桁架模型方案

1、1、 設(shè)計(jì)說(shuō)明 根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則要求，我們從模型制作的材料抗壓特性，荷載形式,結(jié)構(gòu)尺寸等要求出發(fā)，結(jié)合節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)美觀，承載力強(qiáng)等特點(diǎn)，采用比賽提供的小木條、白乳膠精心設(shè)計(jì)制作了“步步為贏”兩榀靜力桁架結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)求解器計(jì)算，內(nèi)力和穩(wěn)定性分析，比較和優(yōu)化多種方案等，最終確定最優(yōu)方案。 1、方案構(gòu)思桁架是平面結(jié)構(gòu)中受力最合理的形式之一。理想桁架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：（1）所有點(diǎn)都為鉸結(jié)點(diǎn)（2）所有的外力在結(jié)點(diǎn)上（3）各桿都是直且通過(guò)鉸點(diǎn)假定設(shè)計(jì)荷載為F。根據(jù)內(nèi)力情況結(jié)論：三角形桁架：內(nèi)力分布不均勻，弦桿的軸力由兩端向中間遞減，腹桿軸力則由兩端向中間遞增，其兩端節(jié)點(diǎn)處弦桿的軸力最大，而夾角又很小，制作困難。

2、平行弦桁架：內(nèi)力分布不均勻，弦桿的軸力由兩端向中間遞增，腹桿軸力則由兩端向中間遞減，因此為節(jié)省材料，各節(jié)點(diǎn)間的桿件應(yīng)采用與其軸力相應(yīng)的不同截面，但這樣會(huì)增加各節(jié)點(diǎn)拼接困難。拋物線型桁架：內(nèi)力分布比較均勻，上下弦桿的軸力幾乎相等，腹桿軸力為零，受力性能好，但節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，制作復(fù)雜。梯形桁架：內(nèi)力介于三角形桁架和平行弦桁架之間，弦桿的軸力變化不大，腹桿軸力由兩端向中間遞減，而且構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作方便。綜合考慮，我組選擇梯形桁架結(jié)構(gòu)。2、力學(xué)及材料性能分析構(gòu)件力學(xué)性能分析： 木條作為模型材料，其力學(xué)性能特點(diǎn)是順紋抗壓性能良好，抗拉裂能力較差，抗剪能力差，抗彎一般。將木條成層粘貼可提高其抗拉壓性能。但受長(zhǎng)

3、細(xì)比的限制，多為壓桿失穩(wěn)狀態(tài)的受力破壞，或?yàn)楣?jié)點(diǎn)局部破壞。此次比賽選用材料為紅樟松，其力學(xué)性質(zhì)為：抗彎強(qiáng)度：fm=13N/mm2順紋抗壓強(qiáng)度：fc=10N/mm2順紋抗拉強(qiáng)度：ft=8N/mm2順紋抗剪強(qiáng)度：fv=1.4N/mm2彈性模量：E=9000N/mm2橫紋承壓強(qiáng)度：全表面：1.9N/mm2 局部表面積全面：2.9N/mm2 由材料性能分析知，材料的抗壓強(qiáng)度明顯高于抗拉強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)中應(yīng)多采用壓桿。上弦皆為壓桿，下弦為拉桿，為保障其強(qiáng)度，在其上設(shè)置加強(qiáng)桿。由于桿件的節(jié)點(diǎn)較為復(fù)雜，難以確定腹桿的具體受力性質(zhì)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮，采用強(qiáng)度較大的桿件，以保證其承載能力。同時(shí)在兩榀桁架鍵連接

4、處設(shè)置支撐，保證桁架的整體穩(wěn)定性。 考慮荷重比的因素，對(duì)于結(jié)構(gòu)的選擇不一定取承載力最大的結(jié)構(gòu)。復(fù)選截面時(shí)要參照結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。 但是，順木材受拉有以下缺點(diǎn)：（1）木材紋受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線接近于直線，因此木材受拉破壞前并無(wú)明顯的塑性變形階段，表現(xiàn)為脆性破壞。木材順紋受壓破壞時(shí)，纖維失穩(wěn)而屈曲。木材順紋受壓和受拉相比，受壓時(shí)木材具有較好的塑性。（2）由于木材順紋受壓時(shí)的纖維失穩(wěn)屈曲性質(zhì)，能使局部的應(yīng)力集中逐漸趨于緩和，所以在受壓構(gòu)件中通?？梢圆豢紤]應(yīng)力集中的不利影響。（3）木節(jié)（如右圖）對(duì)受拉構(gòu)件承載能力的影響很大，木節(jié)與周圍木質(zhì)之間的聯(lián)系很差，削弱了截面，并使截面偏心受力。而木節(jié)對(duì)受壓強(qiáng)度的影響

5、也遠(yuǎn)小于對(duì)受拉強(qiáng)度的影響。 綜上所述，木構(gòu)件的受壓要比受拉工作可靠的多。斜腹桿受拉：斜腹桿受壓：通過(guò)上述兩圖比較得：當(dāng)斜腹桿方向向外時(shí)，為受壓狀態(tài),對(duì)承載有利，因此我組選用斜腹桿向外的桁架結(jié)構(gòu)。結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)，桁架高度越高，兩加載點(diǎn)之間距離越大的結(jié)構(gòu)最有利。根據(jù)大賽要求，我組最終選用每榀凈跨1000mm，高度是200mm，兩加載點(diǎn)間距離是400mm的結(jié)構(gòu)。2、模型方案選擇方案一內(nèi)力計(jì)算單位：力(默認(rèn)),力矩(默認(rèn))桿端內(nèi)力值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩- 1 0.75000000 0.00000000 0.00000000 0.

6、75000000 0.00000000 0.00000000 2 0.75000000 -0.00000000 -0.00000000 0.75000000 -0.00000000 -0.00000000 3 1.50000000 -0.00000000 0.00000000 1.50000000 -0.00000000 0.00000000 4 1.50000000 0.00000000 -0.00000000 1.50000000 0.00000000 -0.00000000 5 0.75000000 0.00000000 -0.00000000 0.75000000 0.00000000

7、 0.00000000 6 0.75000000 -0.00000000 0.00000000 0.75000000 -0.00000000 -0.00000000 7 -1.25000000 -0.00000000 0.00000000 -1.25000000 -0.00000000 -0.00000000 8 -1.50000000 0.00000000 0.00000000 -1.50000000 0.00000000 0.00000000 9 -1.50000000 0.00000000 -0.00000000 -1.50000000 0.00000000 0.00000000 10

8、-1.50000000 0.00000000 -0.00000000 -1.50000000 0.00000000 0.00000000 11 -1.50000000 -0.00000000 0.00000000 -1.50000000 -0.00000000 -0.00000000 12 -1.25000000 -0.00000000 0.00000000 -1.25000000 -0.00000000 -0.00000000 13 0.00000000 0.00000000 -0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 14 1.25000000

9、 -0.00000000 0.00000000 1.25000000 -0.00000000 -0.00000000 15 -1.00000000 0.00000000 -0.00000000 -1.00000000 0.00000000 0.00000000 16 0.00000000 0.00000000 -0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 17 0.00000000 0.00000000 -0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000 18 -0.00000000 0.00000000 -0.

10、00000000 -0.00000000 0.00000000 0.00000000 19 -1.00000000 0.00000000 -0.00000000 -1.00000000 0.00000000 0.00000000 20 1.25000000 0.00000000 -0.00000000 1.25000000 0.00000000 0.00000000 21 0.00000000 0.00000000 -0.00000000 0.00000000 0.00000000 0.00000000- 軸力圖位移計(jì)算單位：位移(默認(rèn)),轉(zhuǎn)角(默認(rèn))桿端位移值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1

11、 桿端 2 - - 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.00436343 0.00006250 -0.00065451 -0.00436343 2 0.00006250 -0.00065451 -0.00373843 0.00012500 -0.00121528 -0.00373843 3 0.00012500 -0.00121528 -0.00083333 0.00029167 -0.00138194 -0.00083333 4 0.00029167 -0.00138194 0.000

12、83333 0.00045833 -0.00121528 0.00083333 5 0.00045833 -0.00121528 0.00373843 0.00052083 -0.00065451 0.00373843 6 0.00052083 -0.00065451 0.00436343 0.00058333 0.00000000 0.00436343 7 0.00000000 0.00000000 -0.00343750 0.00058333 -0.00065451 -0.00343750 8 0.00058333 -0.00065451 -0.00447917 0.00045833 -0

13、.00132639 -0.00447917 9 0.00045833 -0.00132639 -0.00027778 0.00029167 -0.00138194 -0.00027778 10 0.00029167 -0.00138194 0.00027778 0.00012500 -0.00132639 0.00027778 11 0.00012500 -0.00132639 0.00447917 0.00000000 -0.00065451 0.00447917 12 0.00000000 -0.00065451 0.00343750 0.00058333 0.00000000 0.003

14、43750 13 0.00058333 -0.00065451 -0.00260417 0.00006250 -0.00065451 -0.00260417 14 0.00058333 -0.00065451 -0.00281250 0.00012500 -0.00121528 -0.00281250 15 0.00012500 -0.00121528 -0.00166667 0.00045833 -0.00132639 -0.00166667 16 0.00012500 -0.00121528 -0.00083333 0.00029167 -0.00138194 -0.00083333 17

15、 0.00029167 -0.00138194 -0.00000000 0.00029167 -0.00138194 -0.00000000 18 0.00029167 -0.00138194 0.00083333 0.00045833 -0.00121528 0.00083333 19 0.00045833 -0.00121528 0.00166667 0.00012500 -0.00132639 0.00166667 20 0.00045833 -0.00121528 0.00281250 0.00000000 -0.00065451 0.00281250 21 0.00000000 -0

16、.00065451 0.00260417 0.00052083 -0.00065451 0.00260417- 位移圖方案二內(nèi)力計(jì)算單位：力(默認(rèn)),力矩(默認(rèn))桿端內(nèi)力值 ( 乘子 = 1) 桿端 1 桿端 2 - -單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩- 1 0.74916250 0.00111666 0.00000000 0.74916250 0.00111666 0.00016750 2 0.74916250 0.00111666 0.00016750 0.74916250 0.00111666 0.00033500 3 0.74978958 0.00000000 0.00010

17、479 0.74978958 0.00000000 0.00010479 4 0.74916250 -0.00111666 0.00033500 0.74916250 -0.00111666 0.00016750 5 0.74916250 -0.00111666 0.00016750 0.74916250 -0.00111666 0.00000000 6 -1.24860417 0.00000000 0.00000000 -1.24860417 0.00000000 0.00000000 7 -1.49832501 -0.00000000 0.00000000 -1.49832501 -0.0

18、0000000 -0.00000000 8 -1.49832501 0.00000000 -0.00000000 -1.49832501 0.00000000 0.00000000 9 -1.49832501 0.00000000 -0.00000000 -1.49832501 0.00000000 0.00000000 10 -1.49832501 -0.00000000 0.00000000 -1.49832501 -0.00000000 -0.00000000 11 -1.24860417 -0.00000000 0.00000000 -1.24860417 -0.00000000 -0

19、.00000000 12 -1.00000000 -0.00000000 0.00000000 -1.00000000 -0.00000000 -0.00000000 13 1.24860417 0.00000000 -0.00000000 1.24860417 0.00000000 0.00000000 14 -0.00177363 0.00000000 -0.00000000 -0.00177363 0.00000000 0.00000000 15 -0.00177363 -0.00000000 0.00000000 -0.00177363 -0.00000000 -0.00000000

20、16 -1.00000000 -0.00000000 0.00000000 -1.00000000 -0.00000000 -0.00000000 17 1.24860417 -0.00000000 0.00000000 1.24860417 -0.00000000 -0.00000000 18 0.00250829 0.00000000 -0.00000000 0.00250829 0.00000000 0.00000000 19 0.74978958 -0.00125415 0.00002062 0.74978958 -0.00125415 -0.00023021 20 0.7497895

21、8 0.00125415 -0.00002062 0.74978958 0.00125415 0.00023021 軸力圖 剪力圖 彎矩圖位移計(jì)算單位：位移(默認(rèn)),轉(zhuǎn)角(默認(rèn))桿端位移值 ( 乘子 = 1)- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.01898884 0.00024972 -0.00268083 -0.01563886 2 0.00024972 -0.00268083 -0.01563886 0.00049944 -0.00435666 -0.0

22、0558890 3 0.00049944 -0.00435666 -0.00558890 0.00116592 -0.00435666 0.00558890 4 0.00116592 -0.00435666 0.00558890 0.00141564 -0.00268083 0.01563886 5 0.00141564 -0.00268083 0.01563886 0.00166536 0.00000000 0.01898884 6 0.00000000 0.00000000 -0.01207123 0.00199805 -0.00236562 -0.01207123 7 0.0019980

23、5 -0.00236562 -0.01623656 0.00149860 -0.00480110 -0.01623656 8 0.00149860 -0.00480110 0.00054814 0.00083268 -0.00469148 0.00054814 9 0.00083268 -0.00469148 -0.00054814 0.00016676 -0.00480110 -0.00054814 10 0.00016676 -0.00480110 0.01623656 -0.00033268 -0.00236562 0.01623656 11 -0.00033268 -0.00236562 0.01207123 0.00166536 0.00000000 0.01207123 12 0.00049944 -0.00435666 -0.00499581 0.00149860 -0.00480110 -0.00499581 13 0.00049944 -0.00435666 -0.00957403 0.00199805 -0.00236562 -0.00957403 14 0.00049944 -0.00435666 -0.00167014 0.00083268 -0.00469148 -0.00167014 15 0.00083268 -0.00469148 0.001670