第七届全国大学生结构设计竞赛计算书(一等奖)

第七届全国大学生结构设计竞赛计算书参赛学校：作品名称：擎天柱参赛队伍：梦之翼参赛队员：张玉奇梁茂景夏祥指导老师：王行耐赵鹍鹏第七届全国大学生结构设计竞赛计算书1目录一、前言……………………………………………………………（2）二、设计说明………………………………………………………（3）2.1方案构思………………………………………………………（3）2.2结构选型………………………………………………………（4）三、结构特点………………………………………………………（8）3.1整体结构特点…………………………………………………（8）3.2细部制作特点…………………………………………………（8）四、受力分析及计算………………………………………………（13）4.1结构受力分析………………………………………………（13）4.2结构建模及计算分析………………………………………（15）五、结构设计图及材料表…………………………………………（20）5.1结构三视图………………………………………………（20）5.2节点构造图………………………………………………（21）5.3结构三维图………………………………………………（22）5.4材料使用明细表……………………………………………（22）六、总结……………………………………………………………（24）七、参考文献………………………………………………………（25）第七届全国大学生结构设计竞赛计算书2一、前言正如插图所见，“踩高跷”是我国一项群众喜闻乐见、流行甚广的传统民间活动。高跷分高跷、中跷和跑跷三种，最高者一丈多。高跷表演者不但以长木缚于足行走，还能跳跃和舞剑，形式多样。传统高跷道具简单，但木质的选料很讲究，必须采用坚硬而有韧性的木质，腐木不可用。将选好的木头经过木匠加工成4-5尺长的木棍，木棍上扁下圆，脚踏板的设置，是根据高跷的高度而定，一般在3尺以上装置。高跷的绑腿绳，一般是用布制成的，这样的绑绳既能绑紧，又不勒腿脚。“踩高跷”不但具有很高的健身价值，而且还具有很高的艺术价值，对振兴民族精神和活跃、充实人民的文化生活都起着积极的作用。这次结构设计竞赛是一个既有趣又富有挑战性的科技竞赛。高跷所承受的荷载与高跷的结构形式和运动方式密切相关，这次比赛正是给我们建立了一个理论贴近实际贴近生活的平台。通过运用所学知识自行设计和制作竹高跷结构，可以提高我们的动手能力与思维能力，激发创新和竞争意识，培养科学思维，加强团队协作。同时让我们更加加深对“踩高跷”这一传统民间艺术的了解，更好的继承传统文化。在赛前准备过程中，我们提高了自己的思考能力，加深了理论知识的理解，而且还将与其他学校的参赛队员交流经验，使我们的眼界更加开阔。这次比赛无疑使我们的大学生活更加充实更加有意义，将为我们的人生画上精彩的一笔！第七届全国大学生结构设计竞赛计算书3二、设计说明2.1方案构思竞赛赛题要求参赛队设计并制作一对竹结构高跷模型，并进行加载和绕标竞速测试。高跷结构模型外围长度为400mm±5mm，宽度为150mm±5mm，高度为265mm±5mm；模型底面尺寸不得超过200mm×150mm的矩形平面。踏板结构的面板为中密度板，面板上固定有A、B、C三根实木条，通过热熔胶与竹高跷模型固定。加载分为静加载和绕标竞速两部分，静加载的荷载为本队队员，以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率；绕标竞速通过参赛选手踩着高跷行走或跑来检验模型在动力荷载下的承载能力。经过仔细分析赛题我们做出以下构思：⑴由于静止加载时要以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率，所以尽量要减轻结构重量，因此结构不能太复杂，杆件数要尽量少尽量轻。⑵绕标竞速时结构受动力荷载，所以要考虑到行走过程中结构底面会与地面形成一定的夹角、加速和减速的瞬间结构和地面的横向摩擦、以及落地的同时带来的冲击力等因素，因此结构不仅要受到竖直向下的力还要受到斜向的力、横向的力。所以结构需要承受来自多个方向的力。⑶为了便于行走，底面积不能太大。要在保持平稳和足够摩擦力的前提下，缩小底面积。⑷根据赛题要求结构只能与踏板的三根实木条相接，因此要使结构所受的力集中到这三根实木条上。⑸由于脚踝在左右方向上不易保持平稳，所以结构底面左右方向的长度不能太小。第七届全国大学生结构设计竞赛计算书42.2结构选型2.2.1整体结构选型在结构定型之前我们考虑了多种结构形式，并依次做出多种方案。方案一：我们设计了两榀平行的“W”形桁架，主要受压杆件为8mm×8mm中间带有“X”形支撑的矩形杆件；用交叉的拉条保持左右平衡，拉条用0.35mm×4mm的两层竹皮粘成；底面为150mm×100mm的矩形。如图2-1：图2-1通过分析和试验我们得出本结构有以下优点和缺点：优点：此结构的特点是底面积较大，站立时稳定性好。缺点：杆件较多，质量重，结构冗繁；主要受压杆长细比较大，容易失稳；由于面积大，绕标竞速时容易单角触底，使杆件受力不均，致使整个结构垮塌。方案二：经过大量的模型制作和试验，我们发现，结构前部两根主柱承受外荷载的分量很小，基本不承担外荷载分量。因此,我们对方案一进行了一系列的改进修整，做出了方案二。第七届全国大学生结构设计竞赛计算书5结构主体由“W”形桁架演变成更为简洁的N形桁架，前部主柱简化为拉条代替。杆件截面根据受力大小稍有调整，对中间受力较大的杆件进行了加强；同时，为了使中部主柱定向变形，我们还在中部主柱施加了初始位移，并在初始位移方向上施加等间距撑杆，在减小其长细比的同时保证撑杆受力明确。其余拉条结构形式不变。底面积减小，变为100mm×60mm，在保证能站稳的前提下能更容易地行走。具体结构形式如图2-2：图2-2通过分析和试验我们得出本结构有以下优点和缺点：优点：中部主柱定向变形且添加了撑杆，减小其长细比且受力明确，不易失稳；外围四个杆件不仅在前后有斜度在左右方向也稍有倾斜，不仅能保持前后左右方向的平衡，还能防止整体结构平面内的扭转；底面积较小利于行走。缺点：施加初始位移使得制作过程困难，质量难以保证；杆件过多，结构仍显冗繁；拉条由于质地不均长度太长，容易拉断；底面积还是稍大，前进速度无法加快。方案三：通过积累以上经验，我们对其优点继续沿用，其缺点得以修正。经过大量试验，主要外荷载由中部及后部主柱承担，鉴于此我们进行了大胆地尝试。由此做出了方案三。第七届全国大学生结构设计竞赛计算书6我们把以前的矩形底面改成了条形，面积为70mm×15mm；将前部两跟主柱简化为拉条以保证结构的稳定性及完整性；主要承重杆件由原来的八根改为四根，并在前后和左右方向上都有一定角度的收敛；根据不同需要选择了不同截面的拉条，并对其进行了加宽加固，在粘接方法上也有不同。具体结构形式如图2-3：图2-3这种结构有以下特点：优点：结构形式精简，重量轻，制作简单；主体桁架呈三角形，稳定性好，承载荷载大；底面积小，易于快速行走，且不会出现以上方案中因落地时倾斜而致使杆件受力偏差太大的情况。缺点：静止站立必须靠两脚的配合。“没有做不到，只有想不到”通过多次试验对比，我们发现，以前不敢相信能站稳的方案三中的结构荷重比最大，行走速度也最快。因此我们选择了方案三。并通过长期测试，对奔跑时所受的冲击荷载和摩擦力等因素进行综合分析，对底面的位置稍加改变，发现在能保持静止平衡的前提下适当前调底面的位置更利于奔跑。2.2.2杆件选型第七届全国大学生结构设计竞赛计算书7对于受压杆件，我们做成外围为8mm×8mm的正方形杆件，另外为了增加杆件的惯性矩，我们在正方形杆件里添加了“X”形支撑，使其抗弯性能好，防止受力弯折。如图2-4：图2-4用于保持左右平衡的杆件选择抗拉性能好且轻便的拉条，并且在拉条两侧进行了贴片加固。不仅避免了竹皮质地不均匀带来的影响，而且能防止拉条单侧受拉开裂。其主拉条宽度为10mm,厚度为0.5mm，贴片宽度3mm，厚度0.2mm。如图2-5：图2-5第七届全国大学生结构设计竞赛计算书8三、结构特点3.1整体结构特点（1）、结构整体为三角桁架，稳定性好,结构简单，容易制作且重量轻；（2）、对受力较大长度较长的杆件加横向支撑，减小其长细比，防止失稳。（3）、在保持结构稳定方面尽量使用抗拉性能更好的拉条，且根据受力情况选择不同截面的拉条，制作简单，减轻重量。（4）、底面积为70mm×15mm的矩形长条，前后方向较窄，易于行走或跑。图3-13.2细部制作特点（1）、杆件制作特点受压杆内添加“X”形支撑，在提高杆件的抗压强度的同时，稳固了杆件的截面形状，从而提高它的抗弯强度。第七届全国大学生结构设计竞赛计算书9图3-2（2）、拉条制作特点我们发现竹节处制作的竹皮（见图3-3）抗拉性能很差，因此在制作拉条时选用不带竹节的竹皮，避免竹节对其抗拉强度的影响。且对受力较大的拉条的边缘进行了贴片加固，防止受力不均而导致拉条的开裂，如图3-4。图3-3图3-4（3）、拉条粘接特点拉条与矩形杆件粘接时，使拉条端部粘在杆件一侧并留有足够的长度折过去粘在杆件另一侧，从而使拉条在受拉时既发挥502胶的抗剪性又充分发挥了拉条端部的抗拉性，如图3-5、3-6。第七届全国大学生结构设计竞赛计算书10图3-5图3-6（4）、竹皮粉末的奇思妙用在制作过程中我们发现用砂纸磨下的竹皮粉末可以充当502胶的“骨料”，把两者拌合发挥出意想不到的效果：图3-71）、杆件与杆件粘接处容易留有细缝，放上少许竹皮粉末，再加上502胶，不仅能够弥补细缝，还能加大粘接面积，很大程度的提高了节点强度。图3-8第七届全国大学生结构设计竞赛计算书112）、经过多次试验，发现高跷在快速行走中由于与地面摩擦力不够大，容易滑倒。因此，我们在结构底面用竹末和502胶的搅拌后制作了3mm厚的“防滑垫”，并用锉刀将其挫成锯齿状，大大提高了结构与地面的摩擦力，防止滑倒。图3-9（5）、“神器”的运用开始制作时我们发现杆件内部“X”形支撑很难做到各个宽度一致，这样做出的杆件不仅截面不均，而且还容易使正方形截面扭曲成菱形。因此，我队自行开发了一种割条器具，由美工刀片和竹皮粘成的卡槽组成（见图3-10、3-11），用了这种“神器”，大大提高了我们的工作效率和制作水平。图3-10图3-11（6）、502胶的使用技巧第七届全国大学生结构设计竞赛计算书12502胶的抗拉性能差，抗剪性能好，所以在杆件粘接时充分发挥其抗剪性，避免了其受拉。经过多次试验，502胶用量过多不易粘接，且粘接后不牢固，因此我们在粘接时采用尽量将胶水压紧压薄的方式，同时提高了502胶水的利用率。第七届全国大学生结构设计竞赛计算书13四、受力分析及计算4.1结构受力分析根据结构特点，我们的结构承重杆件分布于踏板中部及后部木横梁上。我队踩高跷队员kg65，安全系数为2.1f，考虑冲击系数2.1。考虑人在前进过程中的重心随着双脚的前后交替，重心也随之前后移动。因此，在整个绕标跑过程中，可偏安全的考虑三个工况：（1）、当人的重心作用于中、后横梁之间时，可认为中主柱与后主柱共同承担外荷载，如图4-1。图4-1第七届全国大学生结构设计竞赛计算书14（2）、当人的重心作用于中横梁之前时，可认为中主柱独自承担外荷载，如图4-2。图4-2（3）、当人的重心作用于后横梁之后时，可认为后主柱独自承担外荷载，如图4-3。图4-3第七届全国大学生结构设计竞赛计算书15在整个受力分析过程中，我们并没有考虑横向偏心的情况。经过大量的试验证明横向偏心对于结构来说危害最大，会造成整个结构在与材料性能远未达到其承载能力极限状态前就倾覆破坏。然而，我们的结构在底面的设计上通过缩小接触面积，使运动员在行走的时候避免了横向上的大偏心，可以有效的减小横向偏心破坏的发生。4.2结构建模及计算分析本结构采用midas2012软件进行结构分析。4.2.1材料定义：（1）、自定义竹材，弹性模量定义1.0E4；（2）、自定义虚拟踏板材料，弹性模量无限大的近似纯刚材料。4.2.2截面定义：截面定义使用midas截面特性计算器，采用CAD导入设计用数值截面方法，将主柱、撑杆、底板