工

程

訓

練

(2011-2012學年第一學期)

題目:

圣誕——紙結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

學科部名稱:

專業(yè)、班級:

姓名

(學號):

指

導(dǎo)

教師:

南昌大學科技學院理工學科部土建系

圣誕——紙結(jié)構(gòu)模型設(shè)計

一、設(shè)計說明

根據(jù)任務(wù)要求，我們從模型制作的跨中受荷承重能力方面出發(fā)，采用任務(wù)提供的A0標準繪圖紙、白乳膠精心制作了“圣誕”結(jié)構(gòu)模型。

1、方案構(gòu)思

本結(jié)構(gòu)主要構(gòu)思是利用兩根長跨的承載力以及中部拉桿拉住下部

長跨，再經(jīng)過兩根斜桿將跨中承載傳遞到兩邊以及橋墩處。設(shè)計的總原則是：盡可能利用拉桿來承受并傳遞荷載。

2、結(jié)構(gòu)選型

按照設(shè)計要求，在跨中承受荷載，所以考慮盡量將跨中荷載通過拉桿和斜桿向兩端傳遞?？紤]到結(jié)構(gòu)的整體性以及承荷作用，這里采用三角形結(jié)構(gòu)，利用三角形的穩(wěn)定性保證整體性能，以承受更大的荷載，在中部加上豎直方向和斜向拉桿以和主跨一起分擔荷載。

①

結(jié)構(gòu)外形

考慮到承載臺加載點，我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)平面為長760mm，寬160mm的長方形，結(jié)構(gòu)高為300mm距離橋墩處1/4主跨部位布置長度150mm豎直支撐桿上部接斜桿，斜桿長度約為4800mm，斜桿中部與主跨中部用長度約為2400mm的斜拉桿連接。

②

節(jié)點設(shè)計

各受力桿相交的節(jié)點由于桿在受力時會引起較大的力，進而引起松脫，在連接時用實心小紙團來增大接觸面積，從而增大節(jié)點強度。

3、結(jié)構(gòu)特色

此構(gòu)件在主跨選取上使用了兩張張A0紙張卷成的桿件，保證主要受力部分的強度以及結(jié)構(gòu)完整性。其他部分構(gòu)件也都選取了A0的紙張。從外形上看采用了三角形結(jié)構(gòu)，充分利用了三角形的穩(wěn)定性，使得結(jié)構(gòu)有了很好的整體性。

二、設(shè)計方案

1、設(shè)計基本假定

①紙張材質(zhì)連續(xù)均勻②支座為固定支座③桿件之間節(jié)點按鉸接點計算

2、模型結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)實物圖

結(jié)構(gòu)俯視圖

結(jié)構(gòu)平視圖

4、模型結(jié)構(gòu)計算簡圖

5、節(jié)點大樣圖

5、主要構(gòu)件材料表、標號

形狀

尺寸

長度

數(shù)量

主跨截面

外徑18mm

內(nèi)徑2mm

760mm

斜桿截面

外徑12mm

內(nèi)徑2mm

480mm

跨中立柱截面

外徑12mm

內(nèi)徑2mm

300mm

1/4跨立柱截面

外徑6mm

內(nèi)徑2mm

150mm

跨內(nèi)斜拉桿截面

外徑6mm

內(nèi)徑2mm

240mm

三、設(shè)計計算

1、材料性能試驗與分析

（1）、抗拉強度計算:

A0繪圖紙

受力測試

順紋

63N

逆紋

32N

測試的紙帶長度15mm，寬度b=20mm，厚度h=0.03mm

紙帶截面積為A=bh=20*0.03mm2=0.6mm2

所以紙帶的拉應(yīng)力為σ=FN/A=63/0.6

N/mm2=105N/mm2

（2）、彈性模量計算：

根據(jù)試驗得出數(shù)據(jù)

預(yù)變形（即撓度w）mm

實際承載力

N

4.000

7.300

76.5

12.775

140.5

ΔF=[(F2-F1)+(F3-F2)]/2=43.75N

Δw=[(w2-w1)+(w3-w2)]/2≈4.39mm

由于存在Δw=ΔFL3/48EI

Iz=π(D4-d4)/64=3.14*(184-24)/64mm4=5149.6mm4

E=ΔFL3/48ΔwIz≈15684MP2、結(jié)構(gòu)計算

模型受力簡圖

模型軸力圖

模型剪力圖

模型彎矩圖

模型受力位移變形圖

對所能承受的承載力進行試驗時，實際加載模型如下圖①所示

圖①

進行計算時，消除多余約束后結(jié)構(gòu)簡圖如圖②所示，節(jié)點支座沒有畫出

圖②

在節(jié)點1處施加單位力1N

取節(jié)點1進行計算，受力如圖③

圖③

此時F=1=F1，即豎直桿收到的軸力為1

取節(jié)點2進行受力分析，受力如圖④

圖④

F2與F3夾角的一半為?，由模型的尺寸可以得到cos?=5/8,F1’=F1=F=1,F2*sin?=F3*sin?

所以F2=F3

2F2*cos?=F1’

得到F2=0.8

取節(jié)點3進行受力分析，受力如圖⑤

圖⑤

F3’=F3=F2

得到

F3*sin?=F4=0.653、受力構(gòu)件截面尺寸設(shè)計計算

根據(jù)設(shè)計的模型，考慮到在加載實驗時需要預(yù)留支承端，并要求懸空跨長為700mm，我們把主跨長度設(shè)計為760mm預(yù)留出60mm的支承，且由于是主體構(gòu)件，所以直徑選為18mm；由于我們設(shè)計的是三角鋼架結(jié)構(gòu)橋梁，因此根據(jù)勾股定理可以得出各邊長度。由于跨中豎直桿承受拉力，且相對受力較大，因此其相對直徑選取12mm，長為300mm；1/4小立柱屬于受壓桿件，直徑要求也應(yīng)該較嚴格，取直徑6mm，長度為150mm；至于斜拉桿，因為主要承受拉力作用，選材時應(yīng)考慮經(jīng)濟原則。

四、制作過程

1、模型制作步驟及制作圖樣

①選取并準備好所需工具。

A0標準繪圖紙，白乳膠以及美工刀等

②根據(jù)設(shè)計的尺寸裁剪好紙張，并將其卷成圓柱狀

③將個圓柱構(gòu)件進行拼接，交接處用白乳膠粘饒，節(jié)點處用節(jié)點鎖鎖住，并牢固固定

④模型接口處用吹風機風干白乳膠

⑤模型制作成功

2、制作中遇到的難題

①開始我們選取的是使用A4的紙張，經(jīng)過試驗后發(fā)現(xiàn)A4紙張厚度和韌性都達不到要求，于是只好廢棄之前的構(gòu)思，重新選取A0的紙張進行設(shè)計制作

②主跨要求跨長為700mm，如果直接兩根拼接成主跨的話，我們擔心連接點處的受力會不夠，于是我們選擇使用一整張A0的繪圖紙卷成的紙棒作為一根主跨，由于A0紙張較厚，不容易卷，而且很難卷結(jié)實。

③節(jié)點拼接處，由于我們有三根受拉桿件，如果只用一般的節(jié)點固定方法，那么很容易會被拉脫，起不到拉桿應(yīng)有的作用。為了解決這個問題，我們將紙張折成厚紙條，做成紙條鎖，將節(jié)點處的拼接桿鎖死在一起，用白乳膠加固

3、小組討論解決的問題

經(jīng)過討論，小組最后得出的解決方法有對于主跨處梁，我們使用衣架拉直來做內(nèi)芯，四個人一起最后終于卷成功，紙梁的硬度和韌度達到預(yù)期要求；為了解決節(jié)點處受力易松脫的問題，我們將紙張折成厚紙條，做成紙條鎖（如節(jié)點大圖），將節(jié)點處的拼接桿鎖死在一起，用白乳膠加固。

4、小組分工

方案擬定：組員商議后擬定

卷紙：組員合作完成拼接：組員合作完成任務(wù)書：

五、加載試驗

1、加載方案

利用加載器進行加載

2、結(jié)構(gòu)模型承載力

預(yù)計承載力：對模型的桿件承載力進行計算

對于主跨桿件Iz=π(D4-d4)/64=5149.6mm4

斜拉桿I=π(D4-d4)/64=3.14*(124-24)/64

mm4≈1016.6

mm4

豎直拉桿I1=

π(D4-d4)/64=3.14*(124-24)/64

mm4≈1016.6

mm4

臨界應(yīng)力Fcr=π2

EI/L

所以斜拉桿的臨界承載力為

F斜=3.142*15684*1016.6*10-6/0.48N=327.5N

豎直拉桿的臨界承載力為

F豎=3.142*15684*1016.6*10-6/0.3N=524N

主跨梁的臨界承載力為

F主=3.142*15684*5149.6*10-6/0.76N=1047.79N

根據(jù)模型計算中得出的系數(shù)F1=1,F2=0.8,F3=0.65

當豎直桿達到臨界值時，斜桿受力為0.8*524N=419.3N>327.5N

所以不符合,當斜桿達到破壞臨界值時,主跨受力為

(327.5/0.8)*0.65=266.09N

1047.79N

豎直桿受力為(327.5/0.8)*1=409.375N

524N

符合要求

所以預(yù)計承載力≤327.5N

所以預(yù)計承載力為327.5N

實際承載力：經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)得出實際承載力如下

預(yù)變形（即撓度w）mm

實際承載力

N

4.000

7.300

76.5

12.775

140.53、模型結(jié)構(gòu)破壞分析

模型結(jié)構(gòu)未破壞

預(yù)計模型破壞將發(fā)生在斜桿上,由于斜桿承載力達到極限值被拉斷

六、總結(jié)

設(shè)計開始之前，由于第一次接觸這種形式的設(shè)計，大家都相對比較沒有信心，以至于開始的切入比較困難，然而當我們真正開始著手進行設(shè)計與制作時，發(fā)現(xiàn)其實只要你想做，你就可以做成功的。當我們把一張A0紙卷成紙棒的時候，我們油然而生一種滿足感，原來，只要我們想做，我們可以想到一千種方法去讓他成功，當然，如果你不想做，那么你也可以找到一千個理由不去做。當我們面對這完全沒有頭緒的設(shè)計時，集體的智慧在這時開始閃耀，在這里，我們發(fā)現(xiàn)了每個組員的優(yōu)秀之處，其實，我們都很優(yōu)秀，只是沒有找到展現(xiàn)自己智慧的舞臺。一個設(shè)計，讓我們更加了解自己，一個設(shè)計，讓我們更加明白伙伴，一個設(shè)計，給了我們揮灑自己創(chuàng)意與才情的平臺，一個設(shè)計，讓我們明白了成功與否最大的原因在于你做與不做，一個設(shè)計，讓團結(jié)就是力量這一百年不變的真理再次得以證實。這次設(shè)計讓我們對課本的知識有了更加深刻的理解，讓我們從理論中推導(dǎo)，從實踐中驗證理論，打開了我們的思維。最后感謝老師的用心良苦，謝謝老師的辛勤指導(dǎo)，感謝老師給了我們一個發(fā)現(xiàn)自己了解他人的平臺。

（“圣誕”祝老師圣誕元旦雙旦快樂）

致敬