悬臂结构设计Word格式文档下载.docx

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（2）结构功能要求

所设计结构模型应能为承载板提供承载平面，承载平面必须在支承平面以上。

模型最低加载荷载不能少于5kg，最大加载荷载不能大于20kg（不包含挂篮系统重量），且必须承载20s；

模型竖向或横向最大挠度不大于跨度的1/10。

（3）结构立面形式的选择

结构最重要的功能，就是承受其生命全过程中可能出现的各种荷载。

因此，在选择结构立面形式中，为了能满足结构承载能力要求，我们做了以下几个方案分析：

图1立面形式比选

方案一、造型简单，但受力不合理。

方案二：

传力直接，但质量大，不美观。

方案三、稳定性较好，质量较轻，充分利用纸带很好的抗拉性能，实用性强，但传力略复杂，纸带的张拉难道大。

但经过反复试验和甄选，由构思中得到启发，充分考虑白卡纸的材料性质，以结构功能要求为基本出发点，从多种形式对比中，决定以桁架作基本形式，考虑稳定性等方面的因素，最终选择折弦式桁架作为结构的立面形式。

如图2所示。

图2最终模型

（4）构件截面的选择

由白卡纸材料性质及结构的功能要求决定了构件宜以受拉、压为主，而白卡纸的受拉性能较好，且拉杆不存在稳定性问题。

因此，构件的截面形式的选择应从受压性能最优的截面形式开始考虑。

可供选择时常见截面有圆形截面、方形截面、矩形截面等。

上弦杆主要承受较大的轴心压力。

从圆形、方形、矩形截面中考虑，圆形的受压性能优于方形，方形优于矩形。

但是，考虑到模型制作时圆形截面节点的处理难度较大（如图3所示），因此，上弦杆选方形截面为宜。

腹杆主要承受拉力和压力，但所受力的大小较上弦杆小得多。

因此，考虑到腹杆与上弦杆、腹杆与下弦杆之间节点的连接方面，为了便于节点处理，腹杆截面选为与上弦外包尺寸相等的方形截面（仅白卡纸层数不同）。

下弦杆以受拉为主，且拉杆不存在失稳的问题。

因此，根据白卡纸抗拉性能较强的优势，适当减小下弦杆的截面面积，故将其选为高度小于宽度的矩形截面，也易于进行节点处理。

图3圆形截面杆件连接示意图

1.1.2结构体系的选择

结构体系的选择主要从结构的整体稳定性出发。

该体系为图1所示的两榀桁架，通过横系杆在节点处将其连接成整体，并利用纸带做成拉条支撑弦杆，增强结构的稳定性。

这样，整个结构能够具有较大的横向、纵向的稳定性，使结构不至因偏心导致整体的倾覆。

1.2模型设计图纸

1.2.1结构作品效果图

效果图1

效果图2

图4方案效果图

1.2.2节点处理示意图

节点图

图5A节点处理示意图

图6B节点处理示意图

其他节点

图7其他节点的处理

1.3小组成员工作分工说明

结构构思设计：

全组三人

运用草图大师制图：

老卢

运用力学求解器求解：

叶总

承载能力验算：

许工

2计算书

2.1计算计算简图

结构的计算简图如图8所示。

2.2杆件编号

为了便于运用结构力学求解器软件对结构进行分析计算和数据分析，我们对结构的节点和杆件进行了编号。

各杆件的具体位置如图8所示。

图8结构计算简图

2.2.1构件截面尺寸

上弦杆：

方形，10mm×

10mm，厚度10mm

下弦杆：

矩形10mm×

腹杆：

拉条：

宽10mm，厚度10mm

2.2.2材料力学性质

参见表1，表2。

静载工况下结构的内力分析

2.2.3结构内力图：

图9轴力图（N）

图10剪力图（N）

图11弯矩图（

）

通过内力分析，可以看出，结构各杆件轴力较均匀，但在节点处发生突变，因此应在薄弱部位（如结构突变、节点处）予以加强，对最不利位置进行特殊处理，增加一定的刚度，防止破坏的发生。

2.2.4结构刚度计算

模型在竖向荷载作用下，产生相应的位移，如图12所示，为结构主要节点位移变化情况,各节点具体位移值见附录三。

图12位移图

2.3承载能力验算

2.3.1强度、稳定性验算

经大量试验得到不同长细比下的稳定系数，见表3。

表3不同长细比对应的稳定系数

长细比λ

10

20

30

40

50

60

70

80

稳定系数

0.93

0.88

0.78

0.66

0.59

0.52

0.48

0.37

1，拉杆

结构的拉杆均为纸带，计算承受最大轴力的53号杆件的承载力

满足强度要求

2，悬臂杆件

悬臂的回转半径i===6.46mm，杆件的计算长度为360mm，

==55.71，查表3由内插法得

悬臂在荷载作用下最大轴力=229.57（压）

+=+=12.78<

[]=16MPa

3,底柱

杆件的回转半径I===4.0mm，杆件的计算长度为200mm，

==50，查表3得

底柱在荷载作用下最大轴力为=206.54N（压）

==10.29<

[]=13MPa

2.3.2刚度验算

竖向荷载下结构变形小，经计算最大竖向挠度为37.66mm<

[f]=40mm,满足强度要求。

2.3.3承载力估算

1，强度、稳定条件控制的最大承重

材料抗压强度为=7N/m，荷载作用下悬臂受压杆件最不利，临界应力=5.43N/m，由此推出=20x=25.78kg

2，刚度条件控制的最大承重

20kg荷载下，最大挠度f=37.66mm。

本设计容许最大变形[f]=40mm,则变形控制的最大承重=20x=21.24kg。

考虑制作误差等缺陷影响，取安全系数。

则

=min｛｝/=22.30kg

这说明，在保证强度、稳定性和刚度的条件下，本悬臂结构具有足够的承载力。

2.4破坏形式的估计

对模型的特点及以上计算的受力分析，粗略估计该模型的破坏形式主要有以下两种：

（1）偏心产生的整体倾覆

由于模型的主体结构处于支座上方，重心较高，制作误差及加载过程中的偏差致使模型存在偏心作用，从而使模型发生横向的整体倾覆。

（2）局部损坏导致结构破坏

由以上的受力分析可看出上弦杆压应力较大，最接近其极限压应力，故在无偏心以及制作误差较小的情况下，上弦杆将最早达到屈服，从而引起结构的破坏。

附录一结构力学求解器输入源代码

结点,1,0,0

结点,2,100,0

结点,3,100,200

结点,4,100,400

结点,5,100,600

结点,6,100,650

结点,7,190,650

结点,8,280,650

结点,9,370,650

结点,10,460,650

结点,11,550,650

结点,12,460,600

结点,13,370,600

结点,14,280,600

结点,15,190,600

结点,16,0,200

结点,17,0,400

结点,18,0,600

结点,19,0,650

结点,20,-90,650

结点,21,-180,650

结点,22,-180,600

结点,23,-90,600

结点,24,50,770

结点,25,25,710

结点,26,75,710

结点,27,550,700

结点,28,-180,0

单元,21,22,1,1,0,1,1,0

单元,21,20,1,1,0,1,1,0

单元,20,19,1,1,0,1,1,0

单元,19,6,1,1,0,1,1,0

单元,6,7,1,1,0,1,1,0

单元,7,8,1,1,0,1,1,0

单元,8,9,1,1,0,1,1,0

单元,9,10,1,1,0,1,1,0

单元,22,23,1,1,0,1,1,0

单元,23,18,1,1,0,1,1,0

单元,18,5,1,1,0,1,1,0

单元,5,15,1,1,0,1,1,0

单元,15,14,1,1,0,1,1,0

单元,14,13,1,1,0,1,1,0

单元,13,12,1,1,0,1,1,0

单元,10,11,1,1,0,1,1,0

单元,11,12,1,1,0,1,1,0

单元,20,23,1,1,0,1,1,0

单元,18,19,1,1,0,1,1,0

单元,6,5,1,1,0,1,1,0

单元,7,15,1,1,0,1,1,0

单元,8,14,1,1,0,1,1,0

单元,9,13,1,1,0,1,1,0

单元,10,12,1,1,0,1,1,0

单元,21,23,1,1,0,1,1,0

单元,23,19,1,1,0,1,1,0

单元,19,5,1,1,0,1,1,0

单元,5,7,1,1,0,1,1,0

单元,7,14,1,1,0,1,1,0

单元,14,9,1,1,0,1,1,0

单元,9,12,1,1,0,1,1,0

单元,11,27,1,1,1,1,1,1

单元,27,10,1,1,1,1,1,1

单元,19,25,1,1,0,1,1,1

单元,25,24,1,1,1,1,1,1

单元,24,26,1,1,1,1,1,1

单元,26,6,1,1,1,1,1,0

单元,2,3,1,1,0,1,1,0

单元,25,26,1,1,0,1,1,0

单元,3,4,1,1,0,1,1,0

单元,4,5,1,1,0,1,1,0

单元,1,16,1,1,1,1,1,1

单元,16,17,1,1,0,1,1,0

单元,17,18,1,1,0,1,1,0

单元,1,2,1,1,0,1,1,0

单元,1,28,1,1,0,1,1,0

单元,3,16,1,1,0,1,1,0

单元,4,17,1,1,0,1,1,0

单元,1,3,1,1,0,1,1,0

单元,3,17,1,1,0,1,1,0

单元,17,5,1,1,0,1,1,0

单元,24,27,1,1,0,1,1,0

单元,24,21,1,1,0,1,1,0

单元,28,22,1,1,0,1,1,0

结点支承,28,3,0,0,0

结点支承,1,3,0,0,0

结点支承,2,3,0,0,0

单元荷载,16,3,1,0,1,90

单元材料性质,1,54,1,1,0,0,-1

附录二支架结构内力输出值

内力计算

杆端内力值（乘子=1）

杆端1杆端2

单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩

-----------------------------------------------------------------------------------------------

1137.754868-0.00000000-0.00000000137.754868-0.000000000.00000000

2-55.6305055-0.000000000.00000000-55.6305055-0.00000000-0.00000000

3-55.63050550.00000000-0.00000000-55.63050550.000000000.00000000

4208.6356090.00000000-0.00000000208.6356090.000000000.00000000

5181.020523-0.000000000.00000000181.020523-0.00000000-0.00000000

6-58.26117720.00000000-0.00000000-58.26117720.000000000.00000000

7-58.26117720.000000000.00000000-58.26117720.000000000.00000000

8-297.542877-0.000000000.00000000-297.542877-0.00000000-0.00000000

90.00000000-0.000000000.000000000.00000000-0.00000000-0.00000000

10-201.857965-0.000000000.00000000-201.857965-0.00000000-0.00000000

11-201.8579650.00000000-0.00000000-201.8579650.000000000.00000000

12-229.471537-0.000000000.00000000-229.471537-0.00000000-0.00000000

13-229.471537-0.000000000.00000000-229.471537-0.000000000.00000000

149.810163510.00000000-0.000000009.810163510.000000000.00000000

159.810163510.00000000-0.000000009.810163510.000000000.00000000

16-129.49532445.00000000.00000000-129.495324-45.00000000.00000000

17148.086639-0.000000000.00000000148.086639-0.00000000-0.00000000

180.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000

19-21.2136312-0.000000000.00000000-21.2136312-0.00000000-0.00000000

20-66.4468870-0.000000000.00000000-66.4468870-0.00000000-0.00000000

210.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000

220.00000000-0.000000000.000000000.00000000-0.00000000-0.00000000

23-0.000000000.00000000-0.00000000-0.000000000.000000000.00000000

24-138.3843680.00000000-0.00000000-138.3843680.000000000.00000000

25-115.458608-0.000000000.00000000-115.458608-0.00000000-0.00000000

26115.4586080.00000000-0.00000000115.4586080.000000000.00000000

27-164.6354480.00000000-0.00000000-164.6354480.000000000.00000000

28-136.864216-0.000000000.00000000-136.864216-0.00000000-0.00000000

29136.864216-0.000000000.00000000136.864216-0.00000000-0.00000000

30-136.8642160.00000000-0.00000000-136.8642160.000000000.00000000

31136.8642160.00000000-0.00000000136.8642160.000000000.00000000

32116.917229-0.04431110-0.00000000116.917229-0.04431110-2.21555484

33-192.2514490.02151937-2.21555484-192.2514490.02151937-0.00000000

34-41.97259790.06564636-0.00000000-41.97259790.065646364.26701339

35-42.0339300-0.081550764.26701339-42.0339300-0.08155076-1.03378588

36-72.01810710.08155076-1.03378588-72.01810710.081550764.26701339

37-71.9567750-0.065646364.26701339-71.9567750-0.065646360.00000000

38-206.5412370.00000000-0.00000000-206.5412370.000000000.00000000

390.15946354-0.000000000.000000000.15946354-0.00000000-0.00000000

40-206.5412370.000000000.00000000-206.5412370.00000000-0.00000000

41-206.5412370.00000000-0.00000000-206.5412370.000000000.00000000

42-21.21363120.00000000-0.00000000-21.21363120.000000000.00000000

43-21.2136312-0.00000000-0.00000000-21.2136312-0.00000000-0.00000000

44-21.21363120.00000000-0.00000000-21.21363120.000000000.00000000

450.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000

460.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000

470.00000000-0.000000000.000000000.00000000-0.00000000-0.00000000

480.00000000-0.000000000.000000000.00000000-0.00000000-0.00000000

490.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000-0.00000000

50-0.00000000-0.000000000.00000000-0.00000000-0.00000000-0.00000000

510.000000000.00000000-0.000000000.000000000.000000000.00000000

52169.7311700.00000000-0.00000000169.7311700.000000000.00000000

53176.5871460.00000000-0.00000000176.5871460.000000000.00000000

54137.7548680.00000000-0.00000000137.7548680.000000000.00000000

---------------------------------------------------------------------------------------------

附录三支架结构变形输出值

位移计算

杆端位移值（乘子=1）

单元码u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角

1464801.52789540.6644-946.156991417493.67782652.9209-946.156991

2464801.52789540.6644-674.187825459794.78128863.7601-674.187825

3459794.78128863.7601-473.918005454788.036-13788.8603-473.918005

4454788.036-13788.8603-1134.58226475651.597-127247.086-1134.58226

5475651.597-127247.086-2541.53192491943.444-355984.960-2541.53192

6491943.444-355984.960-3404.54439486699.938-662393.955-3404.54439

7486699.938-662393.955-3194.80416481456.432-949926.330-3194.80416

8481456.432-949926.330-3236.36777454677.573-1241199.43-3236.36777

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