第五届全国大学生结构设计竞赛一等奖作品

第五届全国大学生机械创新设计大赛决赛评审结果
全国大学生机械创新设计大赛组委会
高等学校机械基础课程教学指导分委员会（代章）
第五届全国大学生机械创新设计大赛决赛第二阶段评审于2012年7月19日至7月24日在陕西省西安市第二炮兵工程大学举行。

大赛评委会通过审阅设计资料、观摩实物演示和进行作品答辩等程序，依据评分标准进行评分，并经评审委员会全体会议复审，并汇总初评结果，共评出一等奖88项、二等奖191项。

大赛组委会还评出优秀组织奖12项、贡献奖2项、纪念奖1项。

现将决赛评审结果公布如下：
设计奖：（见下表，排名不分先后次序）
一等奖（88项）
二等奖（191项）
优秀组织奖：
第二炮兵工程大学
（以下排名不分先后）
北京赛区、湖北赛区、浙江赛区、吉林赛区、陕西赛区、江苏赛区、
四川赛区、湖南赛区、河北赛区、天津赛区、慧鱼赛区
贡献奖：
北京中教仪科技有限公司
派克汉尼汾流体传动产品（上海）有限公司
决赛承办纪念奖
第二炮兵工程大学
全国大学生机械创新设计大赛组委会
高等学校机械基础课程教学指导分委员会（代章）
2012年7月22日。

第五届全国大学生结构设计竞赛计算书参赛学校：北京建筑工程学院参赛作品名：竹参赛队员：宋宇张蕊郜珊指导老师：祝磊一．结构选型根据对赛题的理解以及实践经验，初期选定模型形式为框架结构。

这种结构制作简单，自重轻，可以提供更多放置铁块的空间。

但是在模型的制作过程中我们发现这种柔性结构的侧向刚度过小，在地震作用下，结构顶端与底端产生水平相对位移较大。

经过修改，最终选定结构形式为带支撑框架，其通过弹性竹制楼板的变形协调与刚接框架共同工作形成双重抗侧力结构体系。

斜向支撑作为第一道防线，框架作为第二道防线，具有良好的抗震性能和更好的抗侧刚度。

由于加载时地震波的输入方向不确定，故结构平面选型时考虑将两个方向的刚度保持相同，即尽可能保持结构平面纵横方向对称。

此结构可等效视为一悬臂梁，可知应尽量增大柱间距，以使结构获得良好的抗弯性能。

而根据所学知识以及实际制作的经验，可靠的变截面柱计算起来过于繁复，实际制作中也不可能达到理论模型的效能，最后结构的支柱考虑采用管状等截面柱。

二．设计思路1.对于材料特性分析根据对两种主要材料的特性理解，并结合以往经验，将竹材所发挥的作用近似理解为钢筋，而502胶水凝固后可大大提高所依附材料的刚度，而两种材料结合时竹材为502胶水提供了空间发展的平台。

由于502胶强度远高于竹材，不考虑搭接处节点强度。

而对柱间对接，需考虑其连接强度。

因为实际情况过于复杂且没有必要建立理论模型，直接采用构造措施来保证其连接可靠性。

竹材与木材类似，是典型的平面正交异性材料。

据相关研究表明，此类材料的顺纹方向的抗拉强度较横纹方向大30%以上，而此次比赛所提供的竹皮的横纹抗拉强度则更是远小于其顺纹抗拉表现。

因此要充分利用其良好的顺纹的抗拉能力，避免使材料横纹方向受力过大，所以我们对于部分比较重要的楼板采用顺横搭配的组合截面形式，而单层楼板黏贴与其纹路方向垂直的竹条。

对于柱端的加劲构件的制作，为避免其受弯破坏，采取顺纹缠绕（竹皮纹路与筒长方向一致）的方法，如图1所示。

第五届全国大学生结构设计大赛结构设计方案书作品名称凌霄参赛单位天津大学队伍名称 302指导老师韩庆华教授李宁讲师参赛队员李天宇薛子洲陆洋2011年10月目录一、结构选型 (1)1.1 赛题分析 (1)1.2灵感来源 (1)1.3模型效果 (3)1.4结构选型及创新点 (6)二、结构建模及主要计算参数 (10)2.1建模效果轴测图 (10)2.2模型尺寸 (10)2.3材料力学性能及主要计算参数 (11)三、受荷分析 (13)四、节点构造 (32)4.1柱子与主梁的结点 (32)4.2井字形楼板的连接 (32)五、模型材料表及注水高度 (33)六、铁块荷载布置方式 (33)附录一：振动台试验室实验 (34)附录二：TLD减震技术手段 (35)附录三：Ansys时程分析命令流 (37)一、结构选型1.1 赛题分析本届结构设计大赛旨在设计一座高耸结构，满足强地震作用下的结构使用功能，真正做到高层建筑结构小震不坏大震不倒，进而推动高层建筑逐步成为未来建筑业中的主流发展方向。

与此同时，还要利用TLD减震手段，通过调节结构自身自震频率与水箱自震频率，使得二者达到一个最佳状态，更加完善的达到减震作用。

本次结构设计大赛的荷载模式采取自由设定铁块的方式，有效承载重量是铁块重量的高度加权值。

由于最后的计算公式中，主要涉及有效承载能力结构自身质量台面响应加速度这三项参数指标，因此，如何做出较为轻质的结构，尽可能的提升承载能力成为了本届结构赛的关键。

与此同时，充分利用TLD，使得水箱的自震频率接近甚至等于结构在施加铁块之后的自震频率，在一定程度上可以帮助起到减震的效用。

结构自身质量主要是来自于竹皮用量以及502胶水的使用量，虽然502可以增重较大，但是502胶水滴注过的竹皮强度会有一个很大的提升，我们团队在制作结构的时候，通过这种方法，对一些关键的部位滴注胶水，提升结构的承载力。

结构的有效承载力是按照铁块重量乘以所在高度进行加权值求和，虽然体块在高处可以得到更多的有效承载力分数，但是，不可盲目追求而忽视结构自身的承载规律特性，尽量做到铁块均布在结构上。

带屋顶水箱竹质多层房屋设计方案【摘要】本作品严格按照“第五届全国大学生结构设计竞赛”要求，采用组委会提供的各种规格竹材及胶水的力学特性，以获得最理想的效率比为结构设计目标，根据结构设计动力学和静力学理论，通过一系列的试验摸索和反复计算，逐步对方案分析和优化，在结构自重、楼层荷载分布的高度和重量、所能承受的最大地震波加速度峰值等四个方面进行最优组合，经过数月的努力，精心设计并制作了符合竞赛要求的结构模型——挺然。

【关键词】木竹结构多层房屋结构地震波效率比目录目录 (III)1.设计思路 (1)2.模型方案 (2)2.1结构方案 (2)2.2铁块布置 (5)2.3水箱设置 (5)3.理论计算 (6)3.1模态分析 (6)3.2静力分析 (8)3.3动力分析 (14)4.试验研究 (15)4.1材料试验 (15)4.2振动台加载 (16)5.施工要素 (16)5.1下料及构件制作 (16)5.2组装 (17)5.3其他 (17)6.结论 (17)1.设计思路本次赛题为制作多层竹质房屋结构，结构顶部及各层楼面分别放置水箱和附加铁块，利用小型精密振动台系统模拟水平地震作用对结构进行加载，考察其承载力。

通过对赛题的深入理解，我们从以下几个主要原则着手设计：✧结构材料特点：充分利用赛题所给出的竹制材料所具有的良好的拉、压性能，同时，运用竹皮可以方便的裁制出各类所需要的杆件截面，制作出得杆件具有良好的柔韧性。

达到结构“柔而不坏”的特点✧结构动力特性：针对加载的三条地震波，经反应谱分析可知，峰值反应谱频率主要分布在2～6Hz范围内。

为此，从减小结构的地震作用的角度出发，应尽可能使结构主要自振频率避开此区间。

考虑到结构做的刚度较大将无形中会增加材料的用量，所以我们争取将结构的第一阶自振频率控制在2Hz以下。

✧结构节点要求：自振频率的降低必然会使结构趋柔，从赛题规则来看，对结构变形未提出要求。

变形的大小不会影响成绩。

“PKPM”杯第五届全国大学生结构设计竞赛计算书摘要“PKPM”杯第五届全国大学生结构设计竞赛参赛作品——“竹”，欲学竹之挺拔，PK竹之坚韧，能矗立于大震之后。

该作品采用仿生设计。

柱脚仿竹之根须，分散粘接于底板，锚固可靠；柱身仿竹之躯干，为中空截面，上细下粗，受力合理；梁柱节点仿竹之竹节，连接牢靠，韧性好。

根据竞赛规则和地震波特性，合理设计了结构形式和铁块放置方式，形成了上部水平刚度小，下部水平刚度大，同时兼顾稳定性的结构体系。

在满足竞赛所有要求的前提下，经多次计算、试验和优化，作品“竹”在平面上呈边长141mm的正方形，每层有4个矩形箱型截面主梁，并由4个三角形箱型截面柱支撑；为布置更多铁块，在第三层上采用了悬挑梁，以扩大楼层面积；在立面上，布置了一些控制结构水平刚度和提高稳定性的斜向和水平支撑。

考虑材料的离散性和制作工艺的误差，作品“竹”的自重为78±5g，承载27±3kg铁块和满载的水箱，其有效承载面积为648cm2，能成功抵御竞赛给定的各级地震作用。

总之，作品“竹”造型简洁、工艺精美、受力合理、结构材料效率比高，实现了模型自重轻、抗震性能好的目标。

目录1设计说明 (2)2 结构选型 (3)3 结构建模及主要计算参数 (4)3.1 分析假定 (4)3.2 材料特性、几何模型 (5)3.3 静、动力荷载参数 (6)3.4 有限元模型的建立 (7)4 结构受荷分析 (8)4.1 结构静力分析 (8)4.2 结构动力分析 (9)5 节点构造 (12)5.1 支座节点 (12)5.2 相贯节点 (12)6 模型加工图及材料表 (13)6.1 模型加工图 (13)6.2 材料表 (15)7 铁块分布详图 (16)7.1 铁块分布详图 (16)7.2 水箱注水重量 (18)附录：参赛作品“竹”设计图1 设计说明“PKPM”杯第五届全国大学生结构设计竞赛结构设计竞赛模型为多层房屋结构模型，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。

大学生结构设计竞赛之“八仙台”作品结构模型的制作与分析作者：雷博周学斌夏晨阳刘岳矗周亚青来源：《科学与财富》2019年第20期摘要：全国大学生结构设计竞赛是培养大学生创新意识、合作精神和工程实践能力的学科性竞赛。

本次结构设计竞赛题以承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计为主。

承受多荷载工况的大跨度空间结构模型必须承受静载，随机选位荷载及移动荷载及多种荷载。

三种载荷工况分别对应实际结构设计中的恒荷载、活荷载和变化方向的水平荷载。

关键词：结构设计竞赛；结构模型；模型制作；模型加载1 赛题设计任务与分析赛题要求设计并制作一个大跨度空间屋盖结构模型，模型构件的布置范围在两个半球面之间，内半球体半径为375mm，外半球体半径为550mm。

模型放置于加载台上，在指定位置设置加载点。

在一、二级8个点上施加竖向荷载加载过程中，通过位移测量装置对结构中心的垂直位移进行测量，模型位移的许可值[w]=12mm。

三级荷载在内圈加载点中抽签选出1个加载点施加变化方向的水平荷载，加载点如图1所示。

空间桁架结构能最大限度发挥材料的承载能力，但是受压杆的稳定性是关键。

各个加载点和杆件连接点的局部承载能力，应充分考虑。

图1 加载点布置图2 结构设计过程2.1参考资料收集经过调研，我们在一些模型结构上，分析其结构的受力特点，各个杆件的变形情况。

空间网架结构由于网架结构杆件之间的相互作用，使其整体性好、空间刚度大、结构非常稳定，这种结构可以考虑。

悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中不出现弯距和剪力效应，但悬索结构的分析设计理论与常规结构相比，比较复杂，限制了它的广泛应用。

除以上几种空间结构外，尚有组合网架结构、预应力网格结构、管桁结构、张弦梁结构、索穹顶结构等几种常用空间结构，都有自身的特点和实用范围。

2.2结构选型根据参考资料、赛题要求及组委会所提供的材料、工具、限定的连接方式，小组成员与指导老师共同讨论分析拟定设计方案。

第五届全国大学生机械创新设计大赛决赛评审结果
全国大学生机械创新设计大赛组委会
高等学校机械基础课程教学指导分委员会（代章）
第五届全国大学生机械创新设计大赛决赛第二阶段评审于2012年7月19日至7月24日在陕西省西安市第二炮兵工程大学举行。

大赛评委会通过审阅设计资料、观摩实物演示和进行作品答辩等程序，依据评分标准进行评分，并经评审委员会全体会议复审，并汇总初评结果，共评出一等奖88项、二等奖191项。

大赛组委会还评出优秀组织奖12项、贡献奖2项、纪念奖1项。

现将决赛评审结果公布如下：
设计奖：（见下表，排名不分先后次序）
一等奖（88项）
二等奖（191项）
优秀组织奖：
第二炮兵工程大学
（以下排名不分先后）
北京赛区、湖北赛区、浙江赛区、吉林赛区、陕西赛区、江苏赛区、
四川赛区、湖南赛区、河北赛区、天津赛区、慧鱼赛区
贡献奖：
北京中教仪科技有限公司
派克汉尼汾流体传动产品（上海）有限公司
决赛承办纪念奖
第二炮兵工程大学
全国大学生机械创新设计大赛组委会
高等学校机械基础课程教学指导分委员会（代章）
2012年7月22日。

第五届全国大学生机械创新设计大赛各大高校校内选拔赛优秀作品本文档中资料均收集自网络，并已标注资料来源，编辑：liangweisee1.沈阳工业大学：（资料来源）机械学院：机械迷方；管理学院：速度与激情投篮等四组作品2.西南石油大学：（资料来源）2.1家务类作品：机电院李燕玲团队的新型伸缩晾衣架以其独特的创意赢得了评委的一致好评，评委老师甚至指出这种创意也可以用在其他方面。

其他参赛作品有：新型天花板清洁器、新型吸拾发器装置、多功能组合扫把拖、新型擦窗器、智能晾衣架、下雨自动关窗器、简易天花板清扫机、复合式晾衣架、多功能清扫器、新型手推式扫地机、多功能地板清洁器、新型伸缩晾衣架、简易可伸缩可移动家用升降机、建议灯泡更换器和餐盘保湿器15件作品2.2家用健身类创意作品：机电院赵勇团队设计的家用手脚互动锻炼器从方便、安全的角度出发，制作出了一套适合现代家居的锻炼器材。

其它家用健身作品有：家用小型健身器和新型健身自行车。

另外还有为母亲设计的LB多功能新型婴儿床和新型多功能婴儿床，同样是婴儿用床,前者因其自动摇晃床的创意以及为母亲和婴儿考虑的角度获得了评委老师的好评，后者亦以其从节能、经济、人性、安全等多个角度出发，从国内外的优秀产品上借鉴创新，其多功能、模块化的设计理念、自动避障刹车等特色使得作品更为突出2.3趣味创意作品：机电院雷元团队设计的新概念跷跷板，凭借着它的超强趣味性打动了在座的评委,大家纷纷对他们的作品表示赞许。

其它的创意作品有：火车座椅设计、可调式照明雨伞、护眼多功能床上小书桌、多功能便携式电脑桌、大学生宿舍床梯设计、可调式鞋架、多功能剪刀、自动报警防盗锁、减速带发电器、多功能吹风机、多功能便携式电脑包这11种作品这些作品都充分体现了同学们的创新能力和综合素质,展现了当代大学生积极向上的精神风貌3.陕西科技大学：（资料来源:陕西科技大学学生工作部）参赛作品：全自动洗鞋机、身体协调健身器、休闲娱乐秋千、多功能按摩健身装置、Easylife团队的智能炒菜机4.北京理工大学珠海学院：（资料来源）机械与车辆学院获奖作品名单奖项序号组别作品名作者李伟鸿一等奖 1 慧鱼组护花使者-花盘自动护理器李半秋陈梓佳郭子聪龙肇龙二等奖1 慧鱼组环保多功能自动清洁机(urROBOT)李洪伟温浩源黄香山李主求张广林2 慧鱼组晾衣好帮手李锦跃袁泽炼单军伟梁俊浩3 原创组自动叠衣机汤国彪谭康盛赖小龙三等奖1 慧鱼组勤劳的小蚂蚁——全自动光滑墙壁清洗器邱明武李运发蔡声润赖小龙2 原创组家用遥控机器人蔡少森陈东镖李焕张德志5.华中农业大学：（资料来源）打地鼠娱乐机、健身电脑椅、台灯机器人、脚踏式环保休闲洗衣机等16个项目6.南京理工大学（资料来源）6.1以创新见长：三维打印技术做成的定量调味罐、八连杆机构的逍遥马、多功能多联动按摩轮椅、两部带有新颖传动设计的自行车6.2节能环保型：节水型水龙头、多功能环保窗帘、净鞋精灵7.华北电力大学（保定校区）（资料来源）8.东北大学（资料来源）顺序题目学生指导教师一等奖一种新型环保清洁机器人范文韬、李国良、刘俊男、吕伟、郑雯邹平杨旭磊二等奖真空吸盘式爬壁机器人王奇斌、姬国钊、王卓张世伟二等奖太阳能采光系统设计黄长发、曹洋、陈秀峰张建成三等奖多功能代步车张荣昌、曹开元、何卫震、陆彤、王宝珠王宏刘冲三等奖环保型带式输送机汪博、梁媛媛、陈洪亮宋伟刚三等奖节能环保立体车库严智远、朱庆贺、李茹、左博、段雅丽王庆岳向吉优秀奖机械自动清洗便池装置廖浪、雷林、邱永峰优秀奖高效环保型自动擦黑板设备赵雪彦等、朱丽莎张义民韩清凯优秀奖磁悬浮陀螺蒋扬均、蒋成龙刘国良优秀奖宝贝机器人C语言编程宋博、刘丹颜世玉9.东华大学（资料来源：东华大学教务处）项目名称团队成员指导老师便携式电动鞋刷设计与制作宋涛、黎想、温锦华、原蕊王永兴、于海燕基于ZigBee的中国林蛙养殖智能大棚模型的研究与开发刘婷、闫丙磊、罗雨璋杨向萍模块化“极限运动”遥控车郑烁隆、郭亚、张家顺、苏庆双、赵岩骆祎岚、陈玉洁太阳能概念车的制造李翔、顾友林禚洪昌王浩戴惠良、周虎便携式可重构自行车陈凌伟、龚勋、路金玲、王润庭王永兴、王生泽小区多层升降停车系统房焕之、曾新芳、张家顺唐智半自动便携式擦玻璃机王依平、孔佺佺、魏奔、高梦瑾孙志宏、周申华让泼出去的水收回来——环保热水器董非、刘珂、钱槱昕姚子颖太阳能绿化自动灌溉系统禚洪昌、李翔、顾友林、华舒阳戴惠良、周虎10.无锡商业职业技术学院：（资料来源）奖等级获奖作品名称参赛学生姓名指导教师姓名一等奖能自动收晾的多功能智能晾衣架娄恩柱吴磊王美娟多元一体化清洁机王彬屈奎雨吴建军葛荣亮二等奖一种自动控制婴儿摇床刘博孙培其肖丽徐欢高文娜李景魁高汉华万向吸顶电风扇张峥水亢阳阳稽许正顾竹君秦玉洁王宝敏林瑾一种多功能升降床韩静房同瑞师振芳叶亚战孙伟凡王新琴杜春宽优秀奖远程控制自动关窗器孙培其刘波肖丽徐欢李景魁高汉华小型收缩家用梯李敏敏陈艳蔡亚洲杨少强吴德宝冯志芬顾菊芬开门转鞋器鄂涛杨袁阳魏银高尔军家庭用双人健身器材林立川许停停丁东杨赵岩朱琳周凌陈亚梅吸盘擦窗器房成奇张波游周杨国华戴明智能感应窗曹丽丽朱珠周丹陈胜吕军石晓明11.湖北汽车工业学院：（资料来源）舞动的竹竿、趣味休闲玩具车（机电）、多变精钢（桌椅与健身器材的结合）等6件作品12.湖南科技大学：（资料来源）机电工程学院一等奖：全自动多功能玻璃清洁机器人、社区自动互变形篮球架和乒乓球台、全自动挤牙膏器、除菌型真空袋储衣柜二等奖：节能娱乐健身课桌椅、智能选衣梳妆衣柜、新型筷子笼、智能晾衣架、自行式清洁健身机、多功能数字智能药箱、节水型自动拖把清洗机、全自动拖把清洗机三等奖：旅行牙刷、嵌套式自动升降柜、多功能果蔬切削机、多功能装拆滑轮鞋、洗涤液自供给刷、鞋底清洁装置、家用便捷半自动粘贴器、自适应性健身按摩椅13.北京交通大学：（资料来源）一等奖：·机械组：看我七十二变-交互式多自由度变形机构、可升降叠衣桌、可缩放变形艺术灯具·慧鱼组：家用开瓶机二等奖：·机械组：可压缩式垃圾桶、往复式跳跃娱乐小车、脚踏滑板车、“摇钱树”、仿生机械马·慧鱼组：洗碗机、家用diy曲奇机、垃圾自动拾取垃圾桶三等奖：·机械组：新型立体旋转式储物柜、偏心动力娱乐轮椅、自主调节式旋转储物架、自动喂鱼机、家庭小型物品搬运机械、创意衣架、新型清洁车·慧鱼组：羽毛球发球机、全自动挤牙膏器、自动化刷牙装置、快乐的提线木偶、天天向上运货机器人、酷型调酒师14.南京工程学院：（资料来源）机械工程学院：自动循环淋水婴儿澡盆、可刹车自行车脚撑车辆工程系：亲子式（3人）臂力驱动协力小车建筑工程学院：“傻瓜式”直冲蹲式马桶15.西北农林科技大学：（资料来源）因可行性高、实用性强、与大赛主题“幸福生活-今天和明天：休闲娱乐机械和家庭用机械的设计和制作”相符的三件作品：10级机化专业瞿济伟：多功能老人便捷车09机制专业陈雄超：自动感应收回式晾衣杆10级机制专业马宝童：多功能拉杆箱16.杭州电子科技大学：（资料来源）机械工程学院新颖独特“温柔的手”、趣味性十足的“大力水手”、巧妙方便的"便携式床”17.辽宁工程技术大学：（资料来源）创新实践学院主办，机械工程学院承办一等奖：家用娱乐健身器等3件作品二等奖：多功能清洁机器人等6件作品三等奖：新型多功能自动垃圾桶等9件作品liangweisee整理供稿2012年4月2日星期一。