黃祖慰大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽指導(dǎo)講義

1、第三講 基礎(chǔ)知識(shí)講授人：黃祖慰一、制圖工具為了提高設(shè)計(jì)與制作精度，針對(duì)于結(jié)構(gòu)競(jìng)賽的制圖工具要求如下:1、選用自動(dòng)鉛筆，摒棄木質(zhì)鉛筆； 2、選用型號(hào)0.25或者0.38的出墨均勻的水筆或者簽字筆； 3、刻度尺采用標(biāo)準(zhǔn)刻度切刻度清晰的大三角板和米丁字尺，注意刻度面是否筆直； 4、配備鋼尺；5、制圖板質(zhì)量要高，注意其表面是否光平； 6、透明膠，用于固定圖紙與制圖板； 7、建議不用量角器，角度的繪制可以通過(guò)三角函數(shù)法。 二、制圖技巧畫直線：1、必須注意筆畫線條存在一定的寬度； 2、畫線時(shí)必須保證尺子不動(dòng)，握筆的角度保持不變，筆尖往刻度邊傾斜； 3、用刻度尺對(duì)準(zhǔn)已畫直線時(shí)，刻度邊需要緊貼且平行于線條邊；

2、 正確方法：錯(cuò)誤方法：參照點(diǎn)改變，畫出來(lái)直線存在“道岔”，影響設(shè)計(jì)與制作精度。錯(cuò)誤方法：參照點(diǎn)不統(tǒng)一，畫出來(lái)直線存在分差，影響設(shè)計(jì)與制作精度。平行線：此處繪制平行線以繪制中心距為1cm的平行線，要領(lǐng)在于注意線條有粗細(xì)，找到正確的參考點(diǎn)。正確畫法如下：錯(cuò)誤畫法如下：參照點(diǎn)不同意會(huì)導(dǎo)致畫出來(lái)的平行線不平行。錯(cuò)誤畫法如下：沒(méi)有注意到線條存在厚度，導(dǎo)致平行線中心距離不等于1cm畫角度：角度的繪制不提倡用量角器，而是三用三角函數(shù)計(jì)算法，把直角邊長(zhǎng)度計(jì)算出來(lái)，找好參照點(diǎn)，在根據(jù)直角邊長(zhǎng)繪制出相應(yīng)的斜邊。此方法繪制出來(lái)的角度精確。精確制圖的意義：1、精確制圖能夠讓設(shè)計(jì)圖更加準(zhǔn)確，準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)者的思想； 2、

3、精確的制圖能是精確制作的基礎(chǔ)； 結(jié)構(gòu)競(jìng)賽設(shè)計(jì)圖的繪制要比土木工程制圖要精確，因?yàn)樵O(shè)計(jì)圖大多數(shù)都能以1:1的比例畫出，并且作為模板，制造出模型。三、切割切割要點(diǎn)：1、必須注意筆畫線條和刀片存在一定的寬度； 2、用小刀劃紙或者其他材料時(shí)必須保證尺子不動(dòng)，握刀的角度要保持垂直； 3、劃痕必須在線之間，劃完之后材料兩個(gè)邊緣應(yīng)該都還存在線條的一半。 正確切割示意圖：（黃色線為刀劍痕跡）錯(cuò)誤切割示意圖：主要原因是有參照點(diǎn)不同意造成的錯(cuò)誤，極大影響模型的制作精度。四、基本力學(xué)概念與知識(shí)結(jié)構(gòu)競(jìng)賽中必備的力學(xué)知識(shí)如下：拉：軸拉、偏心拉 壓：軸壓、偏心壓、壓桿穩(wěn)定問(wèn)題 截面的幾何特征：靜矩、極慣性矩、慣性矩 彎：

4、彎矩、彎曲正應(yīng)力、剪力 扭轉(zhuǎn)：扭矩、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力 靜定問(wèn)題： 節(jié)點(diǎn)法、截面法 超靜定問(wèn)題：力法、位移法 下面，就開始結(jié)合結(jié)構(gòu)競(jìng)賽的應(yīng)用一一介紹它們的概念：拉壓的概念：1. 構(gòu)件幾何形狀：等直桿2. 受力：與軸線重合的集中力3. 變形：軸線方向伸長(zhǎng)或縮短橫向縮短或伸長(zhǎng)拉(壓)桿的縱向變形 由桿件的拉壓變形特性可知：由于制作材料存在一定的缺陷，當(dāng)采用寬薄的拉條時(shí)，構(gòu)件在受拉時(shí)發(fā)生頸縮，容易在節(jié)點(diǎn)附近產(chǎn)生撕裂，而不是斷面破壞。由此拉條建議使用細(xì)條，不建議采用寬薄條。桿件受壓時(shí)會(huì)有鼓脹的趨勢(shì)，應(yīng)當(dāng)注意其連接與橫向約束的布置。應(yīng)力的概念單位： N/m2，帕（Pa）， 106Pa=1MPa， 109Pa=1

5、GPa， 適用條件： 上述公式對(duì)大多數(shù)橫截面形狀都適用； 但對(duì)于平截面假設(shè)不成立的某些特定截面,上述公式不適用。 實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值計(jì)算表明，在載荷作用區(qū)附近和截面發(fā)生劇烈變化的 區(qū)域，橫截面上的應(yīng)力情況復(fù)雜，上述公式不再正確。 關(guān)系到節(jié)點(diǎn)的處理 計(jì)算桿件受力并且設(shè)計(jì)桿件截面的簡(jiǎn)單例子：例 已知：F =16kN， = 120MPa。試選擇圖示桁架的鋼拉桿DI的直徑d。解：（1）受力分析（2）設(shè)計(jì)截面尺寸更多詳細(xì)解法參照結(jié)構(gòu)力學(xué)中的節(jié)點(diǎn)法和截面法 超靜定為題：靜定結(jié)構(gòu)： 幾何特征：無(wú)多余約束的幾何不變體系。 靜力特征：僅由靜力平衡方程就能求出所有內(nèi)力和反力。 超靜定結(jié)構(gòu)： 幾何特征：有多余約束的幾何

6、不變體系。 靜力特征：僅由靜力平衡方程不能求出所有內(nèi)力和反力。靜力平衡方程的個(gè)數(shù)<未知約束力的個(gè)數(shù) 解超靜定的方法：位移法與立法，具體過(guò)程參考結(jié)構(gòu)力學(xué)課本，在此只做介紹：力法：求多余未知力結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)構(gòu)位移 位移法：先求某些節(jié)點(diǎn)位移結(jié)構(gòu)內(nèi)力 偏心拉壓的概念：在模型設(shè)計(jì)與制造中，往往會(huì)出現(xiàn)一些偏心拉壓的構(gòu)件。特點(diǎn)：1. 偏心拉壓能夠引起桿件彎曲變形； 2. 在偏心方向的截面首先破壞； 在這里應(yīng)當(dāng)注意，在結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)中盡量避免偏心拉壓設(shè)計(jì)，不到萬(wàn)不得已不要使用。 截面幾何特征:靜矩與形心位置 1. 靜矩（或一次矩） (單位： m3 或mm3 。） 2. 形心坐標(biāo)公式 極慣性矩與慣性矩：壓桿穩(wěn)

7、定性的概念：穩(wěn)定：結(jié)構(gòu)中的壓桿保持設(shè)計(jì)常態(tài)。失穩(wěn)：機(jī)構(gòu)中的壓桿未能保持設(shè)計(jì)中的姿態(tài)而提前破壞。理想中心壓桿：1. 直桿（無(wú)初曲率）； 2. 無(wú)殘余應(yīng)力； 3. 壓力無(wú)偏心。細(xì)長(zhǎng)桿件的壓桿失穩(wěn)的現(xiàn)象： 1. 軸向壓力較小時(shí)，桿件能保持穩(wěn)定的直線平衡狀態(tài)；2. 軸向壓力增大到某一特殊值時(shí)，直線不再是桿件唯一的平衡狀態(tài)；臨界力：壓桿失穩(wěn)時(shí)，兩端軸向壓力的特殊值在確定的約束條件下，歐拉臨界力Fcr： （1）僅與材料（E）、長(zhǎng)度(l)和截面尺寸(A)有關(guān)，材料的E越大，截面越粗，桿件月短，臨界力越高； （2）是壓桿的自身的一種力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，反映承載能力的強(qiáng)弱，臨界力Fcr越高，穩(wěn)定性越好，承載能力越高。認(rèn)識(shí)壓桿穩(wěn)定中的線長(zhǎng)度：常見的幾種壓桿截面：注意其不同方向上的慣性矩是不一樣的，可以通過(guò)計(jì)算得出，失穩(wěn)破壞會(huì)發(fā)生在慣性矩較小的方向上。彎曲的概念：幾何特點(diǎn)：等直桿受力特點(diǎn)：桿件受到垂直于桿軸線的外力（橫向力）或外力偶（其矢量垂直于桿軸）作用。變形特點(diǎn)：1、直桿的軸線在變形后變?yōu)榍€；2、任意兩橫截