结构力学课程设计圣诞纸结构模型设计.docx

结构力学课程设计圣诞纸结构模型设计

工程训练(2011-2012学年第一学期)题目:圣诞——纸结构模型设计学科部名称:专业、班级:姓名(学号):指导教师:南昌大学科技学院理工学科部土建系圣诞——纸结构模型设计一、设计说明根据任务要求，我们从模型制作的跨中受荷承重能力方面出发，采用任务提供的A0标准绘图纸、白乳胶精心制作了“圣诞”结构模型。1、方案构思本结构主要构思是利用两根长跨的承载力以及中部拉杆拉住下部长跨，再经过两根斜杆将跨中承载传递到两边以及桥墩处。设计的总原则是：尽可能利用拉杆来承受并传递荷载。2、结构选型按照设计要求，在跨中承受荷载，所以考虑尽量将跨中荷载通过拉杆和斜杆向两端传递。考虑到结构的整体性以及承荷作用，这里采用三角形结构，利用三角形的稳定性保证整体性能，以承受更大的荷载，在中部加上竖直方向和斜向拉杆以和主跨一起分担荷载。①结构外形考虑到承载台加载点，我们设计的结构平面为长760mm，宽160mm的长方形，结构高为300mm距离桥墩处1/4主跨部位布置长度150mm竖直支撑杆上部接斜杆，斜杆长度约为4800mm，斜杆中部与主跨中部用长度约为2400mm的斜拉杆连接。②节点设计各受力杆相交的节点由于杆在受力时会引起较大的力，进而引起松脱，在连接时用实心小纸团来增大接触面积，从而增大节点强度。3、结构特色此构件在主跨选取上使用了两张张A0纸张卷成的杆件，保证主要受力部分的强度以及结构完整性。其他部分构件也都选取了A0的纸张。从外形上看采用了三角形结构，充分利用了三角形的稳定性，使得结构有了很好的整体性。二、设计方案1、设计基本假定①纸张材质连续均匀②支座为固定支座③杆件之间节点按铰接点计算2、模型结构图结构实物图结构俯视图结构平视图4、模型结构计算简图5、节点大样图5、主要构件材料表、标号形状尺寸长度数量主跨截面外径18mm内径2mm760mm斜杆截面外径12mm内径2mm480mm跨中立柱截面外径12mm内径2mm300mm1/4跨立柱截面外径6mm内径2mm150mm跨内斜拉杆截面外径6mm内径2mm240mm三、设计计算1、材料性能试验与分析（1）、抗拉强度计算:A0绘图纸受力测试顺纹63N逆纹32N测试的纸带长度15mm，宽度b=20mm，厚度h=0.03mm纸带截面积为A=bh=20*0.03mm2=0.6mm2所以纸带的拉应力为σ=FN/A=63/0.6N/mm2=105N/mm2（2）、弹性模量计算：根据试验得出数据预变形（即挠度w）mm实际承载力N4.0007.30076.512.775140.5ΔF=[(F2-F1)+(F3-F2)]/2=43.75NΔw=[(w2-w1)+(w3-w2)]/2≈4.39mm由于存在Δw=ΔFL3/48EIIz=π(D4-d4)/64=3.14*(184-24)/64mm4=5149.6mm4E=ΔFL3/48ΔwIz≈15684MP2、结构计算模型受力简图模型轴力图模型剪力图模型弯矩图模型受力位移变形图对所能承受的承载力进行试验时，实际加载模型如下图①所示图①进行计算时，消除多余约束后结构简图如图②所示，节点支座没有画出图②在节点1处施加单位力1N取节点1进行计算，受力如图③图③此时F=1=F1，即竖直杆收到的轴力为1取节点2进行受力分析，受力如图④图④F2与F3夹角的一半为ß，由模型的尺寸可以得到cosß=5/8,F1’=F1=F=1,F2*sinß=F3*sinß所以F2=F32F2*cosß=F1’得到F2=0.8取节点3进行受力分析，受力如图⑤图⑤F3’=F3=F2得到F3*sinß=F4=0.653、受力构件截面尺寸设计计算根据设计的模型，考虑到在加载实验时需要预留支承端，并要求悬空跨长为700mm，我们把主跨长度设计为760mm预留出60mm的支承，且由于是主体构件，所以直径选为18mm；由于我们设计的是三角钢架结构桥梁，因此根据勾股定理可以得出各边长度。由于跨中竖直杆承受拉力，且相对受力较大，因此其相对直径选取12mm，长为300mm；1/4小立柱属于受压杆件，直径要求也应该较严格，取直径6mm，长度为150mm；至于斜拉杆，因为主要承受拉力作用，选材时应考虑经济原则。四、制作过程1、模型制作步骤及制作图样①选取并准备好所需工具。A0标准绘图纸，白乳胶以及美工刀等②根据设计的尺寸裁剪好纸张，并将其卷成圆柱状③将个圆柱构件进行拼接，交接处用白乳胶粘饶，节点处用节点锁锁住，并牢固固定④模型接口处用吹风机风干白乳胶⑤模型制作成功2、制作中遇到的难题①开始我们选取的是使用A4的纸张，经过试验后发现A4纸张厚度和韧性都达不到要求，于是只好废弃之前的构思，重新选取A0的纸张进行设计制作②主跨要求跨长为700mm，如果直接两根拼接成主跨的话，我们担心连接点处