第七届全国大学生结构设计竞赛三等奖飞天

1、第七届全国大学生结构设计竞赛设计说明书参赛学校：大连交通大学队名：名称：致青春飞天武指导：参赛队员：高一李目录一、设计说明21.1 概述21.2 材料性能分析21.2.1竹材21.2.2胶水31.2.3热熔胶31.3 结构选型31.4 模型效果图5二、结构计算62.1 手工计算62.1.1 静载计算62.1.2 动载计算82.2 结构力学求解器102.2.1 静载计算102.2.2 动载计算11三、手工工艺133.1 杆件的制作133.2 节点的制作14四、参考文献141 设计说明1.1 概述第七届全国大学生结构设计竞赛要求参赛队设计并制作一双竹结构高跷模型，并进行加载测试。采用逆推法进行分析

2、，从加载方式入手。模型的加载分为静加载和动加载两部分，静加载的荷载值为参赛选手的总重量，以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率；动加载通过参赛选手进行绕标竞速来模型的承载能力。从中得出几个关键点，想要取得好成绩，制作的一定要“轻”、“稳”、“快”。以“稳”为主，保证做出的模型结构，在大方向上不要出错。其次，结合的运动方式，使制作的模型走起来尽可能的“快”。最后，通过反复的实验、理论计算，对模型进行减重。对于模型制作过程，需要重点注意一下几点：1、制作完成后的高跷结构模型长度为400mm±5mm ，宽度为150mm±5mm ， 高度为 265mm±5mm

3、， 模型底面 不得超过200mm×150mm 的矩形平面。2、踏板只通过A、B、C三根木条传力。3、材料的性能，、胶水、踏板等。4、模型底面是否能承受时的冲击力。1.2 材料性能分析1.2.1 竹材本次大赛中使用的竹材均为复压， 有三种规格：21250*430*0.50mm、1250*430*0.35mm和1250*430*0.20mm，竹材有顺纹和横纹，顺纹强度非常高，弹性模量1.0×104MPa，抗拉强度60MPa。横纹方向容易发生断裂，所以需要选择顺纹做杆件。通过计算和反复试验，才决定用0.50mm的做主体承重结构，用其余两类做附属结构。1.2.2 胶水根据赛题规定，

4、502胶水作为本次大赛主体结构的粘贴，涂胶的质量直接影响整个结构的性能，涂胶时应尽量少量、均匀。502胶水腐蚀性较强，在使用时应非常，且挥发时间快，涂胶之后应马上粘贴，否则粘贴强度受到很大影响。1.2.3 热熔胶热熔胶用于踏板和模型、鞋底与踏板之间的固定，根据赛题要求，热熔胶处断裂算作失败，所以热熔胶的固定。所以热熔胶的用量尽量多一些，封闭性要做好。1.3 结构选型结构在测试的第一阶段主要承受来自参赛者体重的竖向静载荷。第二阶段对结构的要求比较高，结构要承受参赛者行走的冲击动载荷，地面对结构的摩擦力，参赛者转弯时的离心力等。参赛者在行走过程中，前脚掌的作用主要是发力蹬地，后脚掌作用会随脚掌着地

5、承受冲击和。由此决定“删繁就简，直来直去”，使结构在各个方向具有一定的强度，以抵抗动载部分复杂多变的外界荷载。首先选择杆件的截面形状，圆形或者方形。圆形抗压性能比方形3好，但其抗弯、抗扭性能比方形差很多。并且，在节点连接方面，圆形连接比较，要进行连接，而方形则比较简单，粘贴也更加密实。经过比较，我们决定选择方形杆件。考虑到结构承受竖向荷载和水平方向的摩擦力，我们选择了力学性能较三角形结构，较寻求了结构强度和刚度的平衡。结合人类脚掌在行走过程中前后脚掌受力方式的不同，我们选择了将两个三角形组合形成一个“ W ”以解决前后脚掌向地面寻求摩擦力的问题，两个三角形顶点相连，在侧面形成三个三角形组合一个

6、梯形形状结构，结构的设计选择将两个“W”结构并排形成结构。经过实验验证，两个“W”足够富余，遂在踏板中间横杆两边各加一根竖杆，用以竖向支撑和维持侧向。模型在地面的接触部分形成一种菱形结构，立可以保持平稳，行则简单自如。到在杆件的方面，我们之前采用的是截面积15*15，经过反复试验，我们选择12*12的截面积，也能达到我们结构的强度要求，并且减轻了重量，菱形底面也更有利于行走。在行走过程中，我们采用两腿稍稍岔开并稍稍下蹲的内八字行走方式，避免两支高跷互相碰撞，并使其底面整体平稳着地。41.4模型效果图5二 结构计算2.1 手工计算静载计算模型进行简化，将模型简化为平面来计算。重量大约为 60 千

7、克，将其作为均布荷载分布在踏板上，根据结构力学，将均布荷载变为集中荷载。模型简化，将其看做一次超静定问题，将中间杆断开，进行计算分析。具体如下：在力为 1 时，即 X1=1 时，各杆件所受轴力如图 N1在外力荷载 P 作用下，各杆件所受轴力如图 Np6力型方程：d 11C1 + D1 p =0（ 0.5382 ×28×2+ 0.1922 ×20）1EAd=11= 16.946EA 1D1 p =（0.538 ×161.54×28×2+0)EA= 4866.88EA C1 =-110.17KN N = N1C1 + N p各杆件受力如下

8、图：7动载计算由于穿上高跷后，人的方式比较复杂，在计算动载时，其简单化。高跷底面着地时，与地平线夹角很小，可以看作底面一起着地，所以受力方式可以简化为受水平荷载和竖直荷载，再根据结构力学进行计算。具体如下：当力为 1 时，各杆件受力如图 N1当受外力荷载 P 时，各杆件受力如图 Np8则方程：d 11C1+D1 p = 01d =(-0.53846)2 ×28×2+ (0.192307)2 ×10×2 11EA1=（17.01321524）EA1D=-0.53846 ×（ -19.1569564 ） × 28 （ -0.53846 ）

9、× 1 pEA（-302.3971137）×28+0.192307×（50.405768）×10 1=（1963.067106）EAC1= -111.858168 N = N1C1+N p各杆件最终受力如下图92.2 结构力学求解器计算静载计算结构简化图弯矩图位移图轴力图位移计算杆端位移值 ( 乘子 = 1)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123456789-1.132074760.000000001.13207476-0.211053440.000000000.211053440.00000000

10、0.000000000.21105344-5.36044177-2.96424136-5.360441770.00000000-2.964241360.00000000-2.964241360.000000000.000000000.01198100-0.01198100-0.01557983-0.002195520.000000000.002195520.000000000.000000000.000000000.000000001.13207476-0.211053440.000000000.21105344-1.132074760.00000000-0.211053440.0000000

11、0-2.96424136-5.360441770.00000000-2.964241360.00000000-5.360441770.000000000.000000000.000000000.01198100-0.01198100-0.002195520.000000000.002195520.015579830.000000000.000000000.00000000内力计算10杆端内力值 ( 乘子 =1)杆端 1杆端2单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩12345678956.603737956.6037379-160.324618-100.545877-100.545877-160.3246

12、18-111.858164-21.1053438-21.10534380.000000000.000000000.00003337-0.000061260.00006126-0.000033370.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00945086-0.007900570.009450860.000000000.000000000.0000000056.603737956.6037379-160.324618-100.545877-100.545877-160.324618-111.858164-21.105

13、3438-21.10534380.000000000.000000000.00003337-0.000061260.00006126-0.000033370.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00945086-0.007900570.009450860.000000000.000000000.000000000.00000000动载计算结构简化图弯矩图位移图轴力图位移计算杆端位移值 ( 乘子 = 1)杆端 1杆端211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12345678912.7293959

14、11.861471212.99354580.2889466011.86147120.7110534011.86147120.000000000.71105340-0.31837762-2.96424146-9.647789210.00000000-2.964241460.00000000-2.964241460.000000000.00000000-0.01322932-0.03341774-0.05965457-0.04266646-0.03524989-0.04150992-0.044760270.000000000.0000000011.861471212.99354580.288946

15、6011.86147120.7110534012.72939590.000000000.288946600.00000000-2.96424146-9.647789210.00000000-2.964241460.00000000-0.318377620.000000000.000000000.00000000-0.01322932-0.03341774-0.04266646-0.03524989-0.04150992-0.03819841-0.044760270.000000000.00000000内力计算杆端内力值 ( 乘子 =1)杆端 1杆端2单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩1234567

16、89-43.396235256.6037283-160.324614-242.16596441.0742035-160.324627-111.85816828.8946597-71.10534020.000000000.000000000.00004235-0.000066210.00003212-0.000008260.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.01199555-0.006758600.002338300.000000000.000000000.00000000-43.396235256.60372

17、83-160.324614-242.16596441.0742035-160.324627-111.85816828.8946597-71.10534020.000000000.000000000.00004235-0.000066210.00003212-0.000008260.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.01199555-0.006758600.002338300.000000000.000000000.000000000.00000000数据分析通过手工计算和结构力学求解器的计算，可以得出以下几点：1、在过程中，4 号杆受较大，所以可以相对加强 4 号杆。且在制作过程中，一定要将 4 号杆做直，使其充分发挥抗压能力。2、过程中，5 号杆受拉力较小，可以适当对其放宽要求，但不能影响整体受力。123、无论静止还是，7 杆受力都很小，且实际为两根杆，所以可将其看作辅助杆件。4、根据杆端位移值，对位移较大的节点进行加固，防止其破坏。三 手工工艺3.1 杆件的制作首先，我们选择方形杆件，截面为 12*12，两层杆件。1、先出一张，截出想要的长度，用铅笔沿顺纹方向画平行线，每 12cm 一条，画四条。2、先用钝刀（刀背）在线上轻划一下，使其产