结构设计大赛计算书.docx

1、结构设计大赛计算书高跷结构设计计算书作品名称参赛人员参赛学校专业班级指导教师1.设计说明 31.方案构思 32.结构选型 33.结构特色 52. 方案设计 61.设计基本假定 62.材料性能分析 63.材料截面选择 74.模型结构图 85.节点详图 96. 主要构件材料表及结构预计重量 113.计算机分析模拟 131.有限元模型的建立 132.结构静力的分析 133.变形图 144.自由度分析 155.应力分析 17四.结构设计总结 18专业整理1.总结 182.参考 181.方案构思模型主要承受选手 800N的竖直静荷载和在动载过程中的冲 击荷载竖向静荷载较容易满足，而竖向冲击荷载对结构的刚

2、 度要求高，同时要求结构能够承受一定的抗剪和抗扭能力。 通过合理的设计结构，从而保证结构在行走过程中有足够的 强度，刚度，稳定性。设计原则：考虑到模型的主要承载在 竖直位置，所以尽可能的利用竖向支撑的 4根立杆来提高模型的承载力，在立杆旁加细杆起到辅助支撑的作用，同时也 可以保证模型在行走转弯过程中的抗扭，抗弯性能。2.结构选型由于三角形具有较强的稳定性，而且在平面上容易找平，我们选 择三角形为主体结构框架，我们以空间刚架为主导。图1右展示了高跷结构中间位置的设计图。结构的左右两部 分为对称结构。如图1右所示，3杆为T截面杆，既能满足 结构的受力要求还能减轻结构的质量。 1杆为截面为12X6的

3、矩形截面杆，考虑到在动载的过程中1杆所受的弯矩较大， 所以采用b=6 h=12的方式以提高I值。3,4杆分别为立柱 和底座。图一平面刚架架之间通过横向系斜杆连接以防止面外失稳，增强了结构的整体性。本次比赛规定的尺寸为：高度 265mm、上平面长400mm 宽150mm、下平面长不超过 200mm 宽 不超过150mm。我们设计的结构的主要构件尺寸如图 4所示。3.结构特色这个名为漫步云端的结构是在我们制作结构对结 构进行试验的多次循环反复而后的出来的结构，它凝聚了 所有的试验所得的经验。它的优点（1 ）从结构外形来看，我们采用梯形做主体形状，受力均匀。载方便，上宽下窄，形状渐随着高度逐渐变化。

4、(2)针对结构的受力特点和位移情况，选择四边形子并且在柱内增加了 T字形柱，成为我们结构一大特色。(3 )主梁与底座之间相连时，节点通过端点延伸木条结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。(4)主要受力柱子采用简单的立柱经济实用。 受力均匀，加载 方便，质量轻巧，有效利用空间。二.方案设计1.设计基本假定(1)木条材质连续均匀。(2 )各个节点按刚节点计算，支座为固定支座。加载时竖直静荷载为均布荷载作用在整个层面上，后以此传递。(3)杆件计算时采用钢结构计算模式。2.材料性能分析木材本次竞赛中使用的桐木材料，有三种规格： 4 x 6mm、2 X6mm、1 x 55mm、2 x 4mm。

5、木材有顺纹与横纹之分，顺纹力学性能较好，抗拉强度达30MPa ,顺纹弹性41.0汉10 MPa。横纹力学性能则较差。在设计与制作过程中， 我组充分利用竹材顺纹的拉压性能，尽量减小对木纤维的破 坏。与其它材料相比，木材的延性较好，设计时做了充分的胶水根据赛题规定，502胶水用作主体结构的粘结，涂胶的质量直 接影响整个结构的性能，涂胶时应做到适量、均匀。502胶水的 腐蚀性较强，使用时要非常小心，且其挥发较快，涂胶之后 应马上粘贴，否则粘结强度将会受到严重影响。热溶胶热熔胶用于鞋与踏板，踏板与模型的固定，根据比赛规定， 如果在加载过程中有脱落视为加载失败。故研究热熔胶粘结 意义重大。在试验中发现，

6、热溶胶在模型与踏板中粘结性比 鞋与踏板中强。所以加强鞋与踏板的连接就非常重要。3材料截面选择主要受力柱采用立柱的形式，由 4跟4x 6mm的木条粘结而 成。形成外侧8 x 12mm 的矩形，保证抗压的同时减轻了材 料的质量。T形柱稳定性好，我们用 T型柱搭出上部的空间角锥体，使 结构整体稳定。T形柱由6 x 8mm腹板和4 x 6mm翼缘组成。 外围4根斜柱由3根4 x 6mm 木条粘结而成。形成 6 x 12mm 的矩形，即保证了抗压又保证了抗弯性能。结构内部用斜柱 由2根4 x 6mm 木条粘结而成，与结构内部立柱相连，增加 结构在行走转弯过程中的抗扭矩性能。在结构外形的选择方面，考虑到此

7、高跷结构需承受较大的竖向荷载，结构底座的受力最大也最为复杂。因此底座采用截面为8X12的杆件制作，中间十字架由两根粘结好的 6 x 8mm杆卯榫相连，有效的加强底座连接强度。了结构图 1展示了 底座结构的设计图4.模型结构图（如图二）图二5.节点详图高跷主结构通过502胶水将杆件之间进行连接。这里列出了 五种支座连接节点的构造形式，包括四根杆件相连接的复杂 节点、底座外框连接节点、立柱与底座连接节点、底座十字 架加固连接点、斜撑杆与外框连接点。各自在结构中的部位 及其构造实体图如图三所示。节占1/节点2图三节点1内 节点1外节点4 节点56.主要构件材料表及结构预计重量（表一）3斜柱6 x 2

8、60m 28mm m4底座外框长150mm12mm短134mm5底座内框12mm134mm6立柱12mm248m支杆表结构预计重量：单个95g三.计算机分析模拟3.1有限元模型的建立在进行结构内力分析时按空间刚架结构进行计算。 由于本高跷结构材质为木材，节点处连接主要靠胶水进行粘连，连接牢固，按照刚接计 算较为合理。所以本高跷结构在进行内力分析时，主结构设为杆单元 计算。由于涉及杆件很多，且超静定的特性，通过手工计算难以获得 其准确的计算结果。为此，我们根据确定的结构形式、杆件截面以及 材料属性等设计参数，在大型通用有限元分析程序 ANSYS中建立结 构的分析模型。3.2结构静力分析由于我队的

9、静载和动载选手体重为 80Kg，因此在设计时单个高跷结构的承载力为800N。具体的各点受力情况为：在上图的有限元模型中在矩形中间点的受力为 200N，其他边上各点的受力都为100N。331变形图LOAD STEF- 1 SUBSTEP- 1TIME* 久.0009 LOAD CASE* &NODAL RESULTS ARE FOR MATERIAL 1THE FOLLOUthtG UALUES： ARE IN GLOBAL COORDINATESNODESKSZSXZ0.67974E-0G 0.466&2E*66-0.50075E*0G 0.19012E*07 0.30246E106H0&：&

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11、6-0r52438E -0,25404E 01 373?4E+O6-0,77601E+06-0-29597E+06-0.48430E+063.321自由度分析ANSYSHODAL SOLUTiaK(WIG)WOV 21 201322:03:435TEP1 STJB M TIKEwlSX EL5Y5=ODHX5WTSHX-L&E+fl7-114E+07 ,216E+d7-.098231 =-*244E+O7-244E+07 -Hi2E+07 -3 96730-P193E+Q7 一日口7803 XX437口LOAD STEP= 1 SUBSTEP=LOAB CASE= 鮭NODESiS2S3SIN

12、TSEQU1Q.19648E+*36-M.l?152E+W6-S3.2?294E+*3?.29258E+B7B.276B5E+B72.639S9E+6-51576.-0.17711E+7.24102E+070.21871E+073.33102E+06-46222.-8.1363BE+07.16940E+07W.156a2E-B?452613.-S.18210E+H6-0.2229BE+S7.22816E+H70.21745E+H75-1882.4-33389E+H6-*3.lll?5E+?.11156E+070.1B472E+076fl.55268E+B6-0,13332E+06-0.215B

13、7E+B7.27S33E+70.24579E+B77.l?33?E+*37-35H&9._輕-2B831E+07.38168E+070.33419E+078fl.12139E+6-5579.-0.69380E+B6.81519E+60.75963E+B69.455?2E+*36-W.66889E+W6-a.20834E+07.16277E+B?0.15367E+071駅.5889E+6-42&99.-0.15556E+B7.21437E+CT0.19464E+0711.36185E+*362?191.-8.12?21E+*3?.16339E+B?W.15123E-B?12.31932E+6-1

14、253.4-0.12752E+CT.15945E+B70.14788E+B713野.33511E+6-48542.-W.14199E+B7.l?551E+?14-34731.-2186E+M6S.19879E+OT.19532E+CT0.18720E+B715.5H493E+y636129.-a.98843E+06a.14934E+a70.13567E+073.322自由度分析PRINT IJ NOtl. SOLUTIOiNl PER iNODt*n rOIl NODAL BEGREIE OF FREED0I1 LISI I NG wwmLMBi STEP- 1 SUBTEP- 1TltlE-

15、 i-0000 LOAlD CASE- THE FOLLOWING DEGREE OF FREEDOM flKULTS RRE H THE GLOEAiL COORDINftTE SKSrEMNODE UK1L 0.42507 29SE+07 曲 92E+Q7 S9E+07 S 86E+0 7FileHODEUKUUM029-l?H2-R.79t&3：E-01-0-3!fl29BE-Bl0肌眄E-0111130 ?fi332：E-0i -fi 43&9?-ai0 b43B52E-(K-H . 77551E-01 -0 3?567-1B uSBaSTE-W-EL &G 33：E-03 -B 45

16、5731- B4B.1S253E K-0.1G7S2E Q2 EHId MUUiU V rWl? W0 布岂 lEE-fK-B Z?71?E-01 -0 a-401t-Bl0 715?E-W B. Z72JE 01 Q 2O926E- Bl0.747S6E B2 .Z91?ZE QI 9.2171 Bl取帕虧亨E-ftia.87177E-l0.SB461E-030.MIM7E-010.38?t3E-Blttl.乩如1.2EE-01lb-0 启制石厲*-* 25?6&E-02 -5515-03-0 譚毗 3E-ttE-HI. 32?47E-02 8 42&B51-B31?0i10741Effi-

17、J1779,E Q2 0.3ffl：7tl B40.20791E-821HB.997-fi9-0.tG7aGE QJ Q.493G8I 阴la.enefE-fio4.结构设计总结总结根据以上理论分析和模型试验，表明本次设计所选用的结构体系是合 理的，构件的强度、刚度和稳定性均满足设计要求，且质量较轻。回 顾这一个多月来的备战，我们收获颇丰。在备战过程中，我们对于结 构概念布置、结构抗震设计以及结构分析等方面都有了较深的认识， 同时将所学知识应用于实践。在模型制作出来之后我们队的队长张帆 积极的进行动载测试，通过了多次的动载他积累了很多在绕标竞速中 的技巧。在失败的时候，我们并没有气馁，在成功的时候，我们欢欣 鼓舞，更有信心去迎接进一步的挑战。在这个过程中，我们也深深体 会到了团队合作的重要性，哪里有困难大家都积极地思考、解决。参考书目材料力学第四版刘鸿文主编 高等教育出版社结构力学第三版龙驭球主编 高等教育出版社木结构设计原理 潘景龙祝恩淳中国建筑工业出版社2.应用软件AUTOCAD2007Solidworks2010Ansys14.0