遼寧省普通高等學校本科大學生-多層結構設計大賽計算書

2016年遼寧省大學生結構設計競賽計算書作品名稱：參賽學校：參賽隊伍：參賽隊員：指導教師：目錄目錄 概念設計1.1設計思路本次競賽設計內(nèi)容為多層結構，根據(jù)競賽所給模型制作要求以及加載條件等內(nèi)容，我們的模型設計思路如下。（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，每個結構層選用四根長220mm、截面邊長8mm的方紙筒作為橫梁，該豎向構件加水平構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10kg的豎向荷載，豎向加載穩(wěn)定后，要繼續(xù)進行沖擊荷載加載，因此我們采用截面邊長8mm的紙筒作為斜撐，來增加框架結構的平面內(nèi)以及平面外穩(wěn)定，提高模型的剛度，減小位移。（3）根據(jù)評分標準，我們在保證模型加載成功的基礎上，盡可能降低模型質量，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。我們將結構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結構選型在確定結構模型設計總體思路后，我們借助有限元分析軟件進行模型桿件受力變形定性分析，并結合模型加載試驗，逐步完善優(yōu)化我們的模型，達到位移與質量最優(yōu)結合。模型優(yōu)化過程如圖1所示：圖1模型結構優(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。該結構只豎向加載，將荷載換算作用在平行兩根梁上，ABAQUS計算結果如下圖2所示。從位移計算結果可以明顯看出，該結構在豎向荷載作用下，柱（豎向桿件）發(fā)生較大撓曲變形，特別是頂部兩層。該種形式如果用卡紙做成，豎向荷載作用下就會失去穩(wěn)定。該分析結果表明，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，模型位移較第一個有非常大的改善，結構穩(wěn)定性大大加強，表面斜撐對于整個模型的穩(wěn)定起到至關重要的地位。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，沒有明顯薄弱點。結論是，該結構形式可以作為我們的試驗結構。第一次加載試驗，單向斜撐結構形式在豎向重物放在橫桿上后，結構出現(xiàn)明顯晃動，在鉛球沖擊瞬間，結構發(fā)生較大水平位移，甚至在節(jié)點處折斷。經(jīng)分析，數(shù)值模擬中結構剛度較實際卡紙桿件要大，并且模擬中將沖擊荷載轉換成靜載荷施加，等等。這些因素造成了單向斜撐結構形式的模型加載失敗。改進措施為在令一向各層設置斜撐，在水平向各層設置支撐，最終模型形式如方案效果圖所示。該結構形式經(jīng)受住了現(xiàn)場試驗，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)意點有如下幾點：（1）卡槽處四根橫梁：卡槽以下的模型結構作為上部結構的嵌固端，起到至關重要的作用。在卡槽處增設四個橫梁，形成一層平面，既能緩解卡槽處在沖擊荷載所用瞬間產(chǎn)生的集中應力，又能增大模型結構的整體剛度，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沖擊荷載對水平橫梁的作用，同時增強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，來提高結構的強度。（3）夾具處橫梁變截面：夾具處橫梁分兩個方向，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主要沖擊荷載，因此該方向兩根橫梁卷制時采用雙層，而另一方向采用單層，在滿足承載力的同時減輕模型重量。（4）隔層設置斜撐：上面三層各層垂直沖擊方向不設置斜撐，從受力角度分析，該方向斜撐不承擔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，在多次試驗后，發(fā)現(xiàn)減少該處一根斜撐，并不影響模型結構的穩(wěn)定。（5）柱變截面配置：為減輕模型重量，在卷制通長柱時，采用變截面卷法，在滿足豎向承載力的同時，也滿足剛度要求。1.3方案效果圖圖6作品方案效果圖2計算設計2.1材料力學性質參數(shù)組委會提供的材料為230巴西白卡紙，其力學性質參數(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克白卡紙極限應力名稱類型層厚(mm)拉應力（N/mm2）壓應力（N/mm2）230克白卡紙0.322.27.02.2計算簡圖基本假定：（1）橫梁和斜撐與柱的連接都視為鉸接，結構視為桁架結構。（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，沖擊時間為0.01s。圖7模型計算簡圖2.3靜力分析（1）橫梁強度驗算豎向重物：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：橫梁最大拉應力為：該計算結果表明橫梁截面強度不滿足要求，但考慮到橫梁與柱粘結節(jié)點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系數(shù)0.75。，滿足要求。（2）柱強度和穩(wěn)定性驗算四個柱子承擔上部荷載，每根柱子分得的荷載為。則柱截面壓應力為，滿足要求?？紤]柱子的長細比，柱截面等效半徑為橫梁作為柱子的側向支撐點，所以取柱子長度為220mm，則柱子的長細比為：，小于60，可以不考慮壓桿穩(wěn)定問題。2.4動力分析考慮到所學力學知識所限，我們將動力分析轉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，我們進行如下計算。鉛球下落總動能：水平動能分量：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，撞擊時間為0.02s，則沖擊力為，單榀桁架受力利用結構力學求解器計算單榀桁架內(nèi)力及位移。柱截面性質：橫梁和斜撐截面性質：計算所得單榀桁架軸力、剪力、彎矩以及位移結果如圖所示。（1）柱軸力柱底層軸力最大，則柱截面壓應力為，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。則柱截面壓應力為，滿足要求。（3）橫梁彎矩由于我們將模型簡化為桁架結構，構件內(nèi)部不存在彎矩，只是頂層橫梁出現(xiàn)彎矩，查看彎矩計算結果，增加水平荷載對結構彎矩影響不大，這里就不再驗算。（4）結構位移對比兩種節(jié)點結構變形圖，發(fā)現(xiàn)剛接的更接近現(xiàn)實模型加載變形，不過二者最大位移差不多。計算最大位移為80mm，結果偏大，與試驗得到的差距較大。分析原因，結構力學求解器只能計算二維桿件，而我們的模型是空間結構，整體剛度較二維桿件會有很大提高，因此位移計算結果不準確。圖8單榀桁架軸力、剪力、彎矩和位移計算結果3構造設計3.1梁柱節(jié)點為了保證柱子的整體性，在模型制作時，我們直接用卡紙卷制1000mm通長柱子，將橫梁以及斜撐黏結在柱子上。在制作橫梁桿件時，兩端均留置一段長度，以保證能夠有足夠長度的卡紙粘結在柱上。桿件端口處用小刀分割成四瓣，分別與柱水平和豎向粘結。節(jié)點處理將很大程度上影響整個模型的效果，梁柱節(jié)點如圖所示。圖9梁柱節(jié)點實物3.2斜撐節(jié)點斜撐桿件部分受壓，部分受拉，節(jié)點處理上都要保證斜撐與柱和橫梁牢固粘結。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)點粘結實物如圖所示。圖10斜撐節(jié)點實物3.3交叉斜撐節(jié)點底層垂直沖擊方向應用交叉斜撐，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強度，短桿端部封口，粘結在長桿上，并且外包一曾卡紙，將三根桿件連接成一體。詳細處理，如圖所示。圖11交叉斜撐節(jié)點實物4模型加工圖及材料表4.1模型加工圖圖12模型正視圖、側視圖和俯視圖將模型各桿件進行編號，如圖所示，具體各編號桿件的尺寸和數(shù)量用下表3列出。表3各編號構件加工表桿件編號截面形狀尺寸（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小結從分析題目，整理設計思路，到結構選型，反復試驗，到最終確定結構形式，來參加全省大賽，歷時將近一個月。這一個月里，組員們都付出了很多汗水，盡全力來完善我們的模型。希望該次競賽，我們能夠取得好的成績。6參考文獻[1]包世華，辛克貴，結構力學[M]，武漢理工大學出版社，2007[2]石亦平，周玉蓉，ABAQUS有限元分析實例詳解[M]，機械工業(yè)出版社，2006基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構件開發(fā)的技術研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設計和應用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉變壓器-數(shù)字轉換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設計Pico專用單片機核的可測性設計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