1、第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)參賽學(xué)校：大連交通大學(xué)隊(duì)名：名稱：致青春飛天武指導(dǎo)：參賽隊(duì)員：高一李目錄一、設(shè)計(jì)說(shuō)明21.1 概述21.2 材料性能分析21.2.1竹材21.2.2膠水31.2.3熱熔膠31.3 結(jié)構(gòu)選型31.4 模型效果圖5二、結(jié)構(gòu)計(jì)算62.1 手工計(jì)算62.1.1 靜載計(jì)算62.1.2 動(dòng)載計(jì)算82.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器102.2.1 靜載計(jì)算102.2.2 動(dòng)載計(jì)算11三、手工工藝133.1 桿件的制作133.2 節(jié)點(diǎn)的制作14四、參考文獻(xiàn)141 設(shè)計(jì)說(shuō)明1.1 概述第七屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽要求參賽隊(duì)設(shè)計(jì)并制作一雙竹結(jié)構(gòu)高蹺模型，并進(jìn)行加載測(cè)試。采用逆推法進(jìn)行分析

2、，從加載方式入手。模型的加載分為靜加載和動(dòng)加載兩部分，靜加載的荷載值為參賽選手的總重量，以模型荷重比來(lái)體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率；動(dòng)加載通過(guò)參賽選手進(jìn)行繞標(biāo)競(jìng)速來(lái)模型的承載能力。從中得出幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，想要取得好成績(jī)，制作的一定要“輕”、“穩(wěn)”、“快”。以“穩(wěn)”為主，保證做出的模型結(jié)構(gòu)，在大方向上不要出錯(cuò)。其次，結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式，使制作的模型走起來(lái)盡可能的“快”。最后，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、理論計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行減重。對(duì)于模型制作過(guò)程，需要重點(diǎn)注意一下幾點(diǎn)：1、制作完成后的高蹺結(jié)構(gòu)模型長(zhǎng)度為400mm±5mm ，寬度為150mm±5mm ， 高度為 265mm±5mm

3、， 模型底面 不得超過(guò)200mm×150mm 的矩形平面。2、踏板只通過(guò)A、B、C三根木條傳力。3、材料的性能，、膠水、踏板等。4、模型底面是否能承受時(shí)的沖擊力。1.2 材料性能分析1.2.1 竹材本次大賽中使用的竹材均為復(fù)壓， 有三種規(guī)格：21250*430*0.50mm、1250*430*0.35mm和1250*430*0.20mm，竹材有順紋和橫紋，順紋強(qiáng)度非常高，彈性模量1.0×104MPa，抗拉強(qiáng)度60MPa。橫紋方向容易發(fā)生斷裂，所以需要選擇順紋做桿件。通過(guò)計(jì)算和反復(fù)試驗(yàn)，才決定用0.50mm的做主體承重結(jié)構(gòu)，用其余兩類做附屬結(jié)構(gòu)。1.2.2 膠水根據(jù)賽題規(guī)定，

4、502膠水作為本次大賽主體結(jié)構(gòu)的粘貼，涂膠的質(zhì)量直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能，涂膠時(shí)應(yīng)盡量少量、均勻。502膠水腐蝕性較強(qiáng)，在使用時(shí)應(yīng)非常，且揮發(fā)時(shí)間快，涂膠之后應(yīng)馬上粘貼，否則粘貼強(qiáng)度受到很大影響。1.2.3 熱熔膠熱熔膠用于踏板和模型、鞋底與踏板之間的固定，根據(jù)賽題要求，熱熔膠處斷裂算作失敗，所以熱熔膠的固定。所以熱熔膠的用量盡量多一些，封閉性要做好。1.3 結(jié)構(gòu)選型結(jié)構(gòu)在測(cè)試的第一階段主要承受來(lái)自參賽者體重的豎向靜載荷。第二階段對(duì)結(jié)構(gòu)的要求比較高，結(jié)構(gòu)要承受參賽者行走的沖擊動(dòng)載荷，地面對(duì)結(jié)構(gòu)的摩擦力，參賽者轉(zhuǎn)彎時(shí)的離心力等。參賽者在行走過(guò)程中，前腳掌的作用主要是發(fā)力蹬地，后腳掌作用會(huì)隨腳掌著地

5、承受沖擊和。由此決定“刪繁就簡(jiǎn)，直來(lái)直去”，使結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向具有一定的強(qiáng)度，以抵抗動(dòng)載部分復(fù)雜多變的外界荷載。首先選擇桿件的截面形狀，圓形或者方形。圓形抗壓性能比方形3好，但其抗彎、抗扭性能比方形差很多。并且，在節(jié)點(diǎn)連接方面，圓形連接比較，要進(jìn)行連接，而方形則比較簡(jiǎn)單，粘貼也更加密實(shí)。經(jīng)過(guò)比較，我們決定選擇方形桿件?？紤]到結(jié)構(gòu)承受豎向荷載和水平方向的摩擦力，我們選擇了力學(xué)性能較三角形結(jié)構(gòu)，較尋求了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的平衡。結(jié)合人類腳掌在行走過(guò)程中前后腳掌受力方式的不同，我們選擇了將兩個(gè)三角形組合形成一個(gè)“ W ”以解決前后腳掌向地面尋求摩擦力的問(wèn)題，兩個(gè)三角形頂點(diǎn)相連，在側(cè)面形成三個(gè)三角形組合一個(gè)

6、梯形形狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇將兩個(gè)“W”結(jié)構(gòu)并排形成結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩個(gè)“W”足夠富余，遂在踏板中間橫桿兩邊各加一根豎桿，用以豎向支撐和維持側(cè)向。模型在地面的接觸部分形成一種菱形結(jié)構(gòu)，立可以保持平穩(wěn)，行則簡(jiǎn)單自如。到在桿件的方面，我們之前采用的是截面積15*15，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，我們選擇12*12的截面積，也能達(dá)到我們結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，并且減輕了重量，菱形底面也更有利于行走。在行走過(guò)程中，我們采用兩腿稍稍岔開(kāi)并稍稍下蹲的內(nèi)八字行走方式，避免兩支高蹺互相碰撞，并使其底面整體平穩(wěn)著地。41.4模型效果圖5二 結(jié)構(gòu)計(jì)算2.1 手工計(jì)算靜載計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將模型簡(jiǎn)化為平面來(lái)計(jì)算。重量大約為 60 千

7、克，將其作為均布荷載分布在踏板上，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)，將均布荷載變?yōu)榧泻奢d。模型簡(jiǎn)化，將其看做一次超靜定問(wèn)題，將中間桿斷開(kāi)，進(jìn)行計(jì)算分析。具體如下：在力為 1 時(shí)，即 X1=1 時(shí)，各桿件所受軸力如圖 N1在外力荷載 P 作用下，各桿件所受軸力如圖 Np6力型方程：d 11C1 + D1 p =0（ 0.5382 ×28×2+ 0.1922 ×20）1EAd=11= 16.946EA 1D1 p =（0.538 ×161.54×28×2+0)EA= 4866.88EA C1 =-110.17KN N = N1C1 + N p各桿件受力如下

8、圖：7動(dòng)載計(jì)算由于穿上高蹺后，人的方式比較復(fù)雜，在計(jì)算動(dòng)載時(shí)，其簡(jiǎn)單化。高蹺底面著地時(shí)，與地平線夾角很小，可以看作底面一起著地，所以受力方式可以簡(jiǎn)化為受水平荷載和豎直荷載，再根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。具體如下：當(dāng)力為 1 時(shí)，各桿件受力如圖 N1當(dāng)受外力荷載 P 時(shí)，各桿件受力如圖 Np8則方程：d 11C1+D1 p = 01d =(-0.53846)2 ×28×2+ (0.192307)2 ×10×2 11EA1=（17.01321524）EA1D=-0.53846 ×（ -19.1569564 ） × 28 （ -0.53846 ）

9、× 1 pEA（-302.3971137）×28+0.192307×（50.405768）×10 1=（1963.067106）EAC1= -111.858168 N = N1C1+N p各桿件最終受力如下圖92.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算靜載計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖彎矩圖位移圖軸力圖位移計(jì)算桿端位移值 ( 乘子 = 1)桿端 1桿端2單元碼u -水平位移v -豎直位移-轉(zhuǎn)角u -水平位移v -豎直位移-轉(zhuǎn)角123456789-1.132074760.000000001.13207476-0.211053440.000000000.211053440.00000000

10、0.000000000.21105344-5.36044177-2.96424136-5.360441770.00000000-2.964241360.00000000-2.964241360.000000000.000000000.01198100-0.01198100-0.01557983-0.002195520.000000000.002195520.000000000.000000000.000000000.000000001.13207476-0.211053440.000000000.21105344-1.132074760.00000000-0.211053440.0000000

11、0-2.96424136-5.360441770.00000000-2.964241360.00000000-5.360441770.000000000.000000000.000000000.01198100-0.01198100-0.002195520.000000000.002195520.015579830.000000000.000000000.00000000內(nèi)力計(jì)算10桿端內(nèi)力值 ( 乘子 =1)桿端 1桿端2單元碼軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩12345678956.603737956.6037379-160.324618-100.545877-100.545877-160.3246

12、18-111.858164-21.1053438-21.10534380.000000000.000000000.00003337-0.000061260.00006126-0.000033370.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00945086-0.007900570.009450860.000000000.000000000.0000000056.603737956.6037379-160.324618-100.545877-100.545877-160.324618-111.858164-21.105

13、3438-21.10534380.000000000.000000000.00003337-0.000061260.00006126-0.000033370.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.00945086-0.007900570.009450860.000000000.000000000.000000000.00000000動(dòng)載計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖彎矩圖位移圖軸力圖位移計(jì)算桿端位移值 ( 乘子 = 1)桿端 1桿端211單元碼u -水平位移v -豎直位移-轉(zhuǎn)角u -水平位移v -豎直位移-轉(zhuǎn)角12345678912.7293959

14、11.861471212.99354580.2889466011.86147120.7110534011.86147120.000000000.71105340-0.31837762-2.96424146-9.647789210.00000000-2.964241460.00000000-2.964241460.000000000.00000000-0.01322932-0.03341774-0.05965457-0.04266646-0.03524989-0.04150992-0.044760270.000000000.0000000011.861471212.99354580.288946

15、6011.86147120.7110534012.72939590.000000000.288946600.00000000-2.96424146-9.647789210.00000000-2.964241460.00000000-0.318377620.000000000.000000000.00000000-0.01322932-0.03341774-0.04266646-0.03524989-0.04150992-0.03819841-0.044760270.000000000.00000000內(nèi)力計(jì)算桿端內(nèi)力值 ( 乘子 =1)桿端 1桿端2單元碼軸力剪力彎矩軸力剪力彎矩1234567

16、89-43.396235256.6037283-160.324614-242.16596441.0742035-160.324627-111.85816828.8946597-71.10534020.000000000.000000000.00004235-0.000066210.00003212-0.000008260.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.01199555-0.006758600.002338300.000000000.000000000.00000000-43.396235256.60372

17、83-160.324614-242.16596441.0742035-160.324627-111.85816828.8946597-71.10534020.000000000.000000000.00004235-0.000066210.00003212-0.000008260.000000000.000000000.000000000.000000000.000000000.01199555-0.006758600.002338300.000000000.000000000.000000000.00000000數(shù)據(jù)分析通過(guò)手工計(jì)算和結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器的計(jì)算，可以得出以下幾點(diǎn)：1、在過(guò)程中，4 號(hào)桿受較大，所以可以相對(duì)加強(qiáng) 4 號(hào)桿。且在制作過(guò)程中，一定要將 4 號(hào)桿做直，使其充分發(fā)揮抗壓能力。2、過(guò)程中，5 號(hào)桿受拉力較小，可以適當(dāng)對(duì)其放寬要求，但不能影響整體受力。123、無(wú)論靜止還是，7 桿受力都很小，且實(shí)際為兩根桿，所以可將其看作輔助桿件。4、根據(jù)桿端位移值，對(duì)位移較大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，防止其破壞。三 手工工藝3.1 桿件的制作首先，我們選擇方形桿件，截面為 12*12，兩層桿件。1、先出一張，截出想要的長(zhǎng)度，用鉛筆沿順紋方向畫(huà)平行線，每 12cm 一條，畫(huà)四條。2、先用鈍刀（刀背）在線上輕劃一下，使其產(chǎn)