模型设计资料整合.docx
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模型设计资料整合
参考文献
1、《木结构设计规范》
2、《木结构设计原理》中国建筑工业出版社
3、《建筑结构构件设计》中国建材工业出版社
【美】林同炎﹑S·D·思多台斯伯利著,王传志等译,结构概念和体系,中国建筑工业出版社,1985
[3]肖新标﹑沈火明﹑叶裕明﹑赵光明,ANSYS7.0实例分析与应用,清华大学出版社,2004。
1.内容包括:
设计说明书和计算书。
设计说明书应包括对方案的结构选型进行说明;计算书应包括计算模型、荷载分析、内力分析、承载能力估算等。
2.加载试验
先按荷重比(F=Q/W)计算出各模型的相对分,其中Q代表模型所承受的最大竖向荷载(N),W代表模型自重(N);再将F值为最大(记Fmax)的模型定为满分50分,其余模型的分数按(满分×F/Fmax)计算。
1、结构选型
结构使用的主要材料是纸、线、胶,本次组委会没有提供材料的力学性能指标。
由于本次组委会指定的材料与“第二届大学生结构设计竞赛”组委会提供材料相近,因此,我们的设计计算假定纸、线力学性能指标分别见表1和表2。
表1 230克白卡纸弹性模量和极限应力
名称种类
层数
层厚/mm
弹性模量/N·mm2
备 注
230克白卡纸
1
0.3
1459
受压计算时需考虑长细比对稳定的影响
表2 蜡线极限拉力
股 数
1
2
3
4
5
8
极限力(N)
48
110
168
207
225
232
表3 材料性能参数表
材料
密度
重度
弹性模量
泊松比
线膨胀系数
N-s2/mm4
N/mm3
N/mm2
1/℃
纸
6E-09
6.00E-06
1459
0.3
1.17E-05
线
2.40E-11
2.36E-08
4.00E+04
0.2
9.90E-06
充分利用纸、线的抗拉强度,防止整体和局部失稳是结构方案设计的出发点。
模型结构受到固定荷载作用。
为了使杆件结构受到的弯矩最小,并充分利用纸、线的抗拉强度受力优势,方案采用悬索桁架结构体系。
使上弦杆和腹杆主要受压,下弦杆主要受拉,尽量避免结构受到的弯矩和剪力作用。
为了防止受压杆件的失稳问题,增加结构的整体受力性能,在竖向腹杆之间用线构造“X”的联系;为了减少上弦杆在平面内和平面外的计算长度,在顺桥向和横桥向用线和杆件设置联系;
在结点处,所有杆件做成实的圆柱体,并与线、胶连接,防止结点破坏。
所有杆件用直径3mm模具卷成环形圆柱体,以提高压杆的稳定性。
根据受力类型和大小不同确定各杆件的外直径,具体尺寸见模型设计。
2、模型设计
模型纵向长度为600mm,模型的外轮廓横向宽度600mm。
支座承载面以下的模型高度在0~350mm。
模型自重不超过500g。
要求模型结构有满足跨中静力加载的条件(见加载装置图),以承受跨中静力荷载,并能够满足加载装置给定的条件。
在结构模型跨中的横向设置两个位移量测点。
3、试验方案
先称量模型自重,再将模型放在支座上,支座间的距离按竞赛要求设置。
在模型每跨的两个跨中侧面放置丁字尺,以测量模型的竖向位移。
按竞赛要求加载:
承载台为两张等长、等高的长桌,桌上固定好四个支撑块,四个支撑块各在其上表面绘出一尺寸为60mm×60mm的正方形区域(该区域称为“支撑区域”),支撑区域中心点构成600mm×600mm的正方形,屋盖模型必须能安放入四个支撑区域内(能放入即视为尺寸符合要求)。
加载装置从屋盖中心穿过,并在下方悬吊砝码。
具体尺寸见附图。
(1)加载过程
比赛为直接加静荷载,按照图示加载方式加载。
初始荷载为10千克,荷载增加梯度为至少5千克/次,封顶荷载为70千克。
若模型结构失效,即取前一次加载重量为最大承载重量。
砝码加载由参赛队派代表在裁判的监督下进行,加载时队员身体不能接触模型和已加载上的砝码。
每一次加载,裁判会在队员手离开砝码后开始计时,模型在5秒钟内没有失效即加载成功,可以进行下一次加载。
(2)失效条件
凡出现下列情况之一者,即判定为屋盖模型失效:
①模型无法按照设计要求正确安装就位;
②模型无法依照比赛组委会规定的加载测量方式进行加载和测量;
③模型在加载过程中接触到了竞赛不允许接触的部位;
④模型在加载过程中出现明显的材料、结构损坏;
⑤结构发生扭转、倾覆;
⑥评审委员会认为失效的其它情况。
2.2.1.材料性能分析:
木条作为模型材料,其力学性能特点是顺纹抗压性能良好,抗拉裂能力较差,抗剪能力差,抗弯一般。
将木条成层粘贴可提高其抗拉压性能。
但受长细比的限制,多为压杆失稳状态的受力破坏,或为节点局部破坏。
此次比赛选用材料为樟子松,其力学性质为:
抗弯强度:
fm=13N/mm2
顺纹抗压强度:
fc=10N/mm2
顺纹抗拉强度:
ft=8N/mm2
顺纹抗剪强度:
fv=1.4N/mm2
横纹承压强度:
全表面:
1.9N/mm2
局部表面积全面:
2.9N/mm2
拉力螺栓垫板下:
3.8N/mm2
参考文献
1、《木结构设计规范》
2、《木结构设计原理》中国建筑工业出版社
3、《建筑结构构件设计》中国建材工业出版社
(通过ANSYS分析可知,杆件的最大弯矩引起的应力只有最大轴力引起的应力的10%左右)能充分发挥构件的力学性能。
模型的主要受力构件为四根传力的斜杆、连接斜杆成拱的拱肋、以及下部受拉的杆件组成。
呈两个梯形平面布置,中间用横梁和斜向支撑连接,增加结构的整体性。
3设计计算书
3.1结构计算模型
利用Ansys有限元软件,采用空间杆系模型对结构进行空间分析,结构分析模型如图3-1所示。
在Ansys建模时,按以下原则进行:
(1)模拟方式:
主梁、横联采用Beam44单元,下部拉杆,采用Link10单元,支座为简支,用四个点来模拟,一个点约束三个方向线位移,另外三个点约束竖向线位移。
(2)材料特性:
按竞赛规程木材的弹性模量取E=16.5Mpa,抗拉强度为80MPa,抗压强度为35MPa。
(3)荷载施加:
根据竞赛要求,在结构的顶部加载,本计算模型以四个大小相同的力作用在顶部四个节点上,见图3-1。
图3-1结构空间分析模型
3.2结构强度计算
由于结构对称,且在所选定的荷载作用方向上,结构受力相同,故可取结构的一种加载情况进行计算,主要进行拱肋、拉杆和横撑强度计算。
3.2.1拱肋强度计算
(1)截面几何特性
拱肋采用三片
薄板以隔板粘合而成,截面面积A=42mm2,截面惯性矩I=686mm4
截面抵抗矩W=I/Y=686/7=98mm3。
(2)内力
拱肋内力见表3-1,弯矩Mz很小,杆件的抗弯强度能满足。
表3-1拱肋内力表
结点号
轴力(N)
面内弯矩(
)
应力(Mpa)
27
-391.12
-0.07
-11.9
1
-391.12
-0.07
-11.9
27
-391.09
-0.07
-11.9
24
-391.09
-0.07
-11.9
24
-391.1
-0.13
-12.8
33
-391.1
-0.13
-12.8
33
-391.07
-0.18
-13.3
30
-391.07
-0.18
-13.3
30
-391.06
-0.19
-13.6
39
-391.06
-0.19
-13.6
39
-391.03
-0.19
-13.5
36
-391.03
-0.19
-13.5
36
-391.03
-0.15
-13.0
44
-391.03
-0.15
-13.0
3.2.2拉杆强度计算
(1)截面几何特性
拉杆采用截面为
的细条,截面面积A=8mm2。
(2)内力
由Ansys有限元软件计算,得杆内拉力约300.6N,应力约37.6MPa同理可得斜撑等的应力分布情况,绘制应力分布图如图3-2。
图3-2应力分布图
3.3结构稳定分析
采用子空间迭代法进行分析,在ANSYS软件中,以1000N的竖向外荷载为基准荷载,通过计算提取前五阶失稳系数,其结果见表3-2。
表3-2前5阶失稳系数
阶数
稳定系数
失稳类型
失稳图示
1
0.90034
整体失稳
2
1.026
拱肋扭转失稳
3
1.1719
下斜横联失稳
4
1.2267
中斜横联失稳
5
1.4026
上斜横联失稳
最小稳定系数达到0.9,故基本满足设计要求。
1.5特色处理
1.5.1蜡线使用
由于本次竞赛允许蜡线作为结构,故在结构的很多复杂节点以及受拉力较大的主要结构,都采用蜡线制作。
1.5.2接头轻便处理
主要杆件接头为便于受力并兼顾美观采用粘接和内绑扎处理。
1.5.3预张拉
整体结构尽量做到简单对称并减轻结构重量,考虑到蜡线线伸长率较大对主要蜡线进行了预张拉,使其在受力后的变形与结构整体变形相协调。
1.5.4Y型底座
接口强化粘接,内部用蜡线穿越绑扎以抵抗水平面的巨大拉应力。
1.5.5顶部接头
顶部接头处受力集中(三向压力作用),在两主杆件中间穿孔设实心小圆杆支撑,可以较好的抵抗竖向力作用且可以抵消部分水平荷载保护杆头不被压坏。
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