黄祖慰大学生结构设计竞赛指导讲义

1、第三讲 基础知识讲授人：黄祖慰一、制图工具为了提高设计与制作精度，针对于结构竞赛的制图工具要求如下:1、选用自动铅笔，摒弃木质铅笔； 2、选用型号0.25或者0.38的出墨均匀的水笔或者签字笔； 3、刻度尺采用标准刻度切刻度清晰的大三角板和米丁字尺，注意刻度面是否笔直； 4、配备钢尺；5、制图板质量要高，注意其表面是否光平； 6、透明胶，用于固定图纸与制图板； 7、建议不用量角器，角度的绘制可以通过三角函数法。 二、制图技巧画直线：1、必须注意笔画线条存在一定的宽度； 2、画线时必须保证尺子不动，握笔的角度保持不变，笔尖往刻度边倾斜； 3、用刻度尺对准已画直线时，刻度边需要紧贴且平行于线条边；

2、 正确方法：错误方法：参照点改变，画出来直线存在“道岔”，影响设计与制作精度。错误方法：参照点不统一，画出来直线存在分差，影响设计与制作精度。平行线：此处绘制平行线以绘制中心距为1cm的平行线，要领在于注意线条有粗细，找到正确的参考点。正确画法如下：错误画法如下：参照点不同意会导致画出来的平行线不平行。错误画法如下：没有注意到线条存在厚度，导致平行线中心距离不等于1cm画角度：角度的绘制不提倡用量角器，而是三用三角函数计算法，把直角边长度计算出来，找好参照点，在根据直角边长绘制出相应的斜边。此方法绘制出来的角度精确。精确制图的意义：1、精确制图能够让设计图更加准确，准确表达设计者的思想； 2、

3、精确的制图能是精确制作的基础； 结构竞赛设计图的绘制要比土木工程制图要精确，因为设计图大多数都能以1:1的比例画出，并且作为模板，制造出模型。三、切割切割要点：1、必须注意笔画线条和刀片存在一定的宽度； 2、用小刀划纸或者其他材料时必须保证尺子不动，握刀的角度要保持垂直； 3、划痕必须在线之间，划完之后材料两个边缘应该都还存在线条的一半。 正确切割示意图：（黄色线为刀剑痕迹）错误切割示意图：主要原因是有参照点不同意造成的错误，极大影响模型的制作精度。四、基本力学概念与知识结构竞赛中必备的力学知识如下：拉：轴拉、偏心拉 压：轴压、偏心压、压杆稳定问题 截面的几何特征：静矩、极惯性矩、惯性矩 弯：

4、弯矩、弯曲正应力、剪力 扭转：扭矩、扭转剪应力 静定问题： 节点法、截面法 超静定问题：力法、位移法 下面，就开始结合结构竞赛的应用一一介绍它们的概念：拉压的概念：1. 构件几何形状：等直杆2. 受力：与轴线重合的集中力3. 变形：轴线方向伸长或缩短横向缩短或伸长拉(压)杆的纵向变形 由杆件的拉压变形特性可知：由于制作材料存在一定的缺陷，当采用宽薄的拉条时，构件在受拉时发生颈缩，容易在节点附近产生撕裂，而不是断面破坏。由此拉条建议使用细条，不建议采用宽薄条。杆件受压时会有鼓胀的趋势，应当注意其连接与横向约束的布置。应力的概念单位： N/m2，帕（Pa）， 106Pa=1MPa， 109Pa=1

5、GPa， 适用条件： 上述公式对大多数横截面形状都适用； 但对于平截面假设不成立的某些特定截面,上述公式不适用。 实验研究及数值计算表明，在载荷作用区附近和截面发生剧烈变化的 区域，横截面上的应力情况复杂，上述公式不再正确。 关系到节点的处理 计算杆件受力并且设计杆件截面的简单例子：例 已知：F =16kN， = 120MPa。试选择图示桁架的钢拉杆DI的直径d。解：（1）受力分析（2）设计截面尺寸更多详细解法参照结构力学中的节点法和截面法 超静定为题：静定结构： 几何特征：无多余约束的几何不变体系。 静力特征：仅由静力平衡方程就能求出所有内力和反力。 超静定结构： 几何特征：有多余约束的几何

6、不变体系。 静力特征：仅由静力平衡方程不能求出所有内力和反力。静力平衡方程的个数<未知约束力的个数 解超静定的方法：位移法与立法，具体过程参考结构力学课本，在此只做介绍：力法：求多余未知力结构内力结构位移 位移法：先求某些节点位移结构内力 偏心拉压的概念：在模型设计与制造中，往往会出现一些偏心拉压的构件。特点：1. 偏心拉压能够引起杆件弯曲变形； 2. 在偏心方向的截面首先破坏； 在这里应当注意，在结构模型的设计中尽量避免偏心拉压设计，不到万不得已不要使用。 截面几何特征:静矩与形心位置 1. 静矩（或一次矩） (单位： m3 或mm3 。） 2. 形心坐标公式 极惯性矩与惯性矩：压杆稳

7、定性的概念：稳定：结构中的压杆保持设计常态。失稳：机构中的压杆未能保持设计中的姿态而提前破坏。理想中心压杆：1. 直杆（无初曲率）； 2. 无残余应力； 3. 压力无偏心。细长杆件的压杆失稳的现象： 1. 轴向压力较小时，杆件能保持稳定的直线平衡状态；2. 轴向压力增大到某一特殊值时，直线不再是杆件唯一的平衡状态；临界力：压杆失稳时，两端轴向压力的特殊值在确定的约束条件下，欧拉临界力Fcr： （1）仅与材料（E）、长度(l)和截面尺寸(A)有关，材料的E越大，截面越粗，杆件月短，临界力越高； （2）是压杆的自身的一种力学性质指标，反映承载能力的强弱，临界力Fcr越高，稳定性越好，承载能力越高。认识压杆稳定中的线长度：常见的几种压杆截面：注意其不同方向上的惯性矩是不一样的，可以通过计算得出，失稳破坏会发生在惯性矩较小的方向上。弯曲的概念：几何特点：等直杆受力特点：杆件受到垂直于杆轴线的外力（横向力）或外力偶（其矢量垂直于杆轴）作用。变形特点：1、直杆的轴线在变形后变为曲线；2、任意两横截