目錄設計任務書
小組分工說明20
本次設計根據設計任務書的要求，從白卡紙受力效能特點出發，由於白卡紙較抗拉不抗壓，桿件較抗拉、壓不抗彎、剪、扭，選擇符合其受力效能的支架結構和懸臂結構，使白卡紙的在受到充分荷載作用下才破壞，最大限度地發揮材料的能力。另一方面白乳膠會使白卡紙出現一定的性質變化
在結構選型問題上，不僅要考慮到理論上的受力，也要注意製作工藝的難度，如果工藝複雜要求高，我們很難在實際上達到預期的效果。
所以要穩定承受荷載的情況下，利用抗拉、抗壓和抗彎效能，及紙帶的抗拉強度高特點，選用結構簡易，製作難度小，材料精簡的原則來考慮結構的設計一座懸臂長440，柱高800的紙質懸臂結構。
（1） 材料強度分析
紙質桿件的抗彎剪能力比較弱，因此，設計結構時應盡可能降低由荷載產生的彎矩和剪力。
由表1、表2可看出白卡紙的優點：擁有較強的抗拉效能；結果理論分析結合實際，白卡紙製成的桿件抗壓性能也較強。因此，結構體系的桿件受力應考慮以受拉和受壓為主，而減少彎剪效應以充分發揮白卡紙的受力效能。
表1 230克白卡紙彈性模量
表2 230克白卡紙極限應力
（2）結構功能要求
模型的受力條件：在懸臂端指定位置施加乙個集中荷載，最低施加的荷載不能少於5 kg，最大不能大於20 kg。
根據任務書的要求和所給材料及製作工藝難度選擇斜拉式懸臂結構。為保證結構較大整體變形和失穩，在節點、加荷位置、應力集中位置都要具有較高的剛度，防止桿件區域性受壓造成塌陷。
此結構需要擁有足夠大的強度、剛度及穩定性，應用剛性構件抗彎剛度高和柔性構件抗拉強度高的優點，兼顧外形美觀，結構才質均勻，做到結構自重相對較輕，安裝容易。
（3）結構立面形式的選擇
懸臂結構，結合塔吊的受力原理，我們選擇塔吊的結構形式，將起重臂拉繩及平衡臂拉繩傳來的上部荷載，通過塔架結構傳遞給塔身結構。這樣有效的將懸臂端的荷載產生的彎矩盡量的轉化為紙帶的拉力和桿件的壓力。
圖1 塔式起重機
利用斜拉平衡力的道理,將懸臂兩端的力通過抗拉效能良好的白卡紙傳到主塔架上,達到兩端平衡和大跨度的目的，利用此原理我們就可以完美解決懸臂部分的剛度、強度及穩定性問題。
圖2 斜拉橋
通過對塔式起重機和斜拉橋的對比和結合，我們進行了如下的結構形式比選：
表3 懸臂部分結構形式比選
表4 支架部分結構形式比選
由上面兩表可以看出，在選擇結構立面形式時，為能滿足結構承載能力要求，而且又要充分考慮白卡紙的材料性質，以結構功能要求為基本出發點，從多種形式對比中，決定以塔式起重機和斜拉橋作為基本形式，再結合梁、剛架、桁架、組合結構的各自特點，最終選擇將主體部分設計成斜拉懸臂梁結構。
這種結構組合既能較好的處理懸挑部分受彎矩作用產生較大撓度的問題，將彎矩盡可能轉化為拉、壓力而運用白卡紙的抗拉壓能力，使白卡紙的效能得到充分發揮，同時，各構件組成眾多三角形，也增加了結構的整體穩定性。整體立面造型規則，簡易而不簡單。如圖3所示。
圖3 初始模型
（4）構件截面的選擇
1) 受力效能
如壓彎桿件，考慮抗彎剛度的大小，宜採用箱形截面；受壓桿件，考慮受壓穩定性，而不宜採用細長桿件等。
2) 拼接工藝
一般來說，方杆的拼接形式最為靈活，節點美觀性也較好；而圓杆則較複雜。
我們可考慮兩種截面形式——單箱雙室截面和空心圓形截面。在截面面積及桿件厚度相等的情況下（即避免自重影響），容易驗證單箱雙室截面比空心圓截面慣性矩大40%以上。此外，前者節點處理較圓形截面簡單，故最終可選用單箱雙室截面。
考慮到此次所設計的結構體系只是承受靜荷載，可採用更為簡單的單箱單室截面。
主要從結構體系的整體強度、剛度、穩定性出發。所設計體系為圖4所示的懸臂（下為格構柱形式，上部為雙索面的塔架），通過節點接連將懸臂和塔架兩個部分連線成整體，並利用紙帶張拉在塔架頂部的張拉以平衡整個結構，增強結構的受力效能。
參考了梁橋結構體系。橋梁有梁式橋、拱橋、懸索橋和組合系橋等型別，每種結構都有各自的特點。
從受力、重量、製作加工各個方面統籌分析，此種結構是我們的最佳選擇。
這樣，整個結構能夠具有較大的強度、剛度和穩定性。
圖4 結構體系圖
在懸臂端部加上乙個由四根小立柱支撐所組成的載入平台，荷載載入在板上，由載入板傳遞下來的均布荷載轉化為四個集中力，使整體結構受力分析更加簡單明瞭。如圖5所示。
圖5 載入平台示意圖
最後，通過設定橫向支撐桿和剪刀撐，得到最終的模型方案。
1.1.3 結構特色說明
（1） 先用cad繪製出精確的構件尺寸圖形，然後按圖形尺寸製作構件以減少誤差。
（2）通過張拉紙帶使梁少量預拱，能夠有效減少構件的結構變形。
（3）上部懸臂結構採用橫系杆，相互交叉的方式增加上部結構的穩定性。
（4）單室雙箱截面與普通截面相比，具有更強的抗彎能力。
圖6 方案效果圖
圖7 載入示意圖
圖8 結構布置圖（mm）
首先對模型主要構件及關鍵節點進行編號，如圖9所示。
圖9 構件及節點編號圖
（1）主要構件詳圖
圖10 ①號杆詳圖
圖11 ②號杆詳圖
圖12 ③號杆詳圖
（2）節點圖
上部懸臂結構與下部格構柱部分連線為剛結，在塔架節點與柱肢相連處進行特殊處理。塔架斜桿受到頂部紙帶傳遞的壓力，使柱肢在結點處受壓。柱肢是薄壁杆，在區域性受壓的情況下容易發生較大變形使柱肢失穩，同時，懸臂結構的微小變形會使格構柱整體產生扭轉。
因此，在柱肢與斜撐連線處進行加勁處理，經處理後的結點強度和剛度大大提高。如圖13所示。
圖13 節點a處理示意圖
水平桿件和豎直桿件的連線處，用節點板貼上，既牢固又美觀。如圖14所示。
圖14 節點b處理示意圖
在紙帶轉折的地方，用多層紙片貼上成乙個漸變的小塊，使紙帶在轉折處可以平順的過渡，受力更合理。如圖15所示。
圖15 節點c處理示意圖
結構布置如下圖所示。
圖16 節點布置圖
（1）對節點進行編號，單元桿用兩節點的數字編號進行表示，如單元杆1,3。
（2）該模型為懸臂結構，由完全相同的兩榀通過橫系杆連線。在規定的豎向荷載作用下，為簡化計算，可直接取一榀進行平面受力分析。
（3）模型主要承受豎向荷載，因為載入鋼板基本不產生變形。因此，對於平面簡化結構，可簡化為節點15和節點16的集中力。其中荷載工況取載入荷載的最大值20kg，即每個節點49n。
(4) 載入裝置的一端支座不能移動，對結構模型有豎向和水平約束，但是允許結構在此產生一定轉角,可視為固定鉸支座，如圖20。
圖17 計算簡圖
底杆1,3：矩形，6mm×9mm，厚度0.30mm
格構柱肢1,11/2,10：矩形,9mm×12mm，厚度0.60mm
格構柱橫桿4,5/6,7/8,9/17,18：矩形 6mm×9mm，厚度0.30mm
三角形塔柱10,12/11,12：矩形，9mm×12mm，厚度0.60mm
起重臂、平衡臂13,15：9mm×12mm，厚度0.60mm
拉條16,12：寬9mm，厚度1.20 mm
拉條15,12：寬9mm，厚度0.90 mm
拉條14,12：寬9mm，厚度0.30 mm
參見表1和表2。
荷載工況：20kg靜力荷載，即4×49n。
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