中國礦業大學第九屆
行知隊：鄭堅傑
薛兵王煒航
中國礦業大學力建學院
理論分析計算書目錄
一、設計說明2）
1、方案構思2）
2、結構選型2）
3、結構特色3）
二、方案設計4）
1、設計基本假定4）
2、模型結構圖4）
3、節點詳圖5）
三、結構設計計算6）
1、靜力分析7）
2、內力分析9）
四、結構分析總結11）
一、設計說明
根據競賽規則要求，我們從模型製作的材料抗壓特性，單向簡諧動載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，採用比賽提供的竹筷、鐵絲，502膠水味粘結劑精心設計製作了礦井井架結構模型，空間桁架結構為該模型的一大亮點。
1、方案構思
模型主要承受豎直荷載和一定的彎矩。豎直荷載較容易滿足，彎矩對結構的剛度要求較高，同時要求結構有較強的抗剪能力。
（1）本結構主要構思是想利用四根柱子的軸力來抵抗荷載的作用
（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，並利用竹材、鐵絲的抗拉效能，及抗壓性能來抵抗荷載的作用。
2、結構選型
由於四角形具有較強的穩定性，而且在平面上容易找平，我們選擇四角形為主要鏈結構建，用於層與層之間的連線，桁架受力均勻簡單，僅受軸力，便於竹材效能的發揮，我們以空間桁架為主導。
2.1結構外形
結構下平面為邊長300mm的正方形形，上平面為邊長150mm的正方形，結構高700mm,內部採用空間桁架結構加強穩定性。
2.2材料截面選擇
主體承力柱由5*5㎜竹筷2*5㎜竹板組成框架結構，外圍由4*4㎜矩形梁連線，結構內部由2*2㎜斜樑與主體柱交叉相連，增強整體穩定性。
2.3節點設計
主體框架結構相交的節點由於杆的傾斜在加動載和靜載時會引起較大的剪力，在連線時用小竹片填充密實，再用2*2mm水平短竹筷相連使竹筷在下面頂住節點上部斜樑，在載入處節點貼上薄竹片來增大接觸面積，從而來增大節點強度，從而在結構受力計算時一些節點模擬成剛節點。
斜樑相交時，兩根梁刻槽榫結，用膠水加固，增大節點強度和剛度。
3、結構特色
這個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，我們選擇正方形作為主體形狀，受力均勻，載入方便，上窄下寬，形狀漸隨著高度逐漸變化，有活力。
（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，我們改造出變截面柱，成為我們結構一大特色。
（3）斜樑相交時，兩根梁刻槽榫結，用膠水加固，這大大提高了斜樑的穩定性和強度。
（5）結構模仿實際工程，採用腰梁，增強抗震性和穩定性。
（6）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。
二、方案設計
1、設計基本假定
（1）竹筷材質連續均勻。
（2）柱、梁之間的節點按絞點計算，支座為固定支座。載入時豎直靜荷載和水平動載以集中力的形式均分到底部四個節點上。
（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。
2、模型結構圖
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。
俯檢視立面圖3、節點詳圖
y向位移最小處節點詳圖
y向位移最大處節點詳圖
z方向轉角最小值
三、結構設計計算
根據本次比賽的載入規則，荷載有豎向靜載，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靜載和動載簡化為四個均分集中荷載，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。
1、靜力分析
結構頂部加定滑輪，滑輪下懸掛35kg質量的砝碼，根據受力特點及結構形式，將荷載簡化為四個相等的集中力，分別同時施加在結構的兩根橫樑上，橫樑通過斜樑傳遞到承重柱上。
根據ansys軟體建立的模型分析結果，找出結構最大處位移和最大處應力，分析最大處節點強度，剛度和穩定性。
結構位移最小處結點詳圖
結構應力最大處結點詳圖
結構位移和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5.9mpa，遠小於竹材抗拉強度175mpa。
結論：結構承受98n的重力，軸力增加明顯，而彎矩和剪力變化不明顯。
3.2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，結構剪力最大值為0.012n，彎矩最大值0.008n/m，因此，不用校核結構的彎矩和剪力，對結構的應力進行校核。
已知材料：竹材 e=mpa，比重0.5，抗拉強度175mpa，502膠水
查閱有關資料可知：竹材抗壓強度10mpa，抗彎強度20mpa，抗剪強度2mpa
按照第四強度理論進行校核：
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，其橫截面如右圖所示：
截面特性：，故形心座標 x=0,y=＝(5.5+7*4.5) /18=2.2mm
故i1=bh3/12+a×y2=1*73/12+7(4.5-2.2)2=65.6mm4
bh3/12+ay2=11*13/12+(2.2-0.5)2 11=32.7 mm4
65.6mm3+32.7 mm3=98.3mm4
柱的強度校核：
由應力圖可知，
<，故拉壓強度滿足要求。
890.0*10-6*37/98.3*1=0.000335mpa<=2mpa, 故剪力符合強度要求。
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600mm
2*600/4.26=282
=抗壓=0.35*10mpa=3.5mpa>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y方向的水平動載，故y方向變形最大，取y方向的最大位移進行變形校核。
由以上y方向變形圖可知，m<2mm
四、結構分析總結
1、本結構主要是利用四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，並利用竹材的抗拉效能，及抗壓性能來抵抗荷載的作用。
3、根據ansys建模分析的結論，我們選擇正四邊形作為主體形狀，受力均勻，載入方便。
4、根據ansys建模分析的結論，可得出結構位移最大點，針對這一現象，我們改造出變形柱，成為我們結構一大特色。
5、斜樑相交時，兩根梁刻槽榫結，用膠水加固，這大大提高了斜樑的穩定性和強度。
6、結構採用5*5mm的竹筷。有效的節約了材料，經濟適用。
7、結構模仿實際工程，採用腰梁，增強抗震性和穩定性。
8、根據ansys建模分析的結論，我們加強頂部和支座處節點強度。
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1 結構選型 表1 結構形式優缺點的比較 結構受力明確合理，可以從荷載的傳遞方式看出 小車荷載橋面板橫樑豎直柱 橫樑兩端 支座 2 結構模型簡化與荷載分析 1 結構模型簡化 2 荷載分析 橋受的荷載主要是 小車和砝碼的移動動荷載，此處由於對軟體操作不熟悉，將載荷設定為100n的均布載荷，材料選用的是...