海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型制作計(jì)算書

1、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型制作理論方案浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)二一二年第一部分：方案設(shè)計(jì)摘要根據(jù)學(xué)長(zhǎng)“簡(jiǎn)單、粗獷”的原理，在實(shí)踐中拋棄了很多復(fù)雜、沉重的構(gòu)件，最終展現(xiàn)在我們面前的是一個(gè)四棱臺(tái)與四棱柱結(jié)合的簡(jiǎn)單作品。自下而上的構(gòu)件分別為：底部為深入沙中的底柱，長(zhǎng)為10cm。通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)，為利于柱子插入細(xì)沙中而將柱子削尖。聯(lián)結(jié)底柱的是四棱臺(tái)，高42cm、底邊長(zhǎng)45cm、頂邊長(zhǎng)28cm。為抵抗風(fēng)荷載的力矩而增大重力的力臂，在保證質(zhì)量較輕的條件下增大底部長(zhǎng)度。初時(shí)對(duì)豎向荷載過(guò)分估計(jì)以致四周承重柱以及斜撐桿過(guò)重，但穩(wěn)重的底部在加載過(guò)程匯中也有可取之處。之所以將高度定為28cm，是因?yàn)橐潦紲?zhǔn)備在四棱臺(tái)中間安

2、置塑料片筒體。但在實(shí)際操作中我們放棄了這個(gè)設(shè)想。聯(lián)結(jié)四棱臺(tái)的是被斜桿分成三部分的四棱柱。借鑒了別人的輕質(zhì)理念，一改底座的笨重，上部桁架的布置簡(jiǎn)明，但纖細(xì)的桿件也使整體遭受了風(fēng)荷載的極大挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)加載中發(fā)現(xiàn)荷載箱稍小，因此改進(jìn)頂部邊長(zhǎng)、露出四個(gè)小柱。本欲在與水面相切處設(shè)置420*420的塑料片則可以利用水的吸附力，可惜塑料片質(zhì)量稍重、效果也不太明顯。改進(jìn)后，四棱臺(tái)留在空中的部分受風(fēng)荷載較大，布置了較密的桁架。在構(gòu)件聯(lián)結(jié)處，我們盡力增大構(gòu)件的接觸面積，同時(shí)也做了些小木段與木片作為加固?？偨Y(jié)來(lái)看，在最初的設(shè)計(jì)思考中我們還是有一些新的想法,比如筒體，比如利用水的吸附力，但在實(shí)踐制作過(guò)程中我們?nèi)狈?duì)可

3、操作性的理性認(rèn)識(shí)；同時(shí)我們過(guò)分估計(jì)豎向荷載以致質(zhì)量過(guò)重，輕視水平風(fēng)荷載而在試驗(yàn)中多次面臨劇烈的扭轉(zhuǎn)。最終我們的結(jié)構(gòu)形式歸于簡(jiǎn)單，但過(guò)程并不平淡。在否定與自我否定中，我們已有收獲。第二部分：計(jì)算書1） .主要結(jié)構(gòu)圖2）.設(shè)計(jì)參數(shù)尺寸參數(shù)：木條粗桿截面3mm*3mm 細(xì)桿截面2mm*2mm 順紋彈性模量1.0*104Mpa 順紋抗拉強(qiáng)度30Mpa 有效荷載箱3.3kg，外部尺寸300mm*300mm*300mm 水平恒載砝碼186g 水平風(fēng)荷載，風(fēng)速v=8.0m/s3）.荷載分析與承載能力估算：1豎直向下方向：每根柱子所受力：fz=m*g/4=3.3*9.8/4=8.085N 側(cè)面懸掛重物，節(jié)點(diǎn)所

4、受力： fz1=m1*g=0.186*9.8=1.823N2水平風(fēng)荷載：已知風(fēng)速v=8.0m/s，空氣密度=1.2kg/m3，運(yùn)用動(dòng)量定理：m·v = f· t；m=V=S(vt)，則有f=v2S，S為接觸面積計(jì)算得到fx=v2S/2=1.2*（8.02）*0.3*0.3/2=3.456N（分擔(dān)在頂端側(cè)向兩節(jié)點(diǎn)上）3荷載組合力矩：M= fz1*1.05+ fx*1.35=6.580 N·m，又M=(m+m荷載)/2·g·l/2 底面邊長(zhǎng)l=0.45m，為使構(gòu)件穩(wěn)定，則理論上需要重量：m=4M/（g·l）- m荷載=2.668kg4實(shí)際

5、可受豎向荷載：F=8*30Mpa*（2*10-3）2=960N4）.計(jì)算簡(jiǎn)圖在學(xué)長(zhǎng)幫助下，對(duì)于最初設(shè)計(jì)的建模分析。1. 運(yùn)用有限元軟件ANSYS建模如下：2考慮荷載計(jì)算結(jié)果圖如下：位移圖： 軸力圖： 應(yīng)力圖： 建模尺寸均選用3mm的木條，計(jì)算得到的頂端節(jié)點(diǎn)位移偏大，故需要作適當(dāng)調(diào)整，調(diào)整方案為，適當(dāng)?shù)陌炎钌蠈訔U件截面加大，節(jié)點(diǎn)連接牢靠。第三層斜桿軸力偏大，需加大截面，應(yīng)力均在木條可承受范圍內(nèi)。3局部截面驗(yàn)算（穩(wěn)定驗(yàn)算）：取軸壓力最大的桿件，計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比，得到穩(wěn)定系數(shù)，參考鋼結(jié)構(gòu)教材里面構(gòu)件穩(wěn)定承載力計(jì)算方法，驗(yàn)算本結(jié)構(gòu)中構(gòu)件是否滿足穩(wěn)定性；取本結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)度較大的桿件，由上述結(jié)果圖提取軸壓力，計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比，得到穩(wěn)定系數(shù)，參考鋼結(jié)構(gòu)教材里面構(gòu)件穩(wěn)定承載力計(jì)算方法，驗(yàn)算本結(jié)構(gòu)中構(gòu)件是否滿足穩(wěn)定性；5）.結(jié)論與建議按照上述方法調(diào)整后，本結(jié)構(gòu)基本可行，豎向與橫向荷載都能有效承受。但需要注意的是，在手工制作中主要節(jié)點(diǎn)之間的連接應(yīng)當(dāng)加固、整體模型端正穩(wěn)固，在加載中模型需放置平穩(wěn)。 雖然在實(shí)踐操作中最初的模型未被采用，但得出的結(jié)構(gòu)使我們著重了制作細(xì)節(jié)