辽宁省普通高等学校本科大学生-多层结构设计大赛计算书.docx

2016年辽宁省大学生结构设计竞赛计算书作品名称： 参赛学校： 参赛队伍：参赛队员： 指导教师： 目录目录21 概念设计21.1设计思路21.2结构选型31.3方案效果图62 计算设计72.1 材料力学性质参数72.2 计算简图72.3 静力分析82.4 动力分析83 构造设计113.1 梁柱节点113.2 斜撑节点113.3 交叉斜撑节点124 模型加工图及材料表134.1 模型加工图135 小结146参考文献141 概念设计1.1设计思路本次竞赛设计内容为多层结构，根据竞赛所给模型制作要求以及加载条件等内容，我们的模型设计思路如下。（1）根据模型竖向尺寸以及截面尺寸要求，我们选用四根长为1000mm、截面边长10mm的通长纸筒作为框架柱，每个结构层选用四根长220mm、截面边长8mm的方纸筒作为横梁，该竖向构件加水平构件定义出了我们模型的基本框架形式。（2）根据加载要求，该模型顶部需要承担10kg的竖向荷载，竖向加载稳定后，要继续进行冲击荷载加载，因此我们采用截面边长8mm的纸筒作为斜撑，来增加框架结构的平面内以及平面外稳定，提高模型的刚度，减小位移。（3）根据评分标准，我们在保证模型加载成功的基础上，尽可能降低模型质量，柱采用变截面卷法，根据受力特性纸筒分别采用单层和双层卷法。我们将结构形式选定为梁柱框架体系外加平面内以及平面外斜撑。1.2结构选型在确定结构模型设计总体思路后，我们借助有限元分析软件进行模型杆件受力变形定性分析，并结合模型加载试验，逐步完善优化我们的模型，达到位移与质量最优结合。模型优化过程如图1所示：图1 模型结构优化过程第一种模型形式，纯梁柱框架，共五层，梁柱之间无任何斜撑。该结构只竖向加载，将荷载换算作用在平行两根梁上，ABAQUS计算结果如下图2所示。从位移计算结果可以明显看出，该结构在竖向荷载作用下，柱（竖向杆件）发生较大挠曲变形，特别是顶部两层。该种形式如果用卡纸做成，竖向荷载作用下就会失去稳定。该分析结果表明，我们需要增加斜撑。第二种模型形式，在纯框架的基础上，增加与撞击荷载垂直方向的斜撑。该模型分两次加载，第一次施加竖向荷载，第二次施加水平荷载。在有限元分析中，我们将冲击荷载换算成静力集中荷载，作用在第二层梁柱节点处。图3所示为竖向荷载作用下模型最大位移云图，模型位移较第一个有非常大的改善，结构稳定性大大加强，表面斜撑对于整个模型的稳定起到至关重要的地位。竖向荷载和水平荷载作用下模型位移云图如图4和5所示，最大位移比图3有明显增加，模型发生整体水平移动，没有明显薄弱点。结论是，该结构形式可以作为我们的试验结构。第一次加载试验，单向斜撑结构形式在竖向重物放在横杆上后，结构出现明显晃动，在铅球冲击瞬间，结构发生较大水平位移，甚至在节点处折断。经分析，数值模拟中结构刚度较实际卡纸杆件要大，并且模拟中将冲击荷载转换成静载荷施加，等等。这些因素造成了单向斜撑结构形式的模型加载失败。改进措施为在令一向各层设置斜撑，在水平向各层设置支撑，最终模型形式如方案效果图所示。该结构形式经受住了现场试验，并且位移较小。图2 模型一最大位移云图图3 模型二竖向加载最大位移云图图4 模型二竖向和水平加载最大位移云图图5 模型二竖向和水平加载水平位移云图我们的模型的创意点有如下几点：（1）卡槽处四根横梁：卡槽以下的模型结构作为上部结构的嵌固端，起到至关重要的作用。在卡槽处增设四个横梁，形成一层平面，既能缓解卡槽处在冲击荷载所用瞬间产生的集中应力，又能增大模型结构的整体刚度，从根基处保证模型的稳定。（2）底层交叉斜撑：在卡槽上夹具下，增设平行于冲击荷载作用方向的交叉斜撑。该交叉斜撑起到分担冲击荷载对水平横梁的作用，同时增强了两榀框架的平面内刚度，有效减小该部位的水平位移。该交叉斜撑的制作手法上也采用拉杆通长、压杆拼装的方式，来提高结构的强度。（3）夹具处横梁变截面：夹具处横梁分两个方向，垂直冲击荷载方向和平行冲击荷载方向。通过受力分析发现，平行方向的横梁承担主要冲击荷载，因此该方向两根横梁卷制时采用双层，而另一方向采用单层，在满足承载力的同时减轻模型重量。（4）隔层设置斜撑：上面三层各层垂直冲击方向不设置斜撑，从受力角度分析，该方向斜撑不承担竖向荷载以及水平荷载，但能够起到增加两榀框架平面外刚度的作用，在多次试验后，发现减少该处一根斜撑，并不影响模型结构的稳定。（5）柱变截面配置：为减轻模型重量，在卷制通长柱时，采用变截面卷法，在满足竖向承载力的同时，也满足刚度要求。1.3方案效果图图6 作品方案效果图2 计算设计2.1 材料力学性质参数组委会提供的材料为230巴西白卡纸，其力学性质参数如表1和2所示。表1. 230克白卡纸弹性模量名称种类层数弹性模量(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）230克白卡纸0.322.27.02.2 计算简图基本假定：（1）横梁和斜撑与柱的连接都视为铰接，结构视为桁架结构。（2）所有杆件视为各向同性弹性体。（3）钢球与轨道摩擦力为零，冲击时间为0.01s。图7 模型计算简图2.3 静力分析（1）横梁强度验算竖向重物：G=10Kg重物直接作用在顶层两根横梁上，可看成均布荷载，则每根梁上线荷载为： 横梁跨中最大弯矩：横梁截面抵抗矩为：横梁最大拉应力为：该计算结果表明横梁截面强度不满足要求，但考虑到横梁与柱粘结节点与假定铰接还有一定差距，如果该处假定为刚接，这跨中弯矩减少一半，因此该处可以乘以一个系数0.75。，满足要求。（2）柱强度和稳定性验算四个柱子承担上部荷载，每根柱子分得的荷载为。则柱截面压应力为，满足要求。考虑柱子的长细比，柱截面等效半径为横梁作为柱子的侧向支撑点，所以取柱子长度为220mm，则柱子的长细比为：，小于60，可以不考虑压杆稳定问题。2.4 动力分析考虑到所学力学知识所限，我们将动力分析转换为静载荷加载在模型上，来求水平位移。根据加载条件，利用物理能量守恒等原理，我们进行如下计算。铅球下落总动能：水平动能分量：下落后铅球水平速度为：根据碰撞定理：，假定撞击后铅球静止，撞击时间为0.02s，则冲击力为，单榀桁架受力利用结构力学求解器计算单榀桁架内力及位移。柱截面性质： 横梁和斜撑截面性质： 计算所得单榀桁架轴力、剪力、弯矩以及位移结果如图所示。（1）柱轴力柱底层轴力最大，则柱截面压应力为，满足要求。（2）斜撑轴力底层交叉斜撑压杆轴力最大，该斜撑杆采用双层卡纸卷制。则柱截面压应力为，满足要求。（3）横梁弯矩由于我们将模型简化为桁架结构，构件内部不存在弯矩，只是顶层横梁出现弯矩，查看弯矩计算结果，增加水平荷载对结构弯矩影响不大，这里就不再验算。（4）结构位移对比两种节点结构变形图，发现刚接的更接近现实模型加载变形，不过二者最大位移差不多。计算最大位移为80mm，结果偏大，与试验得到的差距较大。分析原因，结构力学求解器只能计算二维杆件，而我们的模型是空间结构，整体刚度较二维杆件会有很大提高，因此位移计算结果不准确。图8 单榀桁架轴力、剪力、弯矩和位移计算结果3 构造设计3.1 梁柱节点为了保证柱子的整体性，在模型制作时，我们直接用卡纸卷制1000mm通长柱子，将横梁以及斜撑黏结在柱子上。在制作横梁杆件时，两端均留置一段长度，以保证能够有足够长度的卡纸粘结在柱上。杆件端口处用小刀分割成四瓣，分别与柱水平和竖向粘结。节点处理将很大程度上影响整个模型的效果，梁柱节点如图所示。图9 梁柱节点实物3.2 斜撑节点斜撑杆件部分受压，部分受拉，节点处理上都要保证斜撑与柱和横梁牢固粘结。斜撑不同于横梁，横梁杆件是垂直与柱连接，比较好处理，而斜撑与柱和横梁是成一定角度连接。我们的处理方式是将杆件端头割出三角形，如图所示。斜撑节点粘结实物如图所示。图10 斜撑节点实物3.3 交叉斜撑节点底层垂直冲击方向应用交叉斜撑，一方向承受冲击压力，该斜撑杆件通长，另一方向需要截成两段。为了保证它们之间的粘结强度，短杆端部封口，粘结在长杆上，并且外包一曾卡纸，将三根杆件连接成一体。详细处理，如图所示。图11 交叉斜撑节点实物4 模型加工图及材料表4.1 模型加工图图12 模型正视图、侧视图和俯视图将模型各杆件进行编号，如图所示，具体各编号杆件的尺寸和数量用下表3列出。表3 各编号构件加工表杆件编号截面形状尺寸（mm）数量（根）重量（g）矩形8*8*1000417矩形8*8*220(双层)43.5矩形8*8*220（单层）162矩形8*8*318（双层）23矩形8*8*3