黄祖慰第五届全国大学生结构设计竞赛总结技术版.docx
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黄祖慰第五届全国大学生结构设计竞赛总结技术版
第五届全国大学生结构设计竞赛总结
（技术版）
黄祖慰20080537
5th国赛的作品，是总结了4th国赛的失败教训，以降低模型量为重点的模型设计和制作成果。
我们通过不懈努力，终于到达了目标。
在这次比赛中，我们研究出了一些先进的模型设计和制作技巧和积累了更多的设计和制作的经验。
在此，我将通过模型从无到有的整个过程进行具体的介绍。
一、研读赛题
读懂题目在结构设计竞赛中是一个最基本的要求，要做到对赛题的点点滴滴熟记于心，并且从规则中发掘模型设计的切入点。
要想获得大奖，就要对题目认真分析；努力寻找漏洞显得相当重要，是一条迈向成功的捷径。
在本次结构设计竞赛模型中，整体铁块，虚悬挑梁等都是针对题目漏洞而设计的，为模型重量的减轻做出了重要贡献。
二、准备制作工具
所谓公欲善其事必先利其器，要想做好一个模型，一套好的工具是必须的。
在制作模型初期，选手可以采用非比赛指定工具来制作模型。
虽然赛题中已经明确规定了制作工具，但是由于提供工具的局限性，有些很好的想法不能够在模型上做出来。
我的建议是，先使用的工具，把想法尽可能表现出来，等到模型初步定型后，再使用比赛指定工具，寻求达到同样效果的模型的制作方法。
为了提高制作精度，画线笔可采用0.38mm的水笔。
三、研究材料特性
所谓知自知彼方能百战不殆，在制作模型之前，必须先对材料进行分析，了解材料的特性，由此得知材料的实际力学性质和可加工性质。
下面我就罗列我对本次比赛的复压竹皮、竹制底板和502胶水的性质研究的一些心得：
1、复压竹皮在顺纹路方向存在连续纤维，利于受拉。
但是顺纹容易被撕裂。
2、规格为0.2mm的竹皮为单层竹皮，应注意竹皮上存在的竹节的薄弱点，应尽量避开；此种竹皮，一面为光面，一面为毛面，粘贴时，光面的粘接速度要快于毛面，但是最终粘接紧密性毛面为优。
使用单层竹皮作为拉杆，存在风险，北京交通大学的模型是个典型例子。
3、规格0.35mm竹皮由一张0.2mm和一张0.15mm竹皮复压而成，其两层粘结的紧密性大于0.5mm的竹皮。
适合作为拉杆，比较安全。
在选着此种规格竹皮作为拉杆时应当注意竹皮里面的竹节，在正反两面，竹皮上的节点不能重合，在做出拉杆后应当注意并进行筛选。
4、
规格为0.5mm的竹皮，两层粘结紧密程度较0.35mm规格竹皮低，选择材料时，应该选择竹皮粘结紧密性高的。
紧密性不高的竹皮，在制作过程中容易造成杆件局部稳定性低，对模型质量有重大影响。
5、尽量选着表面平整的竹皮，在搬运过程中尽量避免卷起竹皮，以防止横向纤维的破坏。
6、湿度对材料的影响不容忽视，经过试验，发现复压竹皮在湿度上升时，顺纹的变形量比横纹大。
由此，为了尽量减少湿度对整体模型的影响，切割竹皮时，应该尽可能平行于竹皮的顺纹纹路，若不，则模型在做好之后会出现扭曲现象，对模型性能的发挥影响很大。
7、竹制底板的表面是覆盖了一层0.5mm规格的复压竹皮，由于复压竹皮两层之间的紧密度不高，容易分离，制作柱脚时应当特别注意对柱脚进行处理。
8、502胶水对模型重量的贡献大，通过实验得知一瓶502能使模型增重2.8克。
在制作模型时，应该注意胶水的用量，并不是越多越好。
胶水多了，干得慢，还会影响粘贴效果。
正确使用方法是先在要粘接对象的边角滴加少许，等干后再按情况进行补胶。
此次国赛模型的一般用胶量为1瓶。
9、开启502瓶子的时候，应该先用手指轻弹几下瓶嘴，再用针扎孔，这比使用导管效果好。
10、在这里更正一个谣言，502的使用其实不会使得材料变脆，反而会带来一定的韧性（在顺纹方向表现明显，而在横纹方向上起的作用不大）。
之所以有人用了觉得变脆，是由于涂抹不均匀，导致材料的受胶程度不一致，而在材料内部产生预应力。
四、模型的设计与定型
在第四届比赛失败的教训下，我的设计路线是尽可能控制模型自量。
设计的原则是模型中每个部分都要有用，最好做到一物多用，让材料利用率达到最高。
在选拔赛之初，我选着的模型结构形状是三角形，缘由是要减少一根柱子，降低各层梁的周长已到达减轻质量的目的。
后来看到的小4边形截面同样能够起到这两者效果，并且在模型抗扭性和质量稳定性上比三角截面模型优越，因此引用其形状。
在选拔赛后期我曾经跟老师提到过的悬挂结构类似于东南大学二队和北京交通大学的作品，由于对赛题的核心筒的概念把握性不准，固不敢采用。
在模型形状定下来之后，下一步的任务就是合理规划各种杆件的材料构成、形状、尺寸，以达到降低模型重量和提高模型性能的目的。
五、模型杆件的选用
下面分别对柱、梁、拉条的选用进行说明。
1、柱
在这次比赛的准备过程中，有两种截面形式的柱子可选择，即矩形截面和三角形截面（圆形的一开始便被排除，做起来不方便，难度大，质量不容易控制，且节点处理困难），在截面一定的情况下，柱子在长度方向上还有等截面和变截面（均匀变化与突变）。
对于已经定型的模型进行分析，对可得知使用三角形截面柱的优势。
首先，整体模型截面为4变形，在各层的楼板面上不设交叉拉条，即楼面为一几何可变体系。
若柱截面为矩形（也为几何可变，在与梁连接时可看成是铰接），楼板节点成为弱节点，在震动的时候，不稳定性因素多，容易造成局部失稳而导致整体失稳。
三角形截面柱在这一点上就很好地解决了这个问题，三角形截面在是静定结构，当与梁连接时形成的节点刚度大于前者，效果也会有所改善；其次，为了达到以柔克刚的目的，柱的线刚度也不需要太高；再次，三角形截面柱用材剩，502胶水用量低，对减轻模型重量的效果非常明显；最后，由刻痕制作方法决定，在以下杆件的制作的篇章中会具体说明。
变截面柱的应用，很大程度上能够充分发挥材料的性能，间接增大了材料的利用率，从而降低了模型重量。
对于突变截面柱，在节点处容易造成应力集中，试验效果也不好，所以放弃使用。
最终决定使用的柱子类型为三角一次线性变截面柱。
材料选择为0.5mm竹皮。
尺寸见设计图。
2、梁
梁的选用根据受力分析最开始有四种，T性截面、H型截面、矩形截面、三角形截面。
T型截面梁在静载的下效果不错，但是施加震动荷载时，梁的变形量较大而引起模型变形量变大，造成“弱梁强柱”型破坏，故放弃使用；
H型截面，在对抗震动的性能上优于T型，但是在整体模型截面的稳定性上还是达不到要求，故放弃使用；
由于制作方法的限制，加上梁的尺寸过小，三角形截面梁的质量不稳定，为求保险，故放弃使用。
矩形截面梁性能优越，刚度容易调节，经过反复试验并且改变尺寸，能够尽量避免弱柱强梁和强柱弱梁两种破坏，在震动荷载下使模型表现良好。
由一般梁的静载下受力特点，材料选择为：
除了第四层受压区采用0.5mm外，其余梁受压区采用0.35mm规格竹皮，两侧0.35mm规格竹皮，受拉区采用0.20mm规格竹皮。
并由楼板荷载大小决定梁的高度，具体尺寸可见于设计图。
3、拉条
选择材料为0.35mm规格的复压竹皮。
特别注意的是被复压的两层竹皮之间的竹节不能重叠。
六、杆件的制作
杆件的制作，关键步骤为三步，即画线，切，粘。
三个步骤都非常重要，关系到模型的质量。
在这里预先有几个注意事项：
1、画线：
必须准确，一条线要一次性画完，不能断断续续。
2、切：
切割时一只手必须用力压紧尺子，并且在切割过程中不能挪动尺子，下刀时应当注意刀片必须与切割面垂直，刀剑切向线的中央，切好的竹皮两侧都应该存在之前画的线。
3、刻痕：
一只手紧紧压住尺子，使用刀背现在线上轻划一刀，确实对准线条，再用力刻。
刻痕需要大量的练习，才能达到理想的效果。
下面将在柱、梁、拉条的制作过程中分别具体介绍。
1、柱
柱子为三角形一次线性变截面柱，应当注意到柱子模板的每个面都为梯形，画的时候应该先把对称线画出，方便检验图形的正确性（容易看出尺子是否弯曲）。
由于折叠后截面边长的改变，经过试验得出中间梯形的上下底边应当比两侧的梯形上下底边长0.5mm，这样方可做出一个正三角形截面。
由于长度方向的尺寸远远大于截面尺寸，所以角度φ可以忽略。
在这里应该注意的是：
在竹皮上画线时，两个柱子的模板之间应该存在一定的距离，方便以后切割，在距离侧边4mm上再画一条线，方便以后粘贴。
在画完正面的线之后，把画好的大模板割下来（即从底到顶长一米的模板，大模板上一共有大于4个制作柱子的小模板），把大模板反面放在一平整的面上，按照层高和梁的设计高度在背面画出来（这样一次性就能够把若干根柱子梁的粘贴位置画出来，方便又准确），接着翻到正面，用刀背对柱子的各个分界线进行刻画，刻痕的宽度应该是0.5mm、深度最好是0.3mm，相当于可破一层竹皮而刚刚触及第二层，值得注意的是，1000mm长的刻痕不可能一次性刻出，在间断出应该保证连续，不能出现“道岔”。
这样，折叠起来效果好，并且很少开裂。
最后割下各个柱子的模板。
在划好刻痕之后，就要对各个面进行折叠，折叠的速度必须慢，而且要时刻注意折叠后的效果，少许开裂属于正常现象，但是注意不要造成连续开裂，每个柱的模板只折叠两条刻痕（即三个梯形夹着的那两条），留下另外一条另有用处，十分关键。
在折叠完刻痕过后，就要进行粘贴。
粘贴前，必须确保把模板在平台为一平面上，尽量不要悬空，把一梯形裸露的边卡到没有被折叠的刻痕里面，把端点对齐，用少许502胶进行固定，按4厘米左右为一单元进行粘贴，粘贴过程中，应当均匀涂抹502，不宜多涂，并时刻注意已完成部分是否笔直，有无扭转现象，若有，应当及时调整（施加一些与变形放向相反的力，再在已经粘好的地方涂抹胶水，这就是刚开始涂502量少的原因，开始的时候涂多了，调整就不会起作用，调整的时候也不能多涂，因为还有第2次调整）。
当粘贴完毕后，用小刀刀片贴着柱边把多余部分割去
割去之后，即使操作得很好，也会发现柱子存在少许的扭曲变形和弯曲，视情况进行调整（放在平整的平面上，一端贴面，能观察到另一端由于扭曲而造成的角变形，假如提高端离平面距离小于2mm，则扭曲控制合格；假如柱子一端贴紧桌面，另一端弯起高度小于5mm则合格，在这里需要注意，检查弯曲变形时三个面都要检查），调整方法与上述调整原理一致。
在调整完之后，应该检查折痕处均匀滴加502胶水。
以保证两个相邻面的紧密连接，同样，要控制胶水用量。
只要按照上述方法制作的柱子，按照正常人的手工来做一般都会合格。
这种柱子有两个很大的优点：
一是面与面之间的粘贴痕的接触面大，二是由于有大于半层的竹皮没有被切断，其作用无异于箍筋。
效果如图所示（并非真实尺寸，仅作示意）
2、梁
梁的制作主要是制作箱型梁。
由模型的设计图可得，需要材料的最大长度为126mm。
因此，先可在0.20mm、0.35mm和0.5mm规格的竹皮上各取一段顺纹方向长度为130mm的竹皮，作为制作梁的模板的基础。
根据设计尺寸，依次画线。
画线的前应该规划好先后，例如底层的横向联系，第二层楼板，第三层楼板俯视图投影的宽度，其受压区应该画在一起，方便统一画出其两端的角度（由于要和三角截面柱连接，所以必须存在一定角度，才能做到完好连接）。
在画完模板后，对线条进行切割，一次性切割完毕，并且分类好，为粘贴做好准备。
粘贴竹皮时将箱型的侧面的一侧粘在受压区竹皮的下边缘，注意必须在整个线长度方向上保证粘贴垂直，涂胶的时候握着竹皮模板的手不能对竹皮施加大力，只要轻轻贴住就行，若用力，则容易造成梁的弯曲变形。
当完成两个侧面的粘贴之后，将已经贴好三面的梁侧放在一个平面上，去已经切好的0.20mm规格的竹片模板以毛面向里靠在梁底，然后进行粘贴，贴完一条边再把梁反转过来贴贴另一条边，粘贴最后一条边是应该注意梁是否纯在扭曲，弯曲现象。
若严重，则不合格，若有少许偏差，可以通过粘贴的最后一条边的时候进行调整。
当所有的梁粘贴完毕后，裁剪40片10mm*10mm规格为0.20mm的竹皮，以毛面粘贴于梁的两端，等粘贴牢固后剪去多余突出部分，使每一根梁变成一个封闭体型。
这个做法对接下来的拼接工作有很大帮助。
3、拉条
拉条最长长度（包括制作需要）不超过33mm，因此应在0.35mm规格竹皮上按顺纹方向截取350mm的一张竹皮，然后在从一侧开始画线，每隔3mm画一条线，一共画36条，应需要24条拉条，多出来的作为备选。
切割完后认真检查每根拉条的正反两面是否存在重叠的竹节，若有，则不合格。
七、杆件粘接
当一切杆件都准备好之后，就要进行粘贴工作。
在粘贴之前要注意柱子上的梁的粘接位置是否画对（在制作柱子时已经顺便画过的），若正确，则继续。
此时应该注意到四根柱子都存在一个粘接缝和两条折叠缝，粘接时柱子的粘接缝应该朝向模型内侧。
从俯视图上看，每一根梁都应该是一个梯形，粘贴时应该注意到长边靠外，短边靠里，长边一侧应当与模型外轮廓对齐，且尽量保证梁与柱子垂直。
粘接工作所用502胶水必须少，能沾上就行，不要外露到外便面，方便以后的节点处理。
粘贴步骤如下：
1、先选取一根柱子，找来对应楼层的梁各一根，在柱子要粘接梁的位置上滴一小滴502，然后迅速将梁往上贴（注意梁的受压区应该朝柱顶方向）；
2、取第二根柱子，与步骤1已经做好的部分以同样方法粘结起来形成模型的一个面。
粘接时应该注意不要让其形成的模型墙面翘曲，且注意粘完后应该是一个矩形，若不是，在粘贴时就要注意调整；
3、重复步骤1、步骤2的工作，做出两个面；
4、用对应的梁将已经做好的用对应的梁连接起来，方法是先在一个墙面上把对应的10根横梁粘上，再让其侧放，类比粘贴梁的方式把墙面粘贴上去。
粘贴时应该时刻注意模型整体是否出现扭曲现象，模型的横截面上的梁与梁之间是否垂直，若存在偏差，在粘贴时应该注意调整。
5、把横梁和柱子粘贴完毕后，将模型立起来，四根柱子的柱脚应该在一个平面上，若不在，则是先前步骤没有做好，若有柱脚提离小于5mm则合格，否则不合格，模型重做（一般前面每个步骤都注意调整不会造成大的误差）。
八、节点处理
1、梁与柱相连接点：
节点的处理采用规格为0.20mm竹皮制作，在顺纹路的方向下切割18mm*4mm的竹皮，一共20片。
粘贴的方法是先在柱子与梁相连接的节点处涂抹一小滴502胶水，然后迅速用切好的竹皮的毛面的中心以顺纹路方向垂直于柱子，粘上去，此时，节点加固片会有一部分超过柱子大约4-5mm，接着在两个两端滴少许502胶水，然后把节点处理片两端突出部分往梁上轻轻地紧贴着外轮廓弯折过去,在这里重点强调502胶水不能够粘到节点处理片的外表面，否者会影响到拉条的粘贴效果。
2、柱脚处理
由于竹板表面是粘贴这一层0.5mm规格的复压竹皮，两层竹皮的纤维容易分开。
再者由于截面的尺寸小，在震动变形的时候内力较大，容易造成柱脚提离。
在此，由多次试验得到了最简便且有效的处理方法：
每根柱子的每个面采用8mm*20mm的规格为0.2mm复压竹皮来进行粘贴，毛面贴向柱脚，只贴一半，另一半则在柱脚出弯折90度（不能使劲弯过大的角度，竹皮容易断裂），粘在竹皮上。
每个柱脚3片，一共12片。
把柱脚粘贴在竹板上之前一定要在竹板上画好准确的粘贴位置，并且适时调整，务必使4根柱子笔直，模型截面保持正方形形状。
粘贴时的时候应该先把在对角线的两个柱脚粘上，再粘贴另外两个，边粘边调整（还记得在国赛时，出于谨慎，这个4个柱脚粘了10多分钟）。
九、粘贴拉条
拉条的粘贴位置根据设计图，这个里就不详细介绍。
粘贴方法是先把拉条放在要粘贴的位置比划一下（把拉条两端直接粘贴在节点处理片上，端部适当加长），定个角度，按住一端，滴加少许502胶水，待干后，再对另一端进行粘贴。
粘贴另一端时，必须注意使用的拉力，只要把拉条绷直即可，切不可施加预应力。
若粘贴拉条前，模型整体有少许弯曲和扭曲现象，可通过对拉条施加拉力进行调整（力不能大）。
一十、小构件
1、次梁
根据设计尺寸的大小，在第二层楼面和第三层楼面镂空面积大于铁块平方面积，因此必须设置次梁，次梁是由0.5mm规格的
复压竹皮做成的T梁。
此T梁由长为38mm、宽为3mm的翼缘和长为30mm、高为4mm的腹板组成，一共8根，分别粘贴于梁端，与梁成45度。
此次梁除了有支撑铁块的作用，同时还承担着节点加固的作用。
它能够与节点处理的外贴片配合，使节点三向受力，从而使得梁与柱粘结稳固。
2、辅助节点处理小拉条
这里所介绍的小拉条效果类似于上述T梁，但是少了腹板（不需要承担竖向力），而且长度为20mm，用于第4层楼面和第5层楼面的节点处理。
假若模型整体截面呈菱形（模型截面必须呈正方形，否则放铁块的时候铁块很有可能会贴到柱子上从而造成犯规），可通过这两种小构件对模型的截面形状进行调整。
一十一、虚悬挑梁的制作
所谓虚梁，望文生义，其可定义为梁，但是在模型中无承载能力的构建。
第四届国赛中也出现了几乎不起作用的檩条，估计以后的比赛中还能用到。
为了保险起见，虚悬挑梁应采用由0.35mm规格竹皮，根据设计尺寸设计而切割成2.5mm宽的长条。
在粘贴虚悬挑梁的时候，梁端应该是搭在主梁上（接触长度大于4mm）粘结，必须适时调整虚悬挑梁的弯曲程度。
把自然弯曲的地方用与弯曲方向相反的力使其恢复平整，并用502进行加固处理。
经过多次调整，虚悬挑梁便会和楼面水平。
此外，在虚悬挑梁的节点上必须多加点502胶水。
一十二、比赛现场应该注意的问题
1、选择材料时应当注意材料的密度。
方法是先在校内称好之前用过的标准竹皮的重量，用校内的数据和比赛现场的材料进行比较，由此挑选材料。
坚决不用质量差的材料；
2、注意比赛现场的尺子是否笔直（比赛中的最大问题，很多队伍都在抱怨，但是找不出解决办法）。
这个问题是在这届比赛中才发现的，1米的直线画下来中间竟然能突起5毫米，严重影响制作质量，甚至无法做出合格的柱子。
并且在换了N把尺子都存在同样现象。
幸好当时我急中生智，想出了办法：
选出两条弯曲程度差不多的米尺，将其中一把尺子反过来让它们的弯曲方向想反，然后两端用力夹紧，这样尺子就直了；
3、不能让其他学校的同学触碰模型的任何部件；
4、队员必须时时刻刻一起出现在比赛现场；
5、搬运模型必须小心，注意脚下头上；
6、赛场上要维持平静轻松平和的心情，不能紧张，影响制作效果。
旁边的中南大学，得知有几所大学做的作品很轻，就当场改设计，把柱子磨得很轻，结果第二级加载就失败了，痛失一等奖。
一十三、肺腑感言
国赛准备的过程中，模型的设计与制作关联紧密，队员之间分工明确其实是一个错误，设计是基于制作和试验而不断改进的。
理想的队伍应该是每个队员都即是设计者，同时也是制作者，这样才能让效能达到最高。
一个人单干的很辛苦。
很多同学说手工好才能做好模型，这个说法是错误的，模型的好坏取决设计和高超的制作方法，制作方法能够弥补手工上的不足。
“多说话，多干活”才是取胜的王道！
Lastbutthemostimportant,在此感谢李力，潘毅，杨成等指导老师和一切为比赛做出贡献的人们。
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