全國大學生結構設計大賽計算書.doc

第七屆全國大學生結構設計大賽西安科技大學建筑與土木工程學院指導老師:柴生波 鄭選榮隊長:賀鵬隊員:呂伍楊 陳梓新結構設計大賽計算書一、設計說明2二、結構選型2三、模型假設2四、結構建模與主要計算參數(shù)3五、受荷分析5 5.1受力分析5 5.1.1 方案一55.1.2方案二9 5.2穩(wěn)定分析13六、節(jié)點構造20七、模型加工圖及材料表21一、設計說明 根據(jù)大賽規(guī)則要求, 我們從結構形式所體現(xiàn)出的簡潔明快的風格的基礎上根據(jù)紙的一些力學性質，充分考慮結構的整體受力情況；最終我們從受力最好的最簡單的三角形入手。結構的整體外型是雙層“w”形，在粘接踏板后，結構主體框架多為三角形，提高了結構的穩(wěn)定性。同時為提高結構的的承載力，恰當?shù)卦谥饕Q向承載部位采用實心桿件，并用截面尺寸較小的細桿將其中部相連，提高其抗彎性能，盡量避免結構因失穩(wěn)而發(fā)生破壞。二、結構選型由于三角形具有較強的穩(wěn)定性，而且在平面上容易找平，我們選擇三角形為主體結構框架。桁架受力均勻簡單，僅受軸力受力明確，相互協(xié)調性好，便于材料性能的發(fā)揮，理論上應優(yōu)先采用空間桁架結構，但由于在結構中實現(xiàn)桿件絞接十分困難，且難以保證節(jié)點處的強度。所以最終結構中的節(jié)點均采用剛節(jié)點。剛節(jié)點的弊端是傳遞彎矩，削弱了結構的穩(wěn)定性，但這一缺點可以通過添加垂直于桿件軸向的支撐，來提高其穩(wěn)定性和承載力。同時，剛節(jié)點抗變形能力強，承載能力大，對于抵抗動荷載的破壞十分有幫助。三、模型假設1.假設桿件材料連續(xù)均勻2.假設踏板具有一定剛度，上部荷載通過踏板均勻傳遞到粘接在踏板下部的三根橫梁上。四、結構建模與主要計算參數(shù)在經(jīng)過初步構思和設計后,首先建立了一個基本模型(模型一),模型結構簡單輕巧,但考慮到在繞桿過程中,結構須承受側向切應力,又在結構一的基礎上進行了改進、加固，即在結構前后兩個矩形的一條對角線上各添加一根斜向桿件，同時，為防止原有斜桿因變形過大而破壞，在斜向桿構成的三角形中位線位置添加一根水平桿件，得到了模型二。圖4-1模型一圖4-2模型二圖4-3表4-1模型桿件尺寸表編號尺寸備注1、2、3、4、5、6、7模擬踏板實際不存在8、9、10、11284mm5mm5mm12、13、14、15284mm6mm6mm16、17321mm5mm5mm18、19、20、21100mm4mm4mm22、23150mm4mm2.5mm24、25200mm5mm2.5mm五、受荷分析5.1 受力分析在自重和和由腳傳給結構的靜力荷載工作作用下的結構受力如下。5.1.1方案一荷載考慮了結構自重和由腳傳給結構的靜力荷載（其構件及布載見圖5-1）。圖 5-1 由腳傳給結構的靜力荷載加載圖示 /kN.1 軸力圖 5-2 軸力圖 /N由圖1-2可以看出，在自重和人荷載作用下，該構件的側面承受的軸力最大，為134N；腳底中間的四根斜桿承受的軸力為67 N；該構件頂部桿件出現(xiàn)47.3N的軸力，其余桿件軸力幾乎為零。.2 彎矩圖 5-3 彎矩My / Ncm由圖1-3可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的上部三根橫桿承受彎矩My作用，最大達到331 Ncm。圖 5-4 彎矩Mz / Ncm由圖1-4可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的側面八根斜桿承受彎矩Mz作用，最大達到142 Ncm。.3 剪力圖 5-5 剪力Fz /N由圖1-5可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的頂面三根橫桿承受豎向剪力，最大為125 N。圖 5-6 剪力Fy /N由圖1-6可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的側面斜桿承受橫向剪力，最大為6 N。.4 扭矩圖 5-7 扭矩Mx / Ncm由圖1-7可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的中間斜桿的上半部分承受的扭矩最大，為16 Ncm。5.1.2 方案二荷載考慮了結構自重和由腳傳給結構的靜力荷載.1 軸力圖5-8 軸力圖 /N由圖2-2可以看出，在自重和人荷載作用下，該構件的側面承受的軸力最大，為132N；腳底中間的四根斜桿承受的軸力為67 N；該構件頂部桿件出現(xiàn)46N的軸力，其余桿件軸力幾乎為零。.2 彎矩圖5-9彎矩My / Ncm由圖5-9可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的上部三根橫桿承受彎矩My作用，最大達到286 Ncm。5-10彎矩Mz / Ncm由圖5-10可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的側面八根斜桿承受彎矩Mz作用，最大達到134 Ncm。.3 剪力圖5-11剪力Fz /N由圖5-11可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的頂面三根橫桿承受豎向剪力，最大為130 N。圖5-12剪力Fy /N由圖5-12可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的側面斜桿承受橫向剪力，最大為7 N。.4 扭矩圖5-13扭矩Mx / Ncm由圖5-13可以看出，在自重和人荷載作用下，主要是構件的中間斜桿的上半部分承受的扭矩最大，為25 Ncm。5.2穩(wěn)定分析5.2.1基本原理結構的穩(wěn)定問題與強度問題有同等重要的意義。高強、薄壁和纖細結構的采用，使穩(wěn)定性顯得更加重要。結構失穩(wěn)是指在外力作用下結構的平衡狀態(tài)開始喪失穩(wěn)定性，稍有擾動則變形迅速增大，最后使結構遭到破壞。失穩(wěn)可以分為兩大類：第一類叫做平衡分支問題，即達到臨界荷載時，若干擾使結構發(fā)生微小位移，則在取消干擾后，結構將停留在位移后的位置上而不能回到原來的位置。此時結構的平衡已開始成為不穩(wěn)定的，出現(xiàn)了平衡形式的分支，即結構可以具有原來的平衡形式，也可以具有新的平衡形式。稱這種現(xiàn)象為喪失了第一類穩(wěn)定性，或稱為分支點失穩(wěn)。此時相應的荷載稱為臨界荷載，他是使結構原有平衡形式保持穩(wěn)定的最大荷載，也是使結構產(chǎn)生新的平衡形式的最小荷載。喪失第一類穩(wěn)定的特征是：結構的平衡形式即內力和變形狀態(tài)發(fā)生質的突變，即原有的平衡形式成為不穩(wěn)定的，同時出現(xiàn)新的有質的區(qū)別的平衡形式。第二類失穩(wěn)是結構保持一個平衡狀態(tài)，隨著荷載的增加在應力比較大的區(qū)域出現(xiàn)塑性變形，結構的變形很快增大。當荷載達到一定的數(shù)值時，即使不再增加，結構變形也持續(xù)增大而至于使結構破壞，這種現(xiàn)象成為結構喪失第二類穩(wěn)定性，或稱為極值點失穩(wěn)。喪失第二類穩(wěn)定的特征是：結構平衡形式并不發(fā)生質變，變形按原有的形式迅速增長，以致使結構喪失承載能力。第一類穩(wěn)定分析用于預測一個理想彈塑性結構的理論失穩(wěn)強度（歧點），例如一根理想中心壓桿的第一類失穩(wěn)分析的結果將與經(jīng)典歐拉解相匹配。由于初始缺陷以及非線性的影響，使得很多實際結構都不在其理論彈性失穩(wěn)強度處發(fā)生失穩(wěn)，因此，第一類穩(wěn)定分析經(jīng)常產(chǎn)生非保守結果。但是，由于第一類穩(wěn)定分析的力學情況比較單純明確，在數(shù)學上求特征值問題也比較容易處理，所以在理論分析中仍占有重要地位。在應用有限元法進行穩(wěn)定性或承載能力分析時，相應的安全系數(shù)可采用以下定義方法：（4.1）式中：為結構失穩(wěn)或破壞時所能承受的全部荷載；為在結構承受的全部荷載中，關心荷載對結構穩(wěn)定性或承載能力的安全儲備；為在結構承受的全部荷載中，除關心荷載以外的其它所有荷載（計算中其大小保持不變）。顯然，就是承重結構失穩(wěn)或破壞前可承受關心荷載的倍數(shù)。在中，令=0，=恒載+其他關心荷載，即所求的是針對（恒載+其他關心荷載）的穩(wěn)定系數(shù)。5.2.2第一類穩(wěn)定分析結果以下給出最不利的工況組合（自重+人荷載作用）的第一類穩(wěn)定分析結果。.5 方案一 圖5-14第1階失穩(wěn)模態(tài)，= 1.302183 圖5-15第2階失穩(wěn)模態(tài)，= 2.761017 圖5-16第3階失穩(wěn)模態(tài)，=2.890822 圖5-17第4階失穩(wěn)模態(tài)，=3.767515 圖5-18第5階失穩(wěn)模態(tài)，=3.803893.6 方案二 圖5-19第1階失穩(wěn)模態(tài)，= 1.497251 圖5-20第2階失穩(wěn)模態(tài)，= 1.636206 圖5-21第3階失穩(wěn)模態(tài)，= 1.749105 圖5-22第4階失穩(wěn)模態(tài)，= 1.870628 圖5-23第5階失穩(wěn)模態(tài)，= 2.4131315.2.3方案對比 從受力方面看，兩種方案的受力效應相差不大。 從穩(wěn)定性方面看，由于構件的穩(wěn)定性由第一階失穩(wěn)控制，從穩(wěn)定分析結果可以看出，方案一的一階失穩(wěn)特征值= 1.302183，方案二的一階失穩(wěn)特征值= 1.497251，方案二的穩(wěn)定性要優(yōu)于方案一的穩(wěn)定性。綜合考慮，確定方案二為最終方案。六、節(jié)點構造 圖6-1四根桿件連接結點 圖6-2斜桿加固 圖6-3五根桿件連接結點 圖6-4 三根桿件連接結點 以上均為實際結點的圖片，在計算過程中均按固定結點計算七、模型加工圖及材料表 圖7.1裁剪過的竹皮紙 圖7.2裁剪得到的