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1、目录设计任务书1 设计说明书11.1 设计构思11.1.1 结构造型构思11.1.2 结构体系的选择5 1.1.3 结构特色说明.61.2 模型设计图纸71.2.1 结构作品效果图71.2.2 结构布置图81.2.3 主要构件详图及节点图82计算书112.1计算简图112.2结构计算假定和各个单元物理参数112.2.1计算假定112.2.2构件截面尺寸112.2.3材料力学性质132.3静载工况下结构的内力分析14 2.3.1结构强度计算14 2.3.2结构刚度计算172.4承载能力验算18 2.4.1强度验算18 2.4.2刚度验算19 2.4.3稳定性验算192.5承载能力的估算19 2.
2、5.1稳定条件控制的最大承重G1 19 2.5.2强度条件控制的最大承重G219 2.5.3刚度条件控制的最大承重G3202.6破坏形式的估计20 小组分工说明.20附录一结构力学求解器输入源代码21附录二 结构内力输出值23附录三 结构变形输出值251.设计说明书1.1 设计构思 本次设计根据设计任务书的要求，从白卡纸受力性能特点出发，由于白卡纸较抗拉不抗压，杆件较抗拉、压不抗弯、剪、扭，选择符合其受力性能的支架结构和悬臂结构，使白卡纸的在受到充分荷载作用下才破坏，最大限度地发挥材料的能力。另一方面白乳胶会使白卡纸出现一定的性质变化 在结构选型问题上，不仅要考虑到理论上的受力，也要注意制作工
3、艺的难度，如果工艺复杂要求高，我们很难在实际上达到预期的效果。所以要稳定承受荷载的情况下，利用抗拉、抗压和抗弯性能，及纸带的抗拉强度高特点，选用结构简易，制作难度小，材料精简的原则来考虑结构的设计一座悬臂长440，柱高800的纸质悬臂结构。1.1.1 结构造型构思（1） 材料强度分析纸质杆件的抗弯剪能力比较弱，因此，设计结构时应尽可能降低由荷载产生的弯矩和剪力。由表1、表2可看出白卡纸的优点：拥有较强的抗拉性能；结果理论分析结合实际，白卡纸制成的杆件抗压性能也较强。因此，结构体系的杆件受力应考虑以受拉和受压为主，而减少弯剪效应以充分发挥白卡纸的受力性能。表1 230克白卡纸弹性模量名称种类层数
4、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)备 注230克白卡纸0.322.27.0受压计算时需考虑长细比对稳定的影响（2） 结构功能要求模型的受力条件：在悬臂端指定位置施加一个集中荷载，最低施加的荷载不能少于5 kg，最大不能大于20 kg。根据任务书的要求和所给材料及制作工艺难度选择斜拉式悬臂结构。为保证结构较大整体变形和失稳，在节点、加荷位置、应力集中位置都要具有较高的刚度，防止杆件局部受压造成塌陷。此结构需要拥有足够大的强度、刚度及稳定性，应用刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，
5、兼顾外形美观，结构才质均匀，做到结构自重相对较轻，安装容易。（3）结构立面形式的选择 悬臂结构，结合塔吊的受力原理，我们选择塔吊的结构形式，将起重臂拉绳及平衡臂拉绳传来的上部荷载，通过塔架结构传递给塔身结构。这样有效的将悬臂端的荷载产生的弯矩尽量的转化为纸带的拉力和杆件的压力。图1 塔式起重机利用斜拉平衡力的道理,将悬臂两端的力通过抗拉性能良好的白卡纸传到主塔架上,达到两端平衡和大跨度的目的，利用此原理我们就可以完美解决悬臂部分的刚度、强度及稳定性问题。图2 斜拉桥通过对塔式起重机和斜拉桥的对比和结合，我们进行了如下的结构形式比选：表3悬臂部分结构形式比选悬臂部分优点缺点塔式起重机的桁架形式
6、结构刚度大，抗弯性能好。结构形式复杂，构件较多，节点实际连接与计算假定存在差异。斜拉桥的箱型梁形式结构刚度大，抗弯性能较好。结构形式较简单表4支架部分结构形式比选支架部分优点缺点倾斜框架体系 受力合理，稳定性好。构件多样，结构复杂。竖直框架体系 造型规则，构件统一。稳定性较差。 由上面两表可以看出，在选择结构立面形式时，为能满足结构承载能力要求，而且又要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，决定以塔式起重机和斜拉桥作为基本形式，再结合梁、刚架、桁架、组合结构的各自特点，最终选择将主体部分设计成斜拉悬臂梁结构。这种结构组合既能较好的处理悬挑部分受弯矩作用产生较大
7、挠度的问题，将弯矩尽可能转化为拉、压力而运用白卡纸的抗拉压能力，使白卡纸的性能得到充分发挥，同时，各构件组成众多三角形，也增加了结构的整体稳定性。整体立面造型规则，简易而不简单。如图3所示。图3 初始模型（4）构件截面的选择1) 受力性能如压弯杆件，考虑抗弯刚度的大小，宜采用箱形截面；受压杆件，考虑受压稳定性，而不宜采用细长杆件等。2) 拼接工艺一般来说，方杆的拼接形式最为灵活，节点美观性也较好；而圆杆则较复杂。我们可考虑两种截面形式单箱双室截面和空心圆形截面。在截面面积及杆件厚度相等的情况下（即避免自重影响），容易验证单箱双室截面比空心圆截面惯性矩大40%以上。此外，前者节点处理较圆形截面简
8、单，故最终可选用单箱双室截面。考虑到此次所设计的结构体系只是承受静荷载，可采用更为简单的单箱单室截面。1.1.2 结构体系的选择主要从结构体系的整体强度、刚度、稳定性出发。所设计体系为图4所示的悬臂（下为格构柱形式，上部为双索面的塔架），通过节点接连将悬臂和塔架两个部分连接成整体，并利用纸带张拉在塔架顶部的张拉以平衡整个结构，增强结构的受力性能。参考了梁桥结构体系。桥梁有梁式桥、拱桥、悬索桥和组合系桥等类型，每种结构都有各自的特点。从受力、重量、制作加工各个方面统筹分析，此种结构是我们的最佳选择。这样，整个结构能够具有较大的强度、刚度和稳定性。图4 结构体系图在悬臂端部加上一个由四根小立柱支撑
9、所组成的加载平台，荷载加载在板上，由加载板传递下来的均布荷载转化为四个集中力，使整体结构受力分析更加简单明了。如图5所示。图5 加载平台示意图最后，通过设置横向支撑杆和剪刀撑，得到最终的模型方案。1.1.3 结构特色说明（1） 先用CAD绘制出精确的构件尺寸图形，然后按图形尺寸制作构件以减少误差。（2）通过张拉纸带使梁少量预拱，能够有效减少构件的结构变形。（3）上部悬臂结构采用横系杆，相互交叉的方式增加上部结构的稳定性。（4）单室双箱截面与普通截面相比，具有更强的抗弯能力。1.2 模型设计图纸1.2.1 结构作品效果图图6 方案效果图图7 加载示意图1.2.2 结构布置图图8 结构布置图（mm
10、）1.2.3 主要构件详图及节点图首先对模型主要构件及关键节点进行编号，如图9所示。图9 构件及节点编号图（1）主要构件详图 图10 号杆详图 图11 号杆详图图12号杆详图 （2）节点图上部悬臂结构与下部格构柱部分连接为刚结，在塔架节点与柱肢相连处进行特殊处理。塔架斜杆受到顶部纸带传递的压力，使柱肢在结点处受压。柱肢是薄壁杆，在局部受压的情况下容易发生较大变形使柱肢失稳，同时，悬臂结构的微小变形会使格构柱整体产生扭转。因此，在柱肢与斜撑连接处进行加劲处理，经处理后的结点强度和刚度大大提高。如图13所示。图13 节点A处理示意图水平杆件和竖直杆件的连接处，用节点板粘贴，既牢固又美观。如图14所
11、示。图14节点B处理示意图在纸带转折的地方，用多层纸片粘贴成一个渐变的小块，使纸带在转折处可以平顺的过渡，受力更合理。如图15所示。 图15节点C处理示意图2计算书2.1计算简图结构布置如下图所示。图16节点布置图2.2结构计算假定和各个单元物理参数2.2.1计算假定（1）对节点进行编号，单元杆用两节点的数字编号进行表示，如单元杆1,3。（2）该模型为悬臂结构，由完全相同的两榀通过横系杆连接。在规定的竖向荷载作用下，为简化计算，可直接取一榀进行平面受力分析。（3）模型主要承受竖向荷载，因为加载钢板基本不产生变形。因此，对于平面简化结构，可简化为节点15和节点16的集中力。其中荷载工况取加载荷载
12、的最大值20kg，即每个节点49N。 (4) 加载装置的一端支座不能移动，对结构模型有竖向和水平约束，但是允许结构在此产生一定转角,可视为固定铰支座，如图20。图17计算简图2.2.2构件截面尺寸（单元杆用两节点的数字编号进行表示）底杆1,3：矩形，6mm9mm，厚度0.30mm 格构柱肢1,11/2,10：矩形,9mm12mm，厚度0.60mm 格构柱横杆4,5/6,7/8,9/17,18：矩形 6mm9mm，厚度0.30mm三角形塔柱10,12/11,12：矩形，9mm12mm，厚度0.60mm起重臂、平衡臂13,15：9mm12mm，厚度0.60mm拉条16,12：宽9mm，厚度1.20
13、 mm拉条15,12：宽9mm，厚度0.90 mm拉条14,12：宽9mm，厚度0.30 mm2.2.3材料力学性质参见表1和表2。2.3静载工况下结构的内力分析 2.3.1结构强度计算荷载工况：20kg静力荷载，即449N。通过编辑结构力学求解器代码（详见附录一），以及各截面参数（见表5）进行结构分析，得出计算结果。表5 构件截面参数A（）I（）EA（N）EI（）底杆1,38.64258.92491.6214732.55格构柱肢1,10/2,1128.44325.634214.8148258.37格构柱横杆4,5/6,78.64258.92491.6214732.55三角形塔柱10,12/1
14、1,1228.44325.634214.8148258.37起重臂，平衡臂19,1528.44325.634214.8148258.37三层纸条8.154.681200.428103.58四层纸条10.8125.971600.5618668.75 图18弯矩图 图19轴力图 图20剪力图 2.3.2结构刚度计算模型在竖向荷载作用下，产生相应的位移，图21列出了个主要节点的位移。图22位移图结构变形最大处在悬臂端，最大挠度值为8.3mm，变形较小，满足要求。2.4承载能力验算2.4.1强度验算（1）格构柱肢在荷载作用下最大轴力,最大弯矩Mmax=200.25Nmm,最大轴力Nmax=45.03N
15、按最不利组合计算=45.03/28.44+200.25/148.03=2.94MPa()=14MPa 满足强度要求（2）起重臂，平衡臂的最大轴力N=194.44KN=N/A=194.44/28.44=6.84Mpa()=14Mpa 满足强度要求。（3）悬臂结构最大弯矩Mmax=157.11Nmm=157.11/77.68=2.02()=14MPa（4）A塔柱及纸条塔柱在荷载作用下最大压力Nmax=209.84N，最不利组合，四层纸条极限拉应力()=82.4Mpa，结构中纸条最大拉力Nmax=205.68N 斜杆= =209.84/28.44=7.38MPa ()=14MPa 纸条= =205.
16、68/10.8=19.04MPa()=82.4MPa 2.4.2刚度验算本设计允许最大挠度为f = 22mm，竖向荷载作用下，经结构力学求解器计算得，悬臂端产生最大竖向挠度8.3mmf = 22mm ，满足刚度要求。2.4.3稳定性验算（1）经大量试验得到各不同长细比下的稳定系数，见表6。表6 不同长细比对应的稳定系数长细比1020304050607080稳定系数0.930.880.780.660.590.520.480.37（2）A塔柱 腹杆在荷载作用下最大压力Nmax=209.84N长细比l/i=44.19,查表5内插得=0.62斜杆= =209.84/(28.440.62)=11.9()
17、=14MPa2.5承载能力的估算已知材料双层纸的抗压强度为r=14N/mm2，抗拉强度为p=44.4N/mm22.5.1稳定条件控制的最大承重G1荷载作用下，上部三角形塔柱失稳时的临界应力=11.9MPa，为各构件截面中应力最大，由此推出G1=20*14/11.9=23.53kg2.5.2强度条件控制的最大承重G2荷载作用下，上部横杆=-6.84MPa，为各构件截面中压应力最大，由此推出G2=20*14/6.84=40.94kg2.5.3刚度条件控制的最大承重G320kg荷载下，最大挠度f=8.3mm。本设计容许最大变形f=22 mm，则变形控制的最大承重G3=20*22/8.3=48.19k
18、g2.6设计感想由于我们在结构方面所学的专业知识并不强，只能通过一次次的实验以及补充学习我们在课堂上并未学过的知识。这让我们要比别人付出更辛苦的劳动。队友之间的相互鼓励和坚持是我们得以走到今天的启明星。我们深深地意识到每个队友的重要性，无论谁都是不可或缺。小组分工说明 设计构思：* 模型设计：*理论分析：*组织协调兼成果整理：*附录一结构力学求解器输入源代码2 结点,1,0,03 结点,2,-70,04 结点,3,-280,05 结点,4,0,1506 结点,5,-70,1507 结点,6,0,3008 结点,7,-70,3009 结点,8,-70,45010 结点,9,0,45011 结点,
19、10,-70,60012 结点,11,0,60013 结点,12,-37.5,81014 结点,13,-280,60015 结点,14,210,6001617 结点,15,440,60018 结点,16,360,60019 结点,17,-17.5,70520 结点,18,-52.5,70521 结点,19,-240,022 单元,1,2,1,1,1,1,1,123 单元,2,19,1,1,1,1,1,124 单元,19,3,1,1,1,1,1,125 单元,3,13,1,1,0,1,1,026 单元,13,10,1,1,0,1,1,127 单元,10,11,1,1,1,1,1,128 单元,1
20、1,14,1,1,1,1,1,129 单元,14,16,1,1,1,1,1,130 单元,16,15,1,1,1,1,1,131 单元,15,12,1,1,0,1,1,032 单元,12,16,1,1,0,1,1,033 单元,12,14,1,1,0,1,1,034 单元,12,13,1,1,0,1,1,035 单元,12,17,1,1,1,1,1,136 单元,17,11,1,1,1,1,1,137 单元,12,18,1,1,1,1,1,138 单元,18,10,1,1,1,1,1,139 单元,17,18,1,1,1,1,1,140 单元,11,18,1,1,0,1,1,041 单元,10
21、,8,1,1,1,1,1,142 单元,8,7,1,1,1,1,1,143 单元,7,5,1,1,1,1,1,144 单元,5,2,1,1,1,1,1,145 单元,1,4,1,1,1,1,1,146 单元,4,6,1,1,1,1,1,147 单元,6,9,1,1,1,1,1,148 单元,9,11,1,1,1,1,1,149 单元,8,9,1,1,1,1,1,150 单元,7,8,1,1,1,1,1,151 单元,8,9,1,1,1,1,1,152 单元,6,7,1,1,1,1,1,153 单元,5,4,1,1,1,1,1,154 单元,11,8,1,1,0,1,1,055 单元,8,6,1
22、,1,0,1,1,056 单元,6,5,1,1,0,1,1,057 单元,5,1,1,1,0,1,1,058 单元,2,4,1,1,0,1,1,059 单元,4,7,1,1,0,1,1,060 单元,7,9,1,1,0,1,1,061 单元,9,10,1,1,0,1,1,062 结点支承,1,3,0,0,063 结点支承,2,3,0,0,064 结点支承,3,3,0,0,065 结点荷载,15,1,49,-9066 结点荷载,16,1,49,-90676869 单元材料性质,1,1,491.62,14732.55,0,0,-170 单元材料性质,2,2,491.62,14732.55,0,0,
23、-171 单元材料性质,3,3,491.62,14732.55,0,0,-172 单元材料性质,4,4,1600.56,18668.75,0,0,-173 单元材料性质,5,9,4214.81,48258.37,0,0,-174 单元材料性质,10,11,1600.56,18668.75,0,0,-175 单元材料性质,12,12,1200.42,8103.58,0,0,-176 单元材料性质,13,13,1600.56,18668.75,0,0,-177 单元材料性质,14,17,4214.81,48258.37,0,0,-178 单元材料性质,18,18,491.62,14732.55,0
24、,0,-179 单元材料性质,19,19,4124.81,48258.37,0,0,-18081 单元材料性质,20,23,4214.81,48258.37,0,0,-182 单元材料性质,24,26,4214.81,48258.37,0,0,-18384 单元材料性质,27,40,4124.81,48258.37,0,0,-1附录二 结构内力输出值杆端内力值 - 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 0.00000000 -0.49842291 18.6746292 0.00000000 -0.49842291 -16.2149748 2 0.0000
25、0000 -0.01091692 2.29255341 0.00000000 -0.01091692 0.43667684 3 0.00000000 -0.01091692 0.43667684 0.00000000 -0.01091692 0.00000000 4 135.174772 0.00000000 0.00000000 135.174772 0.00000000 0.00000000 5 -155.484235 -0.52863052 0.00000000 -155.484235 -0.52863052 -111.012410 6 -125.931174 2.53198419 -1
26、24.702314 -125.931174 2.53198419 52.5365790 7 -194.438320 -0.29964477 -94.1894685 -194.438320 -0.29964477 -157.114869 8 -192.431884 1.40278560 -157.114869 -192.431884 1.40278560 25.2472583 9 -107.437536 -0.31559073 25.2472583 -107.437536 -0.31559073 0.00000000 10 118.215277 0.00000000 0.00000000 118
27、.215277 0.00000000 0.00000000 11 97.2604288 0.00000000 0.00000000 97.2604288 0.00000000 0.00000000 12 2.63135967 0.00000000 0.00000000 2.63135967 0.00000000 0.00000000 13 205.681626 0.00000000 0.00000000 205.681626 0.00000000 0.00000000 14 -209.844162 1.47168664 18.1065665 -209.844162 1.47168664 175
28、.411901 15 -207.059497 -2.72704486 200.254653 -207.059497 -2.72704486 -90.0347566 16 -27.0592791 2.09178947 -18.1065665 -27.0592791 2.09178947 203.761211 17 -6.39614953 -2.56347719 219.941611 -6.39614953 -2.56347719 -52.9362908 18 9.35964696 1.17209006 -24.8427523 9.35964696 1.17209006 16.1803999 19
29、 -25.0076739 0.00000000 0.00000000 -25.0076739 0.00000000 0.00000000 20 45.0303647 0.78289700 -39.2463869 45.0303647 0.78289700 78.1881634 21 20.2466744 -0.06824522 35.9336984 20.2466744 -0.06824522 25.6969157 22 35.3010051 -0.03261429 39.9367068 35.3010051 -0.03261429 35.0445636 23 37.5507833 -0.16
30、156244 42.7418947 37.5507833 -0.16156244 18.5075282 24 -176.505131 -0.14565672 -18.6746292 -176.505131 -0.14565672 -40.5231375 25 -178.422631 0.02831452 -36.4863156 -178.422631 0.02831452 -32.2391372 26 -173.060704 0.03548858 -33.9514478 -173.060704 0.03548858 -28.6281602 27 -169.101089 -0.24776584
31、-19.5264148 -169.101089 -0.24776584 -56.6912908 28 24.1152384 0.01986413 3.16038326 24.1152384 0.01986413 4.55087270 29 19.8143416 -0.06824522 -25.6969157 19.8143416 -0.06824522 -35.9336984 30 24.1152384 0.01986413 3.16038326 24.1152384 0.01986413 4.55087270 31 44.4421125 -0.18813479 1.71231064 44.4
32、421125 -0.18813479 -11.4571247 32 43.0196782 0.16763076 -7.69733112 43.0196782 0.16763076 4.03682187 33 -60.8324924 0.00000000 0.00000000 -60.8324924 0.00000000 0.00000000 34 -55.3925101 0.00000000 0.00000000 -55.3925101 0.00000000 0.00000000 35 -49.6830769 0.00000000 0.00000000 -49.6830769 0.000000
33、00 0.00000000 36 -52.3507594 0.00000000 0.00000000 -52.3507594 0.00000000 0.00000000 37 -51.6242763 0.00000000 0.00000000 -51.6242763 0.00000000 0.00000000 38 -49.6932445 0.00000000 0.00000000 -49.6932445 0.00000000 0.00000000 39 -55.1536703 0.00000000 0.00000000 -55.1536703 0.00000000 0.00000000 40
34、 -59.5670643 0.00000000 0.00000000 -59.5670643 0.00000000 0.00000000-附录三 结构变形输出值杆端位移值 - 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.00034155 0.00000000 0.00000000 -0.00022230 2 0.00000000 0.00000000 -0.00022230 0.00000000 0.00428473 0.00009905 3 0.00000000 0
35、.00428473 0.00009905 0.00000000 0.00000000 0.00011115 4 0.00000000 0.00000000 -0.00466258 2.79754613 1.03413886 -0.00466258 5 2.79754613 1.03413886 -0.00280362 2.63944624 0.10032323 -0.00773299 6 2.63944624 0.10032323 -0.00773299 2.59676301 -0.50897726 -0.00880114 7 2.59676301 -0.50897726 -0.0088011
36、4 2.39905372 -3.43110403 -0.01996002 8 2.39905372 -3.43110403 -0.01996002 2.27792523 -6.37012794 -0.02358481 9 2.27792523 -6.37012794 -0.02358481 2.23630812 -8.23413504 -0.02315773 10 2.23630812 -8.23413504 -0.01668756 5.05109728 -0.28303771 -0.01668756 11 5.05109728 -0.28303771 -0.01543487 2.277925
37、23 -6.37012794 -0.01543487 12 5.05109728 -0.28303771 -0.01268150 2.39905372 -3.43110403 -0.01268150 13 5.05109728 -0.28303771 -0.00770275 2.79754613 1.03413886 -0.00770275 14 5.05109728 -0.28303771 -0.01565571 3.55432934 -0.45757848 -0.01128199 15 3.55432934 -0.45757848 -0.01128199 2.59676301 -0.508
38、97726 -0.00880114 16 5.05109728 -0.28303771 -0.01565571 3.54073050 -0.05323302 -0.01149198 17 3.54073050 -0.05323302 -0.01149198 2.63944624 0.10032323 -0.00773299 18 3.55432934 -0.45757848 -0.01128199 3.54073050 -0.05323302 -0.01149198 19 2.59676301 -0.50897726 -0.00892830 3.54073050 -0.05323302 -0.00892830 20 2.63944624 0.10032323 -0.00773299 1.47901422 0.06761759 -0.00649788 21