《单跨空间木质结构模型设计课程设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单跨空间木质结构模型设计课程设计论文.docx（28页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、 目 录第一部分 设计说明书 117第二部分 整体布置图 1823第三部分 计算书 2430第一部分 设计说明书一、竞赛题目单跨空间木质结构模型设计二、竞赛内容设计承受竖向偏心静荷载的对称木质结构模型，结构类型不限。1、模型设计：模型设计（含方案、说明书、计算书）。2、模型制作：在48 小时内完成结构模型现场制作。3、模型测试：模型尺寸与模型质量测量，模型力学性能测试。三、竞赛要求1、参赛对象湖南省全日制在校土木类专业本、专科生。2、参赛要求（1）以学校为单位组织参赛队，各单位参赛队总数不超过3支（不含独立学院参赛队），独立学院限支参赛队。（2）每个参赛队由1 至3 名在校全日制学生（年级和土
2、木类专业方向不限）和1 名指导教师组成，每位参赛学生只允许加入一个参赛队。每个参赛队提交一份作品，并给作品命名。（3）各参赛队必须在规定时间和地点参加竞赛活动，竞赛期间不得换人，若有参赛队员退出，则缺人竞赛。迟到者（参赛队或参赛者）作为自动弃权处理。3、参赛时间报名时间：所有参赛队必须在2013年11月1日至11月20日期间内，以学校为单位，按要求填写竞赛报名表（见附件），并将报名表发送到。竞赛时间：2013年12月6日至2013年12月9日，具体安排另行通知。4、模型设计基本要求（1） 模型尺寸要求：结构模型按照空间直角坐标投影限制（上下偏差限为2.0mm），具体要求如下：模型宽度限制为b
3、= (300 400)mm，模型最大高度限制为100mm max h = ，模型最小长度限制1200mm min l = (注：加载跨度l=1200mm)；（2）模型对称性要求：横截面具有竖向对称轴，模型具有纵向对称面；2（3）模型重量要求：模型总质量不得超过2000g（上偏差限2g)。（4）模型设计文件要求 设计文件内容：设计文件包括设计说明书、方案图和计算书。设计说明书应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明；方案图应包括结构整体布置图和主要构件详图；计算书应包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。 设计文件装订：文件用A4 纸打印，按目录、设计说明书、
4、方案图和计算书的顺序编排装订；封面必须注明作品名称、参赛学校、参赛队员姓名和指导老师，并加盖参赛学校教务处公章。为便于评审，封面采用活页（可用少量双面胶与正文粘贴）； 设计文件一式五份，于现场报到时交到竞赛组委会，否则作自动弃权处理。四、模型制作基本要求1、模型制作材料由竞赛筹备工作组现场统一提供相同规格的竞赛模型制作材料，规格如下表所示：表1. 模型材料材料名称几何尺寸（mm）红梨15 封边木线条2200124说明：几何尺寸指长宽厚。2、模型制作工具由竞赛筹备工作组为每支参赛队现场统一提供相同规格型号的模型制作工具，工具包括：（1）美工刀，钢锯，锯条；（2）3m 钢卷尺、60cm 直尺、三角
5、板；（3）铅笔，白纸，砂纸；（4）正规生产厂家生产的502 胶，聚乙烯薄膜（防止粘手用）；3、模型制作要求（1）模型现场制作时间不得超过48 小时，具体安排另行通知；（2）必须且只能使用竞赛筹备工作组现场统一提供的制作材料和工具制作模型；（3）现场制作的结构模型必须与提交的设计文件一致；（4）在模型上表面标示模型的跨中截面和纵对称面位置，以便加载。3五、加载装置与加载要求1、模型加载装置加载效果图如图1，模型加载为简支加载方式，支座为两根外径为10mm 的钢管，一根固定，一根可滚动，支座跨度1200mm，加载位置为模型跨中截面。图1 加载效果图模型加载平面如图2(a)所示，模型加载立面如图2(
6、b)所示，模型加载剖面如图2(c)所示。上、下加载梁平面图分别如图2(d)、图2(e)所示，上下梁之间采用钢绞线连接，下加载梁通过钢绞线经变换方向后与加载吊篮连接，如图1 所示。在上梁上设置有2 个加载点（加载点设计为直径10mm 的金属短圆柱体，间距150mm），一个点作用于模型跨中截面对称轴上，另一个点作用于模型跨中截面离对称轴150mm 处，加载合力偏心约75mm。2 个位移测点布置在相应加载点位置的上梁上表面。2、模型加载方式加载总重量为吊篮重量（约10kg）和150kg 的砝码，其中加载装置自重作为预加载，不计入加载重量，加载装置安装后位移计清零。模型跨中布置3 个加载点，如图2(a
7、)所示，由各校选派的学生监督代表指定其中的两个加载点位置加载，可以指定最弱点加载，参赛队不得有异议，监督代表与参赛模型为同一学校的采用回避制（目的是确定模型否纵向对称）。每件参赛模型分二级加载（加载只能单调增加荷载，不允许先卸载后加载），第一级加载100kg，第二级加载50kg。每级加载后，必须保持持20 秒以上（不含20 秒），结构稳定后方能继续下一级加载。此外，在同一级荷载加载过程中，每次加载砝码的间隔必须小于30 秒。3、加载及测试步骤图2 加载示意图5（1）将结构固定在加载台上，稳定后进行砝码加载；（2）加载成功后测挠度；（3）保留荷载，进行下一级的加载；（4）加载结束。4、关于加载的
8、注意事项（1）加载过程由参赛队伍自己完成；（2）加载梁只允许加载圆柱底面接触模型；（3）加载不可以撤销，一旦砝码完全接触到加载吊篮，就必须加载下去，不可返回操作，由工作人员监督。六、模型合格性与雷同性评审1、加载前由竞赛评比委员会对模型进行合格性评审。使用了比赛规定以外的材料、超出模型限制尺度、以及其他不适应赛事主办方提供的检测装置的模型视作不合格模型，不合格模型不予加载机会。2、同一参赛学校模型的雷同性评判由竞赛评比委员会投票表决，在加载前对同一个参赛学校的模型进行雷同性审查。同一学校的模型雷同性定义为主要的结构体系相同，同一参赛学校结构模型形式被竞赛评比委员投票表决，超过50%的专家投票认
9、为雷同的则认定雷同，认为雷同的模型允许全部加载，但只取其中成绩最好的模型，其他雷同的模型取消成绩。七、模型测试项目1、模型质量由电子天平称量，模型的质量精确到2g；质量超过(2000+2)g的模型不能参与加载。2、变形测量：在跨中截面设置两个竖向位移测量点，测试设备为电子位移计及相关采集仪，位移精确到0.01mm；当测点竖向位移超过位移计量程（量程为50.00mm）时，视为模型加载失败。如果是第一级荷载下位移超过量程，则该模型无位移成绩。如果是在第二级加载下超过位移量程，则第一级为有效加载，第一级荷载位移成绩作为评奖候补。八结构构思及选型分析 本赛题选用红梨木线条和502胶水作为材料，红梨木线
10、条的规格为2200*12*4。要求在跨度为1200mm，宽为300mm400mm，高为100mm的空间内设计一结构，在跨中位置施加一对偏心集中力，偏心距为75mm，结构为简支梁约束。 在Abquse里面通过一块实心的矩形板进行仿真计算发现，在纵对称面板件发生弯曲，变形情况和简支梁类似，在横断面发现板件发生斜向变形，并且整个矩形的横断面变成了平行四边形，很不稳定。未加载的一侧变形很小，纵断面变形居中，加载一侧变形最大。整体上，板件呈现弯扭组合变形。针对这种现象我们要从抗弯抗扭两个方面综合考虑结构，抗弯方面就得增加杆件的刚度，同时还要增强结构的抗扭刚度。再加上题目对模型的重量权重比较大，因此还要考
11、虑结构的重量。综合起来就是我们要设计制作出一个抗弯抗扭能力强，并且重量较轻的模型出来.要想设计出合理的杆件，首先得进行材料力学实验，得出材料的力学性能，如弹性模量等。接着才能进行构件的截面设计，从而确定结构体系。一开始我们设计了一个空间桁架结构（图3），通过计算机模拟仿真计算发现整个结构体系受力非常均匀合理，没有出现应力集中现象，也没有出现局部杆件受力特别大。我们通过分析构件受力及变形情况进行了较为合理的设计，在上层杆件采用了由五片木线条粘接的工字型杆，下层杆件采用腹板为两层粘接，翼板由一片木线条的T型杆件，中间的斜杆全部采用单片的杆件。将所有的杆件做好组装成型后，进行了一次预压，最后进行试验
12、。试验发现，在一级荷载的范围以内，杆件没有出现明显的变形，位移计的示数比较小在5,6mm左右。但是当荷载到了140Kg左右，结构中间的腹杆明显张的很紧，受压部位的杆件出现了弯曲曲屈，位移计读数不稳定，从而位移继续增大导致结构破坏。经过称重发现模型已达到1280g，假如我们将中间的单层腹杆改成双片粘接，模型结构肯定可以承载到二级荷载并且不会发生破坏。但是模型的质量肯定会直线上升，因此为了保证轻质量的结构，我们选择了放弃空间桁架结构体系。图3 空间桁架接着我们采用了平面桁架，通过少量的横向联系杆把桁架联系起来。采用单片平面桁架承担点荷载，消弱整体结构的横向联系，并且降低加载重心，设计出了三片桁架的
13、组合结构（图4）。经过称重发现重量减到了980g，加载到二级荷载平均位移达到7.98mm。结构整体往下移动，并没有出现较大的扭曲现象。证明了降低加载重心是减轻扭曲的有效措施，并且通过最底下的加载构件可以把力分担给三个平面桁架，更加减小了扰度。因此决定采用此结构。 图4 最终决定采用的三片桁架结构九材料的力学性能实验 我们采用伺服液压万能拉伸试验机进行材料拉伸实验，实验器材如下所示测材料的弹性模量。由于单片材料在家具上极其容易被压坏，我们将4片木线条粘接在一起进行试验，得到如下试件的破坏图样。 图5 微机数据采集系统 图6 加载砝码 图7 试件D-6 破坏图样图8 试件D5 的 破坏图样图9 试
14、件D3的破坏图样图10 试件D2的破坏图样图11 试件D-2的破坏图样图12 试件D-1的破坏图样图13 所有试件的破坏情况十、数据分析图14 D4-3 应力应变曲线图图15 D4-6应力应变曲线图图16 D6-5应力应变曲线图图17 D6-6应力应变曲线图图18 D4-7应力应变曲线图图19 D6-4应力应变曲线图图20 D6-5应力应变曲线图图21 D6-6应力应变曲线图由以上六个应力应变曲线图，可知木材的弹性模量E=2GPa。 十一、加载实验 图22 加载过程图23 靠近铰接点支座的上部杆件发生失稳破坏 一 图24 靠近铰接点支座的上部杆件发生失稳破坏 二根据实际加载实验得到的荷载位移关
15、系图表如下： 荷载位移关系图25 荷载位移关系图第二部分 结构方案图2.1 结构布置图图26 整体正视图图27 整体俯视图图28 整体布置效果图2.2杆件的制作作为结构的骨架，杆件的重要性不言而喻，做出一根合格的杆件需要细心。对于一些重要的杆件应尽早的排除已变弯、变扭的杆件。已变弯、变扭可留做作帖片。由于锯子很难切出理想的角度，所以对于要切出一定角度的杆件应该采取先锯后用砂纸磨平的方式来是角度达到我们的要求值。还要注意美工刀和锯子的安全使用，注意避免502胶粘到手。2.2.1节点详图图29 结构端部的交叉连结图30 横断面的节点详图2.2.2组装过程图31 单片桁架组装图32 粘接最底下层杆件
16、过程图33 粘接腹杆的过程 图34 底下杆件的节点拼接图35 拼接到一半时候的效果图第三部分 结构计算书 根据对结构的需要，在进行结构加强的过程中我们不得不对结构进行内力分析，而内力分析时按空间桁架结构进行计算。由于空间桁架结构材质为竹材，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。所以空间桁架结构在进行内力分析时，主结构设为梁单元计算。且本结构为空间结构，涉及杆件较多，具有多次超静定的特性，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。分析时，主结构构件均采用bea
17、m188梁单元，结构的三维有限元模型如图50-67所示从分析结果可知，中间横梁的强度以及其上的结点需要进行加强。 31结构的对比仿真3.1.1空间桁架数值仿真图36 结构应力云图图37 结构整体位移云图图38 结构节点详图图39 结构整体变形图3.1.2组合桁架结构数值仿真 图40 结构整体所受的应力云图 图41 杆件水平侧移变形图图42 边跨端部变形图 图43 杆件变形图图44 竖向位移正视图 图45 结构变形俯视图图46 加载点竖向位移云图 图47 结构竖向位移轴测图由有限元分析建立的结构模型的位移情况和实际我们加载所得出的数据基本上是一致的，比如有限元分析软件计算出来的当竖直荷载为150kg竖向位移为5.110mm，而通过实际加载记录的数据是7.76mm，二者的结果是非常接近的，说明我们可以通过有限元建立的模型进行模型优化，去掉一不必要的杆件，加粗一些主要的承重杆件。将加载荷载的重心尽可能的降低可以减小结构的扭曲，保证整个结构整体下降。并且中间的横梁还可以将部分力传到第三片桁架后，从而减小了位移。谢谢各位评委指导，审阅计算书您辛苦了！28