遼寧省普通高等學(xué)校本科大學(xué)生-多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽計(jì)算書

2016年遼寧省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽計(jì)算書作品名稱：參賽學(xué)校：參賽隊(duì)伍：參賽隊(duì)員：指導(dǎo)教師：目錄目錄 概念設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)思路本次競(jìng)賽設(shè)計(jì)內(nèi)容為多層結(jié)構(gòu)，根據(jù)競(jìng)賽所給模型制作要求以及加載條件等內(nèi)容，我們的模型設(shè)計(jì)思路如下。（1）根據(jù)模型豎向尺寸以及截面尺寸要求，我們選用四根長為1000mm、截面邊長10mm的通長紙筒作為框架柱，每個(gè)結(jié)構(gòu)層選用四根長220mm、截面邊長8mm的方紙筒作為橫梁，該豎向構(gòu)件加水平構(gòu)件定義出了我們模型的基本框架形式。（2）根據(jù)加載要求，該模型頂部需要承擔(dān)10kg的豎向荷載，豎向加載穩(wěn)定后，要繼續(xù)進(jìn)行沖擊荷載加載，因此我們采用截面邊長8mm的紙筒作為斜撐，來增加框架結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)以及平面外穩(wěn)定，提高模型的剛度，減小位移。（3）根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)诒ＷC模型加載成功的基礎(chǔ)上，盡可能降低模型質(zhì)量，柱采用變截面卷法，根據(jù)受力特性紙筒分別采用單層和雙層卷法。我們將結(jié)構(gòu)形式選定為梁柱框架體系外加平面內(nèi)以及平面外斜撐。1.2結(jié)構(gòu)選型在確定結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)總體思路后，我們借助有限元分析軟件進(jìn)行模型桿件受力變形定性分析，并結(jié)合模型加載試驗(yàn)，逐步完善優(yōu)化我們的模型，達(dá)到位移與質(zhì)量最優(yōu)結(jié)合。模型優(yōu)化過程如圖1所示：圖1模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程第一種模型形式，純梁柱框架，共五層，梁柱之間無任何斜撐。該結(jié)構(gòu)只豎向加載，將荷載換算作用在平行兩根梁上，ABAQUS計(jì)算結(jié)果如下圖2所示。從位移計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，該結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，柱（豎向桿件）發(fā)生較大撓曲變形，特別是頂部?jī)蓪?。該種形式如果用卡紙做成，豎向荷載作用下就會(huì)失去穩(wěn)定。該分析結(jié)果表明，我們需要增加斜撐。第二種模型形式，在純框架的基礎(chǔ)上，增加與撞擊荷載垂直方向的斜撐。該模型分兩次加載，第一次施加豎向荷載，第二次施加水平荷載。在有限元分析中，我們將沖擊荷載換算成靜力集中荷載，作用在第二層梁柱節(jié)點(diǎn)處。圖3所示為豎向荷載作用下模型最大位移云圖，模型位移較第一個(gè)有非常大的改善，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大加強(qiáng)，表面斜撐對(duì)于整個(gè)模型的穩(wěn)定起到至關(guān)重要的地位。豎向荷載和水平荷載作用下模型位移云圖如圖4和5所示，最大位移比圖3有明顯增加，模型發(fā)生整體水平移動(dòng)，沒有明顯薄弱點(diǎn)。結(jié)論是，該結(jié)構(gòu)形式可以作為我們的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)。第一次加載試驗(yàn)，單向斜撐結(jié)構(gòu)形式在豎向重物放在橫桿上后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯晃動(dòng)，在鉛球沖擊瞬間，結(jié)構(gòu)發(fā)生較大水平位移，甚至在節(jié)點(diǎn)處折斷。經(jīng)分析，數(shù)值模擬中結(jié)構(gòu)剛度較實(shí)際卡紙桿件要大，并且模擬中將沖擊荷載轉(zhuǎn)換成靜載荷施加，等等。這些因素造成了單向斜撐結(jié)構(gòu)形式的模型加載失敗。改進(jìn)措施為在令一向各層設(shè)置斜撐，在水平向各層設(shè)置支撐，最終模型形式如方案效果圖所示。該結(jié)構(gòu)形式經(jīng)受住了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并且位移較小。圖2模型一最大位移云圖圖3模型二豎向加載最大位移云圖圖4模型二豎向和水平加載最大位移云圖圖5模型二豎向和水平加載水平位移云圖我們的模型的創(chuàng)意點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：（1）卡槽處四根橫梁：卡槽以下的模型結(jié)構(gòu)作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，起到至關(guān)重要的作用。在卡槽處增設(shè)四個(gè)橫梁，形成一層平面，既能緩解卡槽處在沖擊荷載所用瞬間產(chǎn)生的集中應(yīng)力，又能增大模型結(jié)構(gòu)的整體剛度，從根基處保證模型的穩(wěn)定。（2）底層交叉斜撐：在卡槽上夾具下，增設(shè)平行于沖擊荷載作用方向的交叉斜撐。該交叉斜撐起到分擔(dān)沖擊荷載對(duì)水平橫梁的作用，同時(shí)增強(qiáng)了兩榀框架的平面內(nèi)剛度，有效減小該部位的水平位移。該交叉斜撐的制作手法上也采用拉桿通長、壓桿拼裝的方式，來提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。（3）夾具處橫梁變截面：夾具處橫梁分兩個(gè)方向，垂直沖擊荷載方向和平行沖擊荷載方向。通過受力分析發(fā)現(xiàn)，平行方向的橫梁承擔(dān)主要沖擊荷載，因此該方向兩根橫梁卷制時(shí)采用雙層，而另一方向采用單層，在滿足承載力的同時(shí)減輕模型重量。（4）隔層設(shè)置斜撐：上面三層各層垂直沖擊方向不設(shè)置斜撐，從受力角度分析，該方向斜撐不承擔(dān)豎向荷載以及水平荷載，但能夠起到增加兩榀框架平面外剛度的作用，在多次試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)減少該處一根斜撐，并不影響模型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（5）柱變截面配置：為減輕模型重量，在卷制通長柱時(shí)，采用變截面卷法，在滿足豎向承載力的同時(shí)，也滿足剛度要求。1.3方案效果圖圖6作品方案效果圖2計(jì)算設(shè)計(jì)2.1材料力學(xué)性質(zhì)參數(shù)組委會(huì)提供的材料為230巴西白卡紙，其力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1和2所示。表1.230克白卡紙彈性模量名稱種類層數(shù)彈性模量(MPa)230克白卡紙156.92148.2表2.230克白卡紙極限應(yīng)力名稱類型層厚(mm)拉應(yīng)力（N/mm2）壓應(yīng)力（N/mm2）230克白卡紙0.322.27.02.2計(jì)算簡(jiǎn)圖基本假定：（1）橫梁和斜撐與柱的連接都視為鉸接，結(jié)構(gòu)視為桁架結(jié)構(gòu)。（2）所有桿件視為各向同性彈性體。（3）鋼球與軌道摩擦力為零，沖擊時(shí)間為0.01s。圖7模型計(jì)算簡(jiǎn)圖2.3靜力分析（1）橫梁強(qiáng)度驗(yàn)算豎向重物：G=10Kg重物直接作用在頂層兩根橫梁上，可看成均布荷載，則每根梁上線荷載為：橫梁跨中最大彎矩：橫梁截面抵抗矩為：橫梁最大拉應(yīng)力為：該計(jì)算結(jié)果表明橫梁截面強(qiáng)度不滿足要求，但考慮到橫梁與柱粘結(jié)節(jié)點(diǎn)與假定鉸接還有一定差距，如果該處假定為剛接，這跨中彎矩減少一半，因此該處可以乘以一個(gè)系數(shù)0.75。，滿足要求。（2）柱強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算四個(gè)柱子承擔(dān)上部荷載，每根柱子分得的荷載為。則柱截面壓應(yīng)力為，滿足要求?？紤]柱子的長細(xì)比，柱截面等效半徑為橫梁作為柱子的側(cè)向支撐點(diǎn)，所以取柱子長度為220mm，則柱子的長細(xì)比為：，小于60，可以不考慮壓桿穩(wěn)定問題。2.4動(dòng)力分析考慮到所學(xué)力學(xué)知識(shí)所限，我們將動(dòng)力分析轉(zhuǎn)換為靜載荷加載在模型上，來求水平位移。根據(jù)加載條件，利用物理能量守恒等原理，我們進(jìn)行如下計(jì)算。鉛球下落總動(dòng)能：水平動(dòng)能分量：下落后鉛球水平速度為：根據(jù)碰撞定理：，假定撞擊后鉛球靜止，撞擊時(shí)間為0.02s，則沖擊力為，單榀桁架受力利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算單榀桁架內(nèi)力及位移。柱截面性質(zhì)：橫梁和斜撐截面性質(zhì)：計(jì)算所得單榀桁架軸力、剪力、彎矩以及位移結(jié)果如圖所示。（1）柱軸力柱底層軸力最大，則柱截面壓應(yīng)力為，滿足要求。（2）斜撐軸力底層交叉斜撐壓桿軸力最大，該斜撐桿采用雙層卡紙卷制。則柱截面壓應(yīng)力為，滿足要求。（3）橫梁彎矩由于我們將模型簡(jiǎn)化為桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)件內(nèi)部不存在彎矩，只是頂層橫梁出現(xiàn)彎矩，查看彎矩計(jì)算結(jié)果，增加水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩影響不大，這里就不再驗(yàn)算。（4）結(jié)構(gòu)位移對(duì)比兩種節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)變形圖，發(fā)現(xiàn)剛接的更接近現(xiàn)實(shí)模型加載變形，不過二者最大位移差不多。計(jì)算最大位移為80mm，結(jié)果偏大，與試驗(yàn)得到的差距較大。分析原因，結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器只能計(jì)算二維桿件，而我們的模型是空間結(jié)構(gòu)，整體剛度較二維桿件會(huì)有很大提高，因此位移計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。圖8單榀桁架軸力、剪力、彎矩和位移計(jì)算結(jié)果3構(gòu)造設(shè)計(jì)3.1梁柱節(jié)點(diǎn)為了保證柱子的整體性，在模型制作時(shí)，我們直接用卡紙卷制1000mm通長柱子，將橫梁以及斜撐黏結(jié)在柱子上。在制作橫梁桿件時(shí)，兩端均留置一段長度，以保證能夠有足夠長度的卡紙粘結(jié)在柱上。桿件端口處用小刀分割成四瓣，分別與柱水平和豎向粘結(jié)。節(jié)點(diǎn)處理將很大程度上影響整個(gè)模型的效果，梁柱節(jié)點(diǎn)如圖所示。圖9梁柱節(jié)點(diǎn)實(shí)物3.2斜撐節(jié)點(diǎn)斜撐桿件部分受壓，部分受拉，節(jié)點(diǎn)處理上都要保證斜撐與柱和橫梁牢固粘結(jié)。斜撐不同于橫梁，橫梁桿件是垂直與柱連接，比較好處理，而斜撐與柱和橫梁是成一定角度連接。我們的處理方式是將桿件端頭割出三角形，如圖所示。斜撐節(jié)點(diǎn)粘結(jié)實(shí)物如圖所示。圖10斜撐節(jié)點(diǎn)實(shí)物3.3交叉斜撐節(jié)點(diǎn)底層垂直沖擊方向應(yīng)用交叉斜撐，一方向承受沖擊壓力，該斜撐桿件通長，另一方向需要截成兩段。為了保證它們之間的粘結(jié)強(qiáng)度，短桿端部封口，粘結(jié)在長桿上，并且外包一曾卡紙，將三根桿件連接成一體。詳細(xì)處理，如圖所示。圖11交叉斜撐節(jié)點(diǎn)實(shí)物4模型加工圖及材料表4.1模型加工圖圖12模型正視圖、側(cè)視圖和俯視圖將模型各桿件進(jìn)行編號(hào)，如圖所示，具體各編號(hào)桿件的尺寸和數(shù)量用下表3列出。表3各編號(hào)構(gòu)件加工表?xiàng)U件編號(hào)截面形狀尺寸（mm）數(shù)量（根））重量（g）=1\*GB3①矩形8*8*1000417=2\*GB3②矩形8*8*220(雙層)43.5=3\*GB3③矩形8*8*220（單層）162=4\*GB3④矩形8*8*318（雙層）23=5\*GB3⑤矩形8*8*318（單層）122.55小結(jié)從分析題目，整理設(shè)計(jì)思路，到結(jié)構(gòu)選型，反復(fù)試驗(yàn)，到最終確定結(jié)構(gòu)形式，來參加全省大賽，歷時(shí)將近一個(gè)月。這一個(gè)月里，組員們都付出了很多汗水，盡全力來完善我們的模型。希望該次競(jìng)賽，我們能夠取得好的成績(jī)。6參考文獻(xiàn)[1]包世華，辛克貴，結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]，武漢理工大學(xué)出版社，2007[2]石亦平，周玉蓉，ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M]，機(jī)械工業(yè)出版社，2006基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Internet系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在擠壓機(jī)上的應(yīng)用MSP430單片機(jī)在智能水表系統(tǒng)上的研究與應(yīng)用基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)中TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用單片機(jī)在高樓恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用基于ATmega16單片機(jī)的流量控制器的開發(fā)基于MSP430單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及智能網(wǎng)絡(luò)水表的設(shè)計(jì)基于MSP430單片機(jī)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放功能的嵌入式電子血壓計(jì)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的氨分解率檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)鍋爐的單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)控制的電磁振動(dòng)式播種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)的WDR-01型聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀的研制一種RISC結(jié)構(gòu)8位單片機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)HYPERLINK"