结构设计大赛计算书

组长：12土木2班 肖志康

组员：12土木2班 张斌鑫、柳晨

设计说明书

1、方案构思·······················································2

2、材料性能·······················································2

3、结构设计·······················································3

4、制作工艺·······················································4

5、特色处理·······················································5

设计计算书

1、计算方法·····················································6

2、结构建模·····················································6

3、内力计算结果·················································6

设计说明书

1方案构思

阅读完竞赛规则之后，我们从模型设计的要求、模型制作材料的性能、加载形式和制作的可操作性等方面出发，进行了构思设计。

首先，我们确定了C点的设计配重至少为5千克，而A点的配重为2千克。考虑到拉杆的抗拉性能、纸的受拉性能等因素，我们选定了格构式，格构式构件是由众多杆件组成的梁杆系统。就底座而言，如果能够使格构形式主要受轴力，那么不仅能在结构的稳定性上有足够的保证，也能更好地利用纸制圆柱的受压性能。

然后，我们参考了工地上常见的塔吊，塔吊式结构的受力机理是很合理的。如果能在此基础上作改进，相信能有一个较理想的结构形式。

2材料性能

在开始制作前，我们用白卡纸和乳胶做了一些实验，并得出了如下结论：

（1）将纸卷成圆筒并用乳胶粘结后，可承受较大的压力，但受长细比的，相同质量的纸杆，越短承载力越大，所以，压杆应尽可能短，而且尽量不受弯矩作用。

（2）用2.5cm宽纸条通过折叠，可承受大于200N的拉力

另外，我们还在网上查阅了相同型号白卡纸的一些力学实验数据：

表1.  白卡纸弹性模量

杆内径

3.1 结构尺寸

在确定这个格构尺尺寸的设计时，我们考虑了结构的稳定性及自重，经过多次修改，我们最终将结构的尺寸定为：柱高110cm、宽20cm，梁为等边三棱柱，边长18 cm，顶柱至梁顶高10cm。

3.2 主体构造

我们组结构的主体构造模仿了工地上的塔吊结构，通过在细部的优化使悬臂部的力基本依轴力的方式传到立柱上，并用纸带使结构的受力更加合理，尽量减少上部梁的剪力，使该结构具有较强的纵横向抗弯刚度和抗扭刚度，整体性好，稳定性高，自重小。          

3.3 杆件尺寸

   桁架结构中，各种杆件的尺寸和用量如下表。

表4. 各构件用纸尺寸表

4.1 大杆

在大杆的制作中，我们发现白卡纸很容易开裂，杆件很容易粗细不均，或变形弯曲。于是我们先用铅笔在白卡纸上每隔5厘米画一条线，涂上适量乳胶，然后3个人同时动手卷杆，在到达刚才画的线时暂停，检查进程是否同步，然后再继续卷杆，卷完后用胶布固定，晾干后再撕下胶布，这样既不会出现大杆绽开的情况，又不会违反比赛规则。

4.2小杆

因为我们同时要追求更大的承重，又要使塔吊自身更轻，所以我们决定将受力不大的小杆做成两层纸厚。并预先将小杆的长度做成比需要的还长6厘米，以便和大杆连接，使节点更牢固。

4.3纸带

在裁剪纸带时，因为折叠后再裁剪会让纸带容易撕裂，我们用铅笔在纸上画线之后，直接用小刀将纸划开，纸带边缘也就更加光滑。

5  特色处理

考虑到在杆上凿洞会影响到大杆的强度，我们在节点处都采用了粘连的方式。在小杆两端分别剪四个3厘米的口子，将小杆上绽开的纸条包裹在大杆上，涂上乳胶，并同样先用胶布固定，晾干后撕下。 

     由于个别的小杆受到的压力很大，节点很容易脱落，我们用纸带将这些小杆拉了起来，这样就可以防止小杆弯曲、断裂。

设计计算书

1、计算方法

计算分析采用ANSYS有限元计算软件。建模时，梁柱单元类型选用空间弹塑性梁单元Beam4。材料属性全部采用线弹性本构关系，将构件的材料特性（弹性模量，泊松比）分别输入。

2、结构建模

模型的梁柱构件均为圆形截面，和矩形截面根据尺寸计算并输入构件的惯性矩等常数。

3、内力计算结果

我们在悬臂端施加5千克的静载，并输出结构各杆件的轴力图和变形图。

由有限元分析结果可知，在加以相同的荷载时，杆件主要受的是轴力，同时结合位移及内力图，我们对结构模型的初步设计方案进行了反复的优化，根据各杆件内力对其截面形式和用料进行了多次调整，以求尽量提高材料利用率和达到最优的荷重比。