2022年2022年结构设计大赛计算书 .pdf
中国矿业大学第九届结构设计大赛计算书行知队：郑坚杰薛兵王炜航中国矿业大学力建学院名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 1 - 理论分析计算书目录一、设计说明（2）1、方案构思（2）2、结构选型（2）3、结构特色（3）二、方案设计（4）1、设计基本假定（4）2、模型结构图（4）3、节点详图（5）三、结构设计计算（6）1、静力分析（7）2、内力分析（9）四、结构分析总结（11）一、设计说明根据竞赛规则要求，我们从模型制作的材料抗压特性，单向简谐动载加载形式和静力加载大小要求等方面出发，结合节省材料，经济美观，承载力强等特点，采用比赛提供的竹筷、铁丝，502胶水味粘结剂精心设计制作了矿井井架结构模型，空间桁架结构为该模型的一大亮点。1、方案构思模型主要承受竖直荷载和一定的弯矩。竖直荷载较容易满足，弯矩对结构的刚度要求较高，同时要求结构有较强的抗剪能力。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 2 - （1）本结构主要构思是想利用四根柱子的轴力来抵抗荷载的作用（2）设计的总原则是：尽可能的利用细杆来提高柱子的承载力，并利用竹材、铁丝的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。2、结构选型由于四角形具有较强的稳定性，而且在平面上容易找平，我们选择四角形为主要链接构建，用于层与层之间的连接，桁架受力均匀简单，仅受轴力，便于竹材性能的发挥，我们以空间桁架为主导。2.1 结构外形结构下平面为边长300mm 的正方形形，上平面为边长150mm 的正方形，结构高 700mm, 内部采用空间桁架结构加强稳定性。2.2 材料截面选择主体承力柱由5*5 竹筷 2*5 竹板组成框架结构，外围由4*4 矩形梁连接，结构内部由2*2 斜梁与主体柱交叉相连，增强整体稳定性。2.3 节点设计主体框架结构相交的节点由于杆的倾斜在加动载和静载时会引起较大的剪力，在连接时用小竹片填充密实，再用2*2mm水平短竹筷相连使竹筷在下面顶住节点上部斜梁，在加载处节点贴上薄竹片来增大接触面积，从而来增大节点强度，从而在结构受力计算时一些节点模拟成刚节点。斜梁相交时，两根梁刻槽榫结，用胶水加固，增大节点强度和刚度。3、结构特色这个结构是在我们制作结构对结构进行试验的多次循环反复而后的出来的结构，它凝聚了所有的试验所得的经验。它的优点：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 3 - （1）从结构的外形上看，我们选择正方形作为主体形状，受力均匀，加载方便，上窄下宽，形状渐随着高度逐渐变化，有活力。（2）根据 ansys 软件建立的模型分析，可得出结构位移最大点，针对这一情况，我们改造出变截面柱，成为我们结构一大特色。（3）斜梁相交时，两根梁刻槽榫结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。（5）结构模仿实际工程，采用腰梁，增强抗震性和稳定性。（6） 根据 ansys 软件建立的模型分析结果， 我们加强顶部和支座强度。二、方案设计1、设计基本假定（1）竹筷材质连续均匀。（2）柱、梁之间的节点按绞点计算，支座为固定支座。加载时竖直静荷载和水平动载以集中力的形式均分到底部四个节点上。（3）杆件计算时采用钢结构计算模式。根据以上假定通过ANSYS软件建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。2、模型结构图通过 ANSYS 软件建立计算模型分析内力和位移，简化各个杆件尺寸和形。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 4 - 俯视图立面图3、节点详图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 5 - y向位移最小处节点详图y 向位移最大处节点详图Z 方向转角最小值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 6 - 三、结构设计计算根据本次比赛的加载规则，荷载有竖向静载，考虑到结构尺寸所能承受荷载的能力，需对本结构进行受力分析，在进行荷载分析时将静载和动载简化为四个均分集中荷载，通过计算来对相对薄弱部分作相应的加固，使得材料得到充分合理的利用。1、静力分析结构顶部加定滑轮，滑轮下悬挂35KG质量的砝码，根据受力特点及结构形式，将荷载简化为四个相等的集中力，分别同时施加在结构的两根横梁上，横梁通过斜梁传递到承重柱上。根据 ansys 软件建立的模型分析结果，找出结构最大处位移和最大处应力，分析最大处节点强度，刚度和稳定性。结构位移最小处结点详图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 7 - 结构应力最大处结点详图结构位移和应力最大处结点详图我们制作的结构根据ansys 软件建立的模型分析结果，最大应力为5.9Mpa，远小于竹材抗拉强度175Mpa 。结论：结构承受98N 的重力，轴力增加明显，而弯矩和剪力变化不明显。3.2 强度分析、刚度分析、稳定性分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 8 - 根据 ansys 软件建立的模型分析结果可知， 结构剪力最大值为0.012N，弯矩最大值 0.008N/m，因此，不用校核结构的弯矩和剪力，对结构的应力进行校核。已知材料：竹材 E=410Mpa ，比重 0.5，抗拉强度 175MPa ，502胶水查阅有关资料可知：竹材抗压强度10MPa ，抗弯强度 20MPa ，抗剪强度2Mpa 按照第四强度理论进行校核：223根据 ansys 软件建立的模型分析结果可知：N1017. 1N6maxN16400NinmM3max/N10532. 0Mmm/N10464. 0M3inN001105.0maxN10917.03inm1）柱的强度及稳定性校核由以上的应力图可知，主受力柱上的应力最大，故取它作为对象，进行校核，其横截面如右图所示：截面特性：,1121mmmmmmmm5.4,7,5 .02221，故形心坐标x=0,y= 212211AAYAYA(5.5+7*4.5) /18=2.2mm 故 I1=bh3/12+AY2=1*73/12+7(4.5-2.2)2=65.6mm4 2 bh3/12+AY2=11*13/12+(2.2-0.5)2 11=32.7 mm4 65.6mm3+32.7 mm3=98.3mm4柱的强度校核：由应力图可知，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 9 - IMyANMPaPa75.22750000maxa10MP抗压，故拉压强度满足要求。IbQS*max890.0*10-6*37/98.3*1=0.000335MPa,75.2maxMPa故柱稳定性符合要求。 2)斜撑的强度校核由于是桁架结构中的斜杆主要承受拉压，故选取最危险的斜杆，即侧面的下部斜撑进行强度校核. 由应力图中可知，MPa0. 6maxMPa30抗拉, 故斜撑强度符合要求。3) 位移的校核由于加有沿 y 方向的水平动载，故y 方向变形最大，取y 方向的最大位移进行变形校核。由以上 y 方向变形图可知，4max10*3.1m2mm 四、结构分析总结1、本结构主要是利用四根柱子的轴力来抵抗荷载的作用名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - - 10 - 2、本结构利用细杆来提高柱子的承载力，并利用竹材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。3、根据 ANSYS 建模分析的结论，我们选择正四边形作为主体形状，受力均匀，加载方便。4、根据 ANSYS 建模分析的结论，可得出结构位移最大点，针对这一现象，我们改造出变形柱，成为我们结构一大特色。5、斜梁相交时，两根梁刻槽榫结，用胶水加固，这大大提高了斜梁的稳定性和强度。6、结构采用 5*5mm 的竹筷。有效的节约了材料，经济适用。7、结构模仿实际工程，采用腰梁，增强抗震性和稳定性。8、根据 ANSYS 建模分析的结论，我们加强顶部和支座处节点强度。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -
