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1、1 石河子大学第四届大学生结构设计大赛作品名称：戈壁自由塔院系名称水利建筑工程学院学生姓名胡春源李继友付柳燕员丽君雷青松指导老师曾 晓云石河子大学大学生结构设计竞赛组委会二 O 一一年 六 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 2 目录一、 设计说明书（一）结构选型 3 （二）材料性质 ： 3 （三）制作工艺 4 （四）模型特色 5 二、 结构计算书（一）计算简图与内力分析 6 （二） 、 强度，刚度，稳定性校核 6
2、 三、 方案图 7 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 3 一、 设计说明书（一）结构选型1、考虑因素： （1）、纸的抗拉压强度比较高，抗弯能力较弱，抗压稳定性差。（2）、防止整体和局部强度条件和失稳是结构方案设计的出发。（3）、加载条件是竖向的静荷载。（4）、加载时荷载容易出现偏心力，使模型偏倒。2、开始构思： 在阅读了本次结构设计大赛的要求后，我们小组就开始查找资料。本次要求我们设计一个多层结构。 并且是承受竖向
3、荷载。 由于尺寸的要求，模型高为 600mm ，顶部尺寸应满足能放200mm 200mm的加载板。 所以该多层结构容易在竖向荷载加载时的偏心力作用下偏倒。考虑到以上 4 点因素，为了使杆件结构受到的力更为合理，方案采用桁架结构体系。最开始考虑到容易倾倒， 我们联想到了埃菲尔铁塔， 于是我们的构思是设计顶层为竖直杆，中间是倾斜杆，底层为三个斜三棱柱，但由于节点杆件数目过多，接点不好处理，可能做出来的模型节点容易破坏。于是我们将斜杆改成了三根竖直的主柱，在底层为了防止偏倒，在外围用斜杆支撑。底层内部用三根斜杆 （一段固定在主杆上，另一端把三个杆固定到一起。）为了防止受桁架的失稳问题， 增加结构的整
4、体受力性能， 在竖向杆件之间用线构造 “ ”的斜杆和横杆联系。最终确定它高600mm ，底座跨度为356mm ，顶部为边长为17.8cm 的正三角形。如右图所示（二）材料性质 ：白卡纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 4 抗压稳定性差。 将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力， 但受长细比的限制，多为压杆失稳状态的受力破坏，可承受一定弯矩。 结构使用的
5、主要材料是纸、线、胶，通过查阅相关资料，材料的力学性能指标分别见表1 和表 2。表 1 230 克白卡纸弹性模量和极限应力名称种类层数层厚 /mm 弹性模量 /Nmm2备注230 克白卡纸1 0.3 1459 受压计算时需考虑长细比对稳定的影响表 2. 215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）备注215 克白卡纸0.3 22.2 7.0 受压计算时需考虑长细比对稳定的影响（三）制作工艺1、卷杆：（1）刚开始卷的时候，由于考虑到要把杆芯容易地拔出来，我们在杆芯上套上了一圈纸环。（2）为了不把杆件卷斜，我们在纸的中间画上了一根于边界平行的细线，让在卷的过
6、程中直线重合。（3）在我们卷主杆时，我们三个人一起往前卷，并边卷便涂胶，涂抹要均匀，并用直尺刮平。（4）在卷细斜杆是，我们将卡纸拆成薄薄的两张，这样容易卷。2、节点： 我们全部用绳子捆绑。（四）模型特色1、顶层：考虑到顶层横杆弯矩较大，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 5 我们用 V 字型的两根杆支撑，并将荷载传递给底层节点。 2.节点设计：在每一根杆的结点处， 我们把它削成 V字型或者是斜尖儿型。使中间斜杆于主柱
7、紧密结合。然后我们用绳子紧密捆绑。如右图所示3、底座：模型底层用三根水平放置的直杆（一头连在一起）。在主杆底部掏上一个洞，让底部直杆穿过去。并在主杆的外围加上一根斜杆支撑。二、 结构计算书表 4 构件几何尺寸及数量表位置内径（ mm ）外径 mm 长度 mm 根数主要柱20 28 600 3 上部横杆5 15 150 3 中间横杆2 8 150 6 顶层斜杆2 10 214 6 中间斜杆2 10 250 3 底部斜杆2 10 226 6 底部横杆2 10 134 3 纸弹性模量取 E=1459MPa ；截面尺寸取空心圆形截面，其主要受力截面（一）计算简图与内力分析 (为了方便计算， 我们把一个
8、侧面看成是一个平面 )（用结构求解器计算）当加载为 200kg时，1、受力图(kN) 2、弯矩图 (N*mm) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 6 3.剪力图 (N) 4 .轴力图 (N)（2）内力分析结果：主杆的最不利组合为： M 几乎为 0，N=,500N，V=20N 撑杆的最大轴力为：N=250N 2、强度，刚度，稳定性校核（查表2，=7.002/Nmm） ：A=)(422dD=223.1442820=30
9、1.44mm2那么，截面对中性轴的惯性矩名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 7 )(6444dDIx=443.14642820=22306.56mm4*220*rSz=22420=3200mm2ANIMyx250001.658/301.44Nmm=7 N/mm2bISFzzs*=2*AFs=22020.133/301.44Nmm强度校核 (由第四强度理论校核 )：222233*1.6580.133=21.674/Nmm = 7.002/Nmm综上所述，理论上，模型在加载200kg 情况下，结构的强度、刚度、稳定性都满足要求。三、方案图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 8 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -