圖2(d)、圖2(e)所示，上下梁之間采用鋼絞線連接，下加載梁通過鋼絞線經變換方向后與加載吊籃連接，如圖1 所示。在上梁上設置有2 個加載點（加載點設計為直徑10mm 的金屬短圓柱體，間距150mm），一個點作用于模型跨中截面對稱軸上，另一個點作用于模型跨中截面離對稱軸150mm 處，加載合力偏心約75mm。2 個位移測點布置在相應加載點位置的上梁上表面。2、模型加載方式加載總重量為吊籃重量（約10kg）和150kg 的砝碼，其中加載裝置自重作為預加載，不計入

7、加載重量，加載裝置安裝后位移計清零。模型跨中布置3 個加載點，如圖2(a)所示，由各校選派的學生監(jiān)督代表指定其中的兩個加載點位置加載，可以指定最弱點加載，參賽隊不得有異議，監(jiān)督代表與參賽模型為同一學校的采用回避制（目的是確定模型否縱向對稱）。每件參賽模型分二級加載（加載只能單調增加荷載，不允許先卸載后加載），第一級加載100kg，第二級加載50kg。每級加載后，必須保持持20 秒以上（不含20 秒），結構穩(wěn)定后方能繼續(xù)下一級加載。此外，在同一級荷載加載過程中，每次加載砝碼的間隔必須小于30 秒。3、加載及測試步驟圖2 加載示意圖5（1）將結構固定在加載臺上，穩(wěn)定后進行砝碼加載；（2）加載成功后

8、測撓度；（3）保留荷載，進行下一級的加載；（4）加載結束。4、關于加載的注意事項（1）加載過程由參賽隊伍自己完成；（2）加載梁只允許加載圓柱底面接觸模型；（3）加載不可以撤銷，一旦砝碼完全接觸到加載吊籃，就必須加載下去，不可返回操作，由工作人員監(jiān)督。六、模型合格性與雷同性評審1、加載前由競賽評比委員會對模型進行合格性評審。使用了比賽規(guī)定以外的材料、超出模型限制尺度、以及其他不適應賽事主辦方提供的檢測裝置的模型視作不合格模型，不合格模型不予加載機會。2、同一參賽學校模型的雷同性評判由競賽評比委員會投票表決，在加載前對同一個參賽學校的模型進行雷同性審查。同一學校的模型雷同性定義為主要的結構體系相同

9、，同一參賽學校結構模型形式被競賽評比委員投票表決，超過50%的專家投票認為雷同的則認定雷同，認為雷同的模型允許全部加載，但只取其中成績最好的模型，其他雷同的模型取消成績。七、模型測試項目1、模型質量由電子天平稱量，模型的質量精確到2g；質量超過(2000+2)g的模型不能參與加載。2、變形測量：在跨中截面設置兩個豎向位移測量點，測試設備為電子位移計及相關采集儀，位移精確到0.01mm；當測點豎向位移超過位移計量程（量程為50.00mm）時，視為模型加載失敗。如果是第一級荷載下位移超過量程，則該模型無位移成績。如果是在第二級加載下超過位移量程，則第一級為有效加載，第一級荷載位移成績作為評獎候補。

10、八結構構思及選型分析 本賽題選用紅梨木線條和502膠水作為材料，紅梨木線條的規(guī)格為2200*12*4。要求在跨度為1200mm，寬為300mm400mm，高為100mm的空間內設計一結構，在跨中位置施加一對偏心集中力，偏心距為75mm，結構為簡支梁約束。 在Abquse里面通過一塊實心的矩形板進行仿真計算發(fā)現(xiàn)，在縱對稱面板件發(fā)生彎曲，變形情況和簡支梁類似，在橫斷面發(fā)現(xiàn)板件發(fā)生斜向變形，并且整個矩形的橫斷面變成了平行四邊形，很不穩(wěn)定。未加載的一側變形很小，縱斷面變形居中，加載一側變形最大。整體上，板件呈現(xiàn)彎扭組合變形。針對這種現(xiàn)象我們要從抗彎抗扭兩個方面綜合考慮結構，抗彎方面就得增加桿件的剛度，

11、同時還要增強結構的抗扭剛度。再加上題目對模型的重量權重比較大，因此還要考慮結構的重量。綜合起來就是我們要設計制作出一個抗彎抗扭能力強，并且重量較輕的模型出來.要想設計出合理的桿件，首先得進行材料力學實驗，得出材料的力學性能，如彈性模量等。接著才能進行構件的截面設計，從而確定結構體系。一開始我們設計了一個空間桁架結構（圖3），通過計算機模擬仿真計算發(fā)現(xiàn)整個結構體系受力非常均勻合理，沒有出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，也沒有出現(xiàn)局部桿件受力特別大。我們通過分析構件受力及變形情況進行了較為合理的設計，在上層桿件采用了由五片木線條粘接的工字型桿，下層桿件采用腹板為兩層粘接，翼板由一片木線條的T型桿件，中間的斜桿全部

12、采用單片的桿件。將所有的桿件做好組裝成型后，進行了一次預壓，最后進行試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，在一級荷載的范圍以內，桿件沒有出現(xiàn)明顯的變形，位移計的示數(shù)比較小在5,6mm左右。但是當荷載到了140Kg左右，結構中間的腹桿明顯張的很緊，受壓部位的桿件出現(xiàn)了彎曲曲屈，位移計讀數(shù)不穩(wěn)定，從而位移繼續(xù)增大導致結構破壞。經過稱重發(fā)現(xiàn)模型已達到1280g，假如我們將中間的單層腹桿改成雙片粘接，模型結構肯定可以承載到二級荷載并且不會發(fā)生破壞。但是模型的質量肯定會直線上升，因此為了保證輕質量的結構，我們選擇了放棄空間桁架結構體系。圖3 空間桁架接著我們采用了平面桁架，通過少量的橫向聯(lián)系桿把桁架聯(lián)系起來。采用單片平面桁架

13、承擔點荷載，消弱整體結構的橫向聯(lián)系，并且降低加載重心，設計出了三片桁架的組合結構（圖4）。經過稱重發(fā)現(xiàn)重量減到了980g，加載到二級荷載平均位移達到7.98mm。結構整體往下移動，并沒有出現(xiàn)較大的扭曲現(xiàn)象。證明了降低加載重心是減輕扭曲的有效措施，并且通過最底下的加載構件可以把力分擔給三個平面桁架，更加減小了擾度。因此決定采用此結構。 圖4 最終決定采用的三片桁架結構九材料的力學性能實驗 我們采用伺服液壓萬能拉伸試驗機進行材料拉伸實驗，實驗器材如下所示測材料的彈性模量。由于單片材料在家具上極其容易被壓壞，我們將4片木線條粘接在一起進行試驗，得到如下試件的破壞圖樣。 圖5 微機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 圖6

14、加載砝碼 圖7 試件D-6 破壞圖樣圖8 試件D5 的 破壞圖樣圖9 試件D3的破壞圖樣圖10 試件D2的破壞圖樣圖11 試件D-2的破壞圖樣圖12 試件D-1的破壞圖樣圖13 所有試件的破壞情況十、數(shù)據(jù)分析圖14 D4-3 應力應變曲線圖圖15 D4-6應力應變曲線圖圖16 D6-5應力應變曲線圖圖17 D6-6應力應變曲線圖圖18 D4-7應力應變曲線圖圖19 D6-4應力應變曲線圖圖20 D6-5應力應變曲線圖圖21 D6-6應力應變曲線圖由以上六個應力應變曲線圖，可知木材的彈性模量E=2GPa。 十一、加載實驗 圖22 加載過程圖23 靠近鉸接點支座的上部桿件發(fā)生失穩(wěn)破壞 一 圖24

15、靠近鉸接點支座的上部桿件發(fā)生失穩(wěn)破壞 二根據(jù)實際加載實驗得到的荷載位移關系圖表如下： 荷載位移關系圖25 荷載位移關系圖第二部分 結構方案圖2.1 結構布置圖圖26 整體正視圖圖27 整體俯視圖圖28 整體布置效果圖2.2桿件的制作作為結構的骨架，桿件的重要性不言而喻，做出一根合格的桿件需要細心。對于一些重要的桿件應盡早的排除已變彎、變扭的桿件。已變彎、變扭可留做作帖片。由于鋸子很難切出理想的角度，所以對于要切出一定角度的桿件應該采取先鋸后用砂紙磨平的方式來是角度達到我們的要求值。還要注意美工刀和鋸子的安全使用，注意避免502膠粘到手。2.2.1節(jié)點詳圖圖29 結構端部的交叉連結圖30 橫斷面

16、的節(jié)點詳圖2.2.2組裝過程圖31 單片桁架組裝圖32 粘接最底下層桿件過程圖33 粘接腹桿的過程 圖34 底下桿件的節(jié)點拼接圖35 拼接到一半時候的效果圖第三部分 結構計算書 根據(jù)對結構的需要，在進行結構加強的過程中我們不得不對結構進行內力分析，而內力分析時按空間桁架結構進行計算。由于空間桁架結構材質為竹材，節(jié)點處連接主要靠膠水進行粘連，連接牢固，按照剛接計算較為合理。所以空間桁架結構在進行內力分析時，主結構設為梁單元計算。且本結構為空間結構，涉及桿件較多，具有多次超靜定的特性，通過手工計算難以獲得其準確的計算結果。為此，我們根據(jù)確定的結構形式、桿件截面以及材料屬性等設計參數(shù)，在大型通用有限元分析程序ANSYS中建立結構的分析模型。分析時，主結構構件均采用beam188梁單元，結構的三維有限元模型如圖50-67所示從分析結果可知，中間橫梁的強度以及其上的結點需要進行加強。 31結構的對比仿真3.1.1空間桁架數(shù)值仿真圖36 結構應力云圖圖37 結構整體位移云圖圖38 結構節(jié)點詳圖圖39 結構整體變形圖3.1.2組合桁架結構數(shù)值仿真 圖40 結構整體所受的應力云圖 圖41 桿件水平側移變形圖圖42 邊跨端部變形圖 圖43 桿件變形圖圖44 豎向位移正視圖 圖45 結構變形俯視圖圖46