辽宁省普通高等学校本科大学生-多层结构设计大赛计算书

2016年辽宁省大学生结构设计竞赛计算书作品名称：参赛学校：参赛队伍：参赛队员：指导教师：目录目录 概念设计1.1设计思路本次竞赛设计内容为多层结构，根据竞赛所给模型制作要求以及加载条件等内容，我们的模型设计思路如下。（1）根据模型竖向尺寸以及截面尺寸要求，我们选用四根长为1000mm、截面边长10mm的通长纸筒作为框架柱，每个结构层选用四根长220mm、截面边长8mm的方纸筒作为横梁，该竖向构件加水平构件定义出了我们模型的基本框架形式。（2）根据加载要求，该模型顶部需要承担10kg的竖向荷载，竖向加载稳定后，要继续进行冲击荷载加载，因此我们采用截面边长8mm的纸筒作为斜撑，来增加框架结构的平面内以及平面外稳定，提高模型的刚度，减小位移。（3）根据评分标准，我们在保证模型加载成功的基础上，尽可能降低模型质量，柱采用变截面卷法，根据受力特性纸筒分别采用单层和双层卷法。我们将结构形式选定为梁柱框架体系外加平面内以及平面外斜撑。1.2结构选型在确定结构模型设计总体思路后，我们借助有限元分析软件进行模型杆件受力变形定性分析，并结合模型加载试验，逐步完善优化我们的模型，达到位移与质量最优结合。模型优化过程如图1所示：图1模型结构优化过程第一种模型形式，纯梁柱框架，共五层，梁柱之间无任何斜撑。该结构只竖向加载，将荷载换算作用在平行两根梁上，ABAQUS计算结果如下图2所示。从位移计算结果可以明显看出，该结构在竖向荷载作用下，柱（竖向杆件）发生较大挠曲变形，特别是顶部两层。该种形式如果用卡纸做成，竖向荷载作用下就会失去稳定。该分析结果表明，我们需要增加斜撑。第二种模型形式，在纯框架的基础上，增加与撞击荷载垂直方向的斜撑。该模型分两次加载，第一次施加竖向荷载，第二次施加水平荷载。在有限元分析中，我们将冲击荷载换算成静力集中荷载，作用在第二层梁柱节点处。图3所示为竖向荷载作用下模型最大位移云图，模型位移较第一个有非常大的改善，结构稳定性大大加强，表面斜撑对于整个模型的稳定起到至关重要的地位。竖向荷载和水平荷载作用下模型位移云图如图4和5所示，最大位移比图3有明显增加，模型发生整体水平移动，没有明显薄弱点。结论是，该结构形式可以作为我们的试验结构。第一次加载试验，单向斜撑结构形式在竖向重物放在横杆上后，结构出现明显晃动，在铅球冲击瞬间，结构发生较大水平位移，甚至在节点处折断。经分析，数值模拟中结构刚度较实际卡纸杆件要大，并且模拟中将冲击荷载转换成静载荷施加，等等。这些因素造成了单向斜撑结构形式的模型加载失败。改进措施为在令一向各层设置斜撑，在水平向各层设置支撑，最终模型形式如方案效果图所示。该结构形式经受住了现场试验，并且位移较小。图2模型一最大位移云图图3模型二竖向加载最大位移云图图4模型二竖向和水平加载最大位移云图图5模型二竖向和水平加载水平位移云图我们的模型的创意点有如下几点：（1）卡槽处四根横梁：卡槽以下的模型结构作为上部结构的嵌固端，起到至关重要的作用。在卡槽处增设四个横梁，形成一层平面，既能缓解卡槽处在冲击荷载所用瞬间产生的集中应力，又能增大模型结构的整体刚度，从根基处保证模型的稳定。（2）底层交叉斜撑：在卡槽上夹具下，增设平行于冲击荷载作用方向的交叉斜撑。该交叉斜撑起到分担冲击荷载对水平横梁的作用，同时增强了两榀框架的平面内刚度，有效减小该部位的水平位移。该交叉斜撑的制作手法上也采用拉杆通长、压杆拼装的方式，来提高结构的强度。（3）夹具处横梁变截面：夹具处横梁分两个方向，垂直冲击荷载方向和平行冲击荷载方向。通过受力分析发现，平行方向的横梁承担主要冲击荷载，因此该方向两根横梁卷制时采用双层，而另一方向采用单层，在满足承载力的同时减轻模型重量。（4）隔层设置斜撑：上面三层各层垂直冲击方向不设置斜撑，从受力角度分析，该方向斜撑不承担竖向荷载以及水平荷载，但能够起到增加两榀框架平面外刚度的作用，在多次试验后，发现减少该处一根斜撑，并不影响模型结构的稳定。（5）柱变截面配置：为减轻模型重量，在卷制通长柱时，采用变截面卷法，在满足竖向承载力的同时，也满足刚度要求。1.3方案效果图图6作品方案效果图2计算设计2.1材料力学性质参数组委会提供的材料为230巴西白卡纸，其力学性质参数如表1和2所示。表1.230克白卡纸弹性模量名称种类层数弹性模量(MPa)230克白卡纸156.92148.2表2.230克白卡纸极限应力名称类型层厚(mm)拉应力（N/mm2）压应力（N/mm2）230克白卡纸0.322.27.02.2计算简图基本假定：（1）横梁和斜撑与柱的连接都视为铰接，结构视为桁架结构。（2）所有杆件视为各向同性弹性体。（3）钢球与轨道摩擦力为零，冲击时间为0.01s。图7模型计算简图2.3静力分析（1）横梁强度验算竖向重物：G=10Kg重物直接作用在顶层两根横梁上，可看成均布荷载，则每根梁上线荷载为：横梁跨中最大弯矩：横梁截面抵抗矩为：横梁最大拉应力为：该计算结果表明横梁截面强度不满足要求，但考虑到横梁与柱粘结节点与假定铰接还有一定差距，如果该处假定为刚接，这跨中弯矩减少一半，因此该处可以乘以一个系数0.75。，满足要求。（2）柱强度和稳定性验算四个柱子承担上部荷载，每根柱子分得的荷载为。则柱截面压应力为，满足要求。考虑柱子的长细比，柱截面等效半径为横梁作为柱子的侧向支撑点，所以取柱子长度为220mm，则柱子的长细比为：，小于60，可以不考虑压杆稳定问题。2.4动力分析考虑到所学力学知识所限，我们将动力分析转换为静载荷加载在模型上，来求水平位移。根据加载条件，利用物理能量守恒等原理，我们进行如下计算。铅球下落总动能：水平动能分量：下落后铅球水平速度为：根据碰撞定理：，假定撞击后铅球静止，撞击时间为0.02s，则冲击力为，单榀桁架受力利用结构力学求解器计算单榀桁架内力及位移。柱截面性质：横梁和斜撑截面性质：计算所得单榀桁架轴力、剪力、弯矩以及位移结果如图所示。（1）柱轴力柱底层轴力最大，则柱截面压应力为，满足要求。（2）斜撑轴力底层交叉斜撑压杆轴力最大，该斜撑杆采用双层卡纸卷制。则柱截面压应力为，满足要求。（3）横梁弯矩由于我们将模型简化为桁架结构，构件内部不存在弯矩，只是顶层横梁出现弯矩，查看弯矩计算结果，增加水平荷载对结构弯矩影响不大，这里就不再验算。（4）结构位移对比两种节点结构变形图，发现刚接的更接近现实模型加载变形，不过二者最大位移差不多。计算最大位移为80mm，结果偏大，与试验得到的差距较大。分析原因，结构力学求解器只能计算二维杆件，而我们的模型是空间结构，整体刚度较二维杆件会有很大提高，因此位移计算结果不准确。图8单榀桁架轴力、剪力、弯矩和位移计算结果3构造设计3.1梁柱节点为了保证柱子的整体性，在模型制作时，我们直接用卡纸卷制1000mm通长柱子，将横梁以及斜撑黏结在柱子上。在制作横梁杆件时，两端均留置一段长度，以保证能够有足够长度的卡纸粘结在柱上。杆件端口处用小刀分割成四瓣，分别与柱水平和竖向粘结。节点处理将很大程度上影响整个模型的效果，梁柱节点如图所示。图9梁柱节点实物3.2斜撑节点斜撑杆件部分受压，部分受拉，节点处理上都要保证斜撑与柱和横梁牢固粘结。斜撑不同于横梁，横梁杆件是垂直与柱连接，比较好处理，而斜撑与柱和横梁是成一定角度连接。我们的处理方式是将杆件端头割出三角形，如图所示。斜撑节点粘结实物如图所示。图10斜撑节点实物3.3交叉斜撑节点底层垂直冲击方向应用交叉斜撑，一方向承受冲击压力，该斜撑杆件通长，另一方向需要截成两段。为了保证它们之间的粘结强度，短杆端部封口，粘结在长杆上，并且外包一曾卡纸，将三根杆件连接成一体。详细处理，如图所示。图11交叉斜撑节点实物4模型加工图及材料表4.1模型加工图图12模型正视图、侧视图和俯视图将模型各杆件进行编号，如图所示，具体各编号杆件的尺寸和数量用下表3列出。表3各编号构件加工表杆件编号截面形状尺寸（mm）数量（根））重量（g）=1\*GB3①矩形8*8*1000417=2\*GB3②矩形8*8*220(双层)43.5=3\*GB3③矩形8*8*220（单层）162=4\*GB3④矩形8*8*318（双层）23=5\*GB3⑤矩形8*8*318（单层）122.55小结从分析题目，整理设计思路，到结构选型，反复试验，到最终确定结构形式，来参加全省大赛，历时将近一个月。这一个月里，组员们都付出了很多汗水，尽全力来完善我们的模型。希望该次竞赛，我们能够取得好的成绩。6参考文献[1]包世华，辛克贵，结构力学[M]，武汉理工大学出版社，2007[2]石亦平，周玉蓉，ABAQUS有限元分析实例详解[M]，机械工业出版社，2006基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制一种RISC结构8位单片机的设计与实现HYPERLINK"