结构力学课程设计

工 程 训 练(2011-2012 学年第一学期)题目: 圣诞纸结构模型设计学科部名称: SB专业、班级: 姓名 (学号): SB 江宇 222指 导 教师: 乔布斯南昌大学科技学院理工学科部土建系圣诞 纸结构模型设计一、 设计说明根据任务要求，我们从模型制作的跨中受荷承重能力方面出发，采用任务提供的 A0 标准绘图纸、白乳胶精心制作了“圣诞”结构模型。1、 方案构思本结构主要构思是利用两根长跨的承载力以及中部拉杆拉住下部 长跨，再经过两根斜杆将跨中承载传递到两边以及桥墩处。设计的总原则是：尽可能利用拉杆来承受并传递荷载。2、 结构选型按照设计要求，在跨中承受荷载，所以考虑尽量将跨中荷载通过拉杆和斜杆向两端传递。考虑到结构的整体性以及承荷作用，这里采用三角形结构，利用三角形的稳定性保证整体性能，以承受更大的荷载，在中部加上竖直方向和斜向拉杆以和主跨一起分担荷载。 结构外形考虑到承载台加载点，我们设计的结构平面为长 760mm，宽160mm 的长方形，结构高为 300mm 距离桥墩处 1/4 主跨部位布置长度 150mm 竖直支撑杆上部接斜杆，斜杆长度约为 4800mm，斜杆中部与主跨中部用长度约为 2400mm 的斜拉杆连接。 节点设计各受力杆相交的节点由于杆在受力时会引起较大的力，进而引起松脱，在连接时用实心小纸团来增大接触面积，从而增大节点强度。 3、 结构特色此构件在主跨选取上使用了两张张 A0 纸张卷成的杆件，保证主要受力部分的强度以及结构完整性。其他部分构件也都选取了A0 的纸张。从外形上看采用了三角形结构，充分利用了三角形的稳定性，使得结构有了很好的整体性。二、设计方案1、设计基本假定纸张材质连续均匀支座为固定支座杆件之间节点按铰接点计算2、模型结构图结构实物图结构俯视图结构平视图 4、 模型结构计算简图5、 节点大样图5、主要构件材料表、标号 形状 尺寸 长度 数量主跨截面 外径 18mm 760mm 2内径 2mm斜杆截面外径 12mm内径 2mm480mm 4跨中立柱截面外径 12mm内径 2mm300mm 21/4 跨立柱截面外径 6mm内径 2mm150mm 4跨内斜拉杆截面外径 6mm内径 2mm240mm 4三、设计计算1、材料性能试验与分析（1） 、抗拉强度计算:A0 绘图纸 受力测试顺纹 63N逆纹 32N测试的纸带长度 15mm，宽度 b=20mm，厚度 h=0.03mm纸带截面积为 A=bh=20*0.03mm2=0.6mm2所以纸带的拉应力为 =FN/A=63/0.6 N/mm2=105N/mm2（2） 、弹性模量计算：根据试验得出数据预变形（即挠度 w）mm 实际承载力 N4.000 537.300 76.512.775 140.5F=(F2-F1)+(F3-F2)/2=43.75Nw=(w2-w1)+(w3-w2)/24.39mm由于存在 w=FL3/48EIIz=(D4-d4)/64=3.14*(184-24)/64mm4=5149.6mm4E=FL3/48wIz15684MP2、结构计算模型受力简图模型轴力图模型剪力图模型弯矩图模型受力位移变形图对所能承受的承载力进行试验时，实际加载模型如下图所示图进行计算时，消除多余约束后结构简图如图所示，节点支座没有画出图 在节点 1 处施加单位力 1N取节点 1 进行计算，受力如图 图 此时 F=1=F1，即竖直杆收到的轴力为 1取节点 2 进行受力分析，受力如图 图 F2 与 F3 夹角的一半为 ，由模型的尺寸可以得到 cos=5/8, F1=F1=F=1, F2*sin=F3*sin 所以 F2=F32F2*cos=F1 得到 F2=0.8取节点 3 进行受力分析，受力如图 图 F3=F3=F2 得到 F3*sin=F4=0.653、受力构件截面尺寸设计计算根据设计的模型，考虑到在加载实验时需要预留支承端，并要求悬空跨长为 700mm，我们把主跨长度设计为 760mm 预留出 60mm 的支承，且由于是主体构件，所以直径选为 18mm；由于我们设计的是三角钢架结构桥梁，因此根据勾股定理可以得出各边长度。由于跨中竖直杆承受拉力，且相对受力较大，因此其相对直径选取12mm，长为 300mm；1/4 小立柱属于受压杆件，直径要求也应该较严格，取直径 6mm，长度为 150mm；至于斜拉杆，因为主要承受拉力作用，选材时应考虑经济原则。四、制作过程1、模型制作步骤及制作图样选取并准备好所需工具。 A0 标准绘图纸，白乳胶以及美工刀等根据设计的尺寸裁剪好纸张，并将其卷成圆柱状将个圆柱构件进行拼接，交接处用白乳胶粘饶，节点处用节点锁锁住，并牢固固定模型接口处用吹风机风干白乳胶模型制作成功2、制作中遇到的难题开始我们选取的是使用 A4 的纸张，经过试验后发现 A4 纸张厚度和韧性都达不到要求，于是只好废弃之前的构思，重新选取 A0 的纸张进行设计制作主跨要求跨长为 700mm，如果直接两根拼接成主跨的话，我们担心连接点处的受力会不够，于是我们选择使用一整张 A0 的绘图纸卷成的纸棒作为一根主跨，由于 A0 纸张较厚，不容易卷，而且很难卷结实。节点拼接处，由于我们有三根受拉杆件，如果只用一般的节点固定方法，那么很容易会被拉脱，起不到拉杆应有的作用。为了解决这个问题，我们将纸张折成厚纸条，做成纸条锁，将节点处的拼接杆锁死在一起，用白乳胶加固3、小组讨论解决的问题经过讨论，小组最后得出的解决方法有对于主跨处梁，我们使用衣架拉直来做内芯，四个人一起最后终于卷成功，纸梁的硬度和韧度达到预期要求；为了解决节点处受力易松脱的问题，我们将纸张折成厚纸条，做成纸条锁（如节点大图） ，将节点处的拼接杆锁死在一起，用白乳胶加固。4、小组分工方案拟定：组员商议后拟定卷纸：组员合作完成拼接：组员合作完成任务书：五、加载试验1、加载方案利用加载器进行加载2、结构模型承载力预计承载力：对模型的杆件承载力进行计算对于主跨杆件 Iz=(D4-d4)/64=5149.6mm4斜拉杆 I=(D4-d4)/64=3.14*(124-24)/64 mm41016.6 mm 4竖直拉杆 I1= (D4-d4)/64=3.14*(124-24)/64 mm41016.6 mm 4临界应力 Fcr=2 EI/L所以斜拉杆的临界承载力为F 斜=3.14 2*15684*1016.6*10-6/0.48N=327.5N竖直拉杆的临界承载力为F 竖=3.14 2*15684*1016.6*10-6/0.3N=524N主跨梁的临界承载力为F 主=3.14 2*15684*5149.6*10-6/0.76N=1047.79N根据模型计算中得出的系数 F1=1 , F2=0.8 , F3=0.65当竖直杆达到临界值时，斜杆受力为 0.8*524N=419.3N327.5N所以不符合,当斜杆达到破坏临界值时,主跨受力为(327.5/0.8)*0.65=266.09N 1047.79N 竖直杆受力为(327.5/0.8)*1=409.375N 524N符合要求所以预计承载力327.5N所以预计承载力为 327.5N实际承载力：经过试验数据得出实际承载力如下预变形（即挠度 w）mm 实际承载力 N4.000 537.300 76.512.775 140.53、模型结构破坏分析模型结构未破坏预计模型破坏将发生在斜杆上,由于斜杆承载力达到极限值被拉断六、总结设计开始之前，由于第一次接触这种形式的设计，大家都相对比较没有信心，以至于开始的切入比较困难，然而当我们真正开始着手进行设计与制作时，发现其实只要你想做，你就可以做成功的。当我们把一张 A0 纸卷成纸棒的时候，我们油然而生一种满足感，原来，只要我们想做，我们可以想到一千种方法去让他成功，当然，如果你不想做，那么你也可以找到一千个理由不去做。当我们面对这完全没有头绪的设计时，集体的智慧在这时开始闪耀，在这里，我们发现了每个组员的优秀之处，其实，我们都很优秀，只是没有找到展现自己智慧的舞台。一个设计，让我们更加了解自己，一个设计，让我们更加明白伙伴，一个设计，给了我们挥洒自己创意