和谐号 计算书

纸质悬臂结构模型设计作品名称和谐号参赛学校参赛队员、、专业名称、、指导教师XXXXXXX大学第二届大学生结构设计竞赛组委会二零一一年目录1 设计说明书------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 设计构思 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1.1 造型构思-------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11.1.2 结构体系的选择----------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2 模型设计图纸 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 51.2.1 结构作品效果图----------------------------------------------------------------------------------------------------- 51.2.2 结构布置图----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 61.2.3 主要构件详图及节点图 ------------------------------------------------------------------------------------------- 72 计算书----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 2.1 计算计算简图 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 2.2 结构计算假定和各个单元物理参数 ---------------------------------------------------------------------------------102.3.1 计算假定-------------------------------------------------------------------------------------------------------------102.3.2 构件截面尺寸------------------------------------------------------------------------------------------------------- 112.3.3 材料力学性质------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.3 静载工况下结构的内力分析------------------------------------------------------------------------------------------- 112.3.1 结构强度计算------------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.4 承载能力验算 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------132.4.1 强度验算-------------------------------------------------------------------------------------------------------------132.4.2 稳定性验算----------------------------------------------------------------------------------------------------------13 2.5 承载能力的估算 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------14 2.6 破坏形式的估计 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------14 附录一结构力学求解器输入源代码-------------------------------------------------------------------------------------------- 151设计说明书量统一于美，美从属于量。

美，主要表现在结构选形和谐与良好的比例，并具有秩序感和韵律感，过多的重复会导致单调。

1.1设计构思1.1.1造型构思（1）材料强度分析纸质杆件的抗弯能力最弱，因此，设计时应尽可能降低荷载产生的弯矩。

由表1，表2可看出白卡纸的主要优点是拥有较强的抗拉性能；经试验，白卡纸制成的杆件抗压性能也较强。

因此，结构体系的杆件受力应以受拉和受压为主。

经试验对比，发现比赛指定材料具有如下特点：(1)白卡纸抗拉性能良好，抗压能力较差（力学性能分见表2）；(2)白卡纸卷成纸筒状并用胶粘结后可承受一定压应力；(3)白卡纸分光滑面和粗糙面，粗糙面粘结效果更好；(4)白卡纸各向异性，有顺纹和逆纹之分，顺纹的强度较高；(5)白乳胶粘结力强，纸带对接强度降低，侧接则能达到与母材强度相同。

表1270克白卡纸弹性模量表2270克白卡纸极限应力（2）结构功能要求所设计结构模型应能为承载板提供承载平面，承载平面必须在支承平面以上。

模型最低加载荷载不能少于5kg，最大加载荷载不能大于20kg（以上均含夹在装置的重量），且任一级荷载加上去后20秒以内（含20秒）模型不能破坏且丧失承载力。

（3）悬臂梁结构立面形式的选择悬臂梁结构分为悬臂梁部分和地下支座部分。

结构最重要的功能，就是承受其生命全过程中可能出现的各种荷载。

因此，在选择悬臂结构立面形式中，为了能满足结构承载能力要求，我们做了以下几个方案分析：表3悬臂梁立面形式比选经过反复试验和甄选，由构思中得到启发，充分考虑白卡纸的材料性质，以结构功能要求为基本出发点，从多种形式对比中，决定以方形作基本形式，再结合梁、刚架、桁架、组合结构的各自特点，最终选择横式桁架作为结构的立面形式。

如图1所示。

图1 最终悬臂模型（4）底座支撑结构的选择底座支撑是整个结构受力支持的重要部分。

悬臂和结构连接的地方容易产生应力集中而使结构破坏，为克服各方向产生的力矩，可以制作成梯形、平行四边形，方形等。

底座立面形式比选造型优美，底部受力好。

受力简单，制作方便。

造型直接 制作简单经过反复试验和甄选，由构思中得到启发，充分考虑白卡纸的材料性质，以结构功能要求为基本出发点，从多种形式对比中，决定以方形作基本形式，再结合梁、刚架、桁架、组合结构的各自特点，最终选择方形桁架作为结构的立面形式。

如图2示。

图2 最终底座模型（5）构件截面的选择由白卡纸材料性质及结构的功能要求决定了构件宜以受拉、压为主，而白卡纸的受拉性能较好，且拉杆不存在稳定性问题。

因此，构件截面形式的选择应从受压性能最优的截面形式开始考虑。

可供选择的常见截面有圆形截面、方形截面、矩形截面等。

上弦杆主要承受较大的轴心压力。

从圆形、方形、矩形截面中考虑，圆形的受压性能优于方形，方形优于矩形。

但是，考虑到模型制作时圆形截面节点的处理难度较大（如图3所示），因此，上弦杆选方形截面为宜。

腹杆主要承受拉力和压力，但所受力的大小较上弦杆小得多。

因此，考虑到腹杆与上弦杆、腹杆与下弦杆之间节点的连接方面，为了便于节点处理，腹杆截面选为与上弦外包尺寸相等的方形截面（仅白卡纸层数不同）。

下弦杆以受拉为主，且拉杆不存在失稳的问题。

因此，根据白卡纸抗拉性能较强的优势，适当减小下弦杆的截面面积，故将其选为高度小于宽度的矩形截面，也易于进行节点处理。

图3 圆形截面杆件连接示意图同理，底座支架考虑三角柱、方柱和圆柱时，鉴于圆柱实际操作较大，方柱便于拼接，故做方柱处理。

1.1.2结构体系的选择结构体系的选择主要从结构的整体稳定性出发。

底座和悬臂梁的结构粘合体系做如下分析。

方案一：斜撑。

减少连接点的应力集中。

斜撑时，明显增加很多材料，如此连接，悬臂直接撑住底座方柱面，侧向压力容易使得纸壁受压失稳。

方案二：直撑。

直撑时便于制作，但是受压力度大，且应力集中处需要减弱，并进行转换。

讨论决定，通过横系杆在节点处将其连接成整体，并利用纸带做成拉条支撑弦杆，增强结构的稳定性。

悬臂需要伸出方柱外面，使用纸带，拉住悬挂受压处，减少下杆受力，转移应力集中处的力度。

考虑悬臂伸出至少440mm，保持水平平衡，故在悬臂顶端加上纸带，拉住底柱。