臨沂市第一屆
隊員：龐念坤
林鵬劉洋劉韋競臨沂大學建築學院
根據競賽規則要求，我們從模型製作的材料抗壓特性，衝擊荷載的載入形式和靜力載入大小要求等方面出發，結合節省材料，經濟美觀，承載力強等特點，採用比賽提供的木桿和木板，502膠水粘結劑，精心設計製作了「撼天箱柱」結構模型，空間箱型柱結構為該模型的最大亮點。
模型主要承受98n豎直荷載和19.6n豎直方向的衝擊荷載，豎直荷載較容易滿足，豎直方向衝擊荷載對結構的剛度要求較高。
（1）本結構主要構思是利用三根箱柱來抵抗荷載。
（2）設計的總原則是：盡可能的利用細桿來提高柱子的承載力以及結構的整體性，並利用木材的抗拉效能，及抗壓性能來抵抗荷載的作用。
由於三角形具有較強的穩定性，而且在平面上容易找平，所以我們選擇三角形為主體結構框架。箱型柱的截面小，強度高，剛性大，受力均勻簡單，與相同截面的實心桿件相比較，能夠更充分的發揮木材的效能，由此我們以箱型柱為主要受力構件。
2.1結構外形
結構上下平面為邊長230mm的等邊三角形，整體為三稜柱，在外部用t型連桿連線加強結構整體穩定性。
2.2材料截面選擇
箱型柱強度高，剛性大，我們用箱型柱承受豎向靜載和豎向衝擊荷載。箱型柱由兩根2mm×6mm和兩根2mm×8mm桿件組成。
t型柱抗拉抗壓性較好，且有一定的抗衝擊能力，我們用t型柱做連線。t型柱由2mm×4mm翼緣2mm×2mm腹板組成。在中間我們採用2mm×4mm加強連線。
2.3節點設計
t型連桿與主體箱型柱相交的節點，將t型連桿刻槽與箱型柱連線，再在相交處塞入薄木片來增大接觸面積。連桿與連桿的交接處，將連桿切斜面，粘結在一起，增強整體穩定性。
這個名為「撼天箱柱」的結構是在我們製作結構對結構進行試驗的多次迴圈反覆而後的出來的結構，它凝聚了所有的試驗所得的經驗。
它的優點：
（1）從結構的外形上看，我們選擇正三角形作為主體形狀，受力均勻，載入方便。
（2）根據ansys軟體建立的模型分析，可得出結構位移最大點，針對這一情況，我們採用在結構的不同位置加固連桿。
（3）兩根連桿相交時，切斜平口用膠水粘結，這大大提高了整體結構的穩定性和強度。
（4）整體結構主體採用由2mm×6mm和2mm×8mm組成的箱型柱，連桿採用2mm×4mm與2mm×2mm組成的t型杆和2mm×4mm的木桿進行加固，有效的節約了材料，經濟適用。
（5）根據ansys軟體建立的模型分析結果，我們加強頂部和支座強度。
（1）木條材質連續均勻。
（2）柱、梁之間的節點按剛節點計算，支座為固定支座。載入時豎直靜荷載和衝擊荷載以集中力的形式均分到頂部三個節點上。
（3）桿件計算時採用鋼結構計算模式。
根據以上假定通過ansys軟體建立計算模型，所得的內力和位移作為構件設計的依據。
通過ansys軟體建立計算模型，分析內力和位移，簡化各個桿件尺寸和形狀。模型的俯檢視、立面圖及實物圖如圖1~3所示。
圖1 俯檢視
圖2 立面圖
圖3 模型實物圖
上部節點與下部節點的結構詳圖如圖4~5所示。
圖4 上部節點詳圖
圖5 下部節點詳圖
4、主要構件截面
主要承重柱、受力橫樑和斜樑尺寸與數量如表1所示。
表1 主要承重柱、受力橫樑和斜樑尺寸與數量表
根據本次比賽的載入規則，荷載有豎向靜載荷和豎向衝擊荷載，考慮到結構尺寸所能承受荷載的能力，需對本結構進行受力分析，在進行荷載分析時將荷載簡化為三個均分集中荷載，通過計算來對相對薄弱部分作相應的加固，使得材料得到充分合理的利用。
結構的計算模型圖見圖6。
圖6 結構空間計算簡圖
結構頂部載入10kg質量的砝碼，根據受力特點及結構形式，將荷載簡化為三個相等的集中力，分別同時施加在結構的三根承重柱上。
根據ansys軟體建立的模型分析結果，結構最小處位移見圖7，最大處位移見圖8，結構最大應力見圖9，分析最大處節點強度，剛度和穩定性。
圖7 結構位移最小處結點詳圖
圖8 結構位移最大處結點詳圖
圖9 應力最大處結點詳圖
我們製作的結構根據ansys軟體建立的模型分析結果，最大應力為0.207mpa，遠小於木材抗拉強度30mpa。
結論：結構承受98n的重力，軸力增加明顯，加衝擊荷載時，應加強靜力軸力最大點處連線。
衝擊荷載特性為：質量2kg的小球，在距模型300mm高處落下。
根據材料力學，構件受衝擊荷載作用時的應力計算對衝擊荷載進行計算。
在構件頂部載入2kg質量的小球，根據受力特點及結構形式，將荷載簡化為三個相等的集中力，不計其它桿件的分擔受力，偏於安全的分別同時施加在結構的三根承重柱上。
根據ansys軟體建立的模型分析結果，結構位移圖見圖10，結構最大位移見圖11。
圖10 衝擊荷載下的位移圖
圖11 衝擊荷載最大處位移
衝擊動荷因數：
計算結果偏大，分析原因後我們認為，該衝擊荷載係數適用於彈性變形較大時的情況，例如對於普通梁結構或簡化後得到的彈簧支撐系統等，這種結構變形較大，對衝擊荷載有一定緩衝作用。但當下部結構剛性較強的時候，結構靜位移較小，衝擊係數較大，而實際實驗結果表明，衝擊力和衝擊放大係數將不會達到計算值，由此造成的計算誤差將與實際情況相差太遠。
經查閱大量資料後，採用經驗演算法是目前解決此類剛度較大問題的普通做法。目前常用的經驗演算法有：
（1）楊其新等方法
（2）日本道路公團方法
（3）瑞士方法
經計算對比後，我們採用日本道路公團方法
根據計算結果，我們經多次試驗後，最終製作出了能夠滿足要求的結構模型。
4.1用ansys軟體分析模型得內力圖見圖12
圖12 軸力圖
4.2強度分析、剛度分析、穩定性分析
根據ansys軟體建立的模型分析結果可知，對結構的應力進行校核。
已知材料：木材 e=3000mpa，比重0.5，抗拉強度30mpa，502膠水
查閱有關資料可知：木材抗壓強度10mpa。
根據ansys軟體建立的模型分析結果可知：
1）柱的強度及穩定性校核
由以上的應力圖可知，主受力柱上的應力最大，故取它作為物件，進行校核，其橫截面見圖13。
圖13 柱截面圖
截面特性：
柱的強度校核：
由應力圖可知，
故拉壓強度滿足要求。
柱的穩定性校核：
由於底端固定，取最不利狀態，即上部自由，取,已知。
故柱穩定性符合要求。
2）斜撐的強度校核
由於是桁架結構中的斜桿主要承受拉壓，故選取最危險的斜桿，即側面的下部斜撐進行強度校核.
由應力圖中可知，
故斜撐強度符合要求。
3）位移的校核
由於加有沿z方向的衝擊荷載，故z方向變形最大，取z方向的最大位移進行變形校核。
由以上z方向變形圖可知，
符合位移要求。
1、本結構主要是利用三根柱子的軸力來抵抗荷載的作用
2、本結構利用細桿來提高柱子的承載力，並利用木材的抗拉效能，及抗壓性能來抵抗荷載的作用。
3、根據ansys建模分析的結論，我們選擇正三角形作為主體形狀，受力均勻，載入方便。
4、根據ansys建模分析的結論，我們採用箱柱，成為我們結構一大特色。
5、兩根連桿相交時，切45度平口用膠水粘結，這大大提高了整體結構的穩定性和強度。
6、結構採用2mm×6mm和2mm×8mm的木桿，採用2mm×4mm 與2mm×2mm細桿加固有效的節約了材料。
7、根據ansys建模分析的結論，我們加強頂部和支座處節點強度。
[1]孫訓方,方孝淑,關來泰.材料力學[m].孫訓方,胡增強,修訂.北京:高等教育出版社，2002.
[2]龍馭球，包世華.結構力學[m].龍馭球,包世華等編著.北京：高等教育出版社,2006.
[3]王新敏，ansys工程結構數值分析[m].北京：人民交通出版社，2007.
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