创新课程设计—纸质悬臂结构

《创新课程设计—纸质悬臂结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《创新课程设计—纸质悬臂结构（28页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、设计任务书1设计说明书错误！未定义书签。1.1设计构思错误！未定义书签。1.1.1结构造型构思错误！未定义书签。1.1.2结构体系的选择错误！未定义书签。1.1.3结构特色说明61.2模型设计图纸71.2.1结构作品效果图71.2.2结构布置图81.2.3主要构件详图及节点图82计算书122.1计算简图122.2结构计算假定和各个单元物理参数122.2.1计算假定122.2.2构件截面尺寸112.2.3材料力学性质132.3静载工况下结构的内力分析142.3.1结构强度计算142.3.2结构刚度计算172.4承载能力验算182.4.1强度验算182.4.2刚度验算192.4.3稳定性验算192

2、.5承载能力的估算 192.5.1稳定条件控制的最大承重G 1912.5.2强度条件控制的最大承重G 1922.5.3刚度条件控制的最大承重G 2032.6破坏形式的估计20小组分工说明20附录一结构力学求解器输入源代码21附录二 结构内力输出值 23附录三结构变形输出值251设计说明书11设计构思本次设计根据设计任务书的要求，从白卡纸受力性能特点出发，由于白卡纸较抗拉 不抗压，杆件较抗拉、压不抗弯、剪、扭，选择符合其受力性能的支架结构和悬臂结构， 使白卡纸的在受到充分荷载作用下才破坏，最大限度地发挥材料的能力。另一方面白乳胶 会使白卡纸出现一定的性质变化在结构选型问题上，不仅要考虑到理论上的

3、受力，也要注意制作工艺的难度，如果 工艺复杂要求高，我们很难在实际上达到预期的效果。所以要稳定承受荷载的情况下，利用抗拉、抗压和抗弯性能，及纸带的抗拉强度高特 点，选用结构简易，制作难度小，材料精简的原则来考虑结构的设计一座悬臂长440,柱 高800的纸质悬臂结构。111 结构造型构思(1) 材料强度分析纸质杆件的抗弯剪能力比较弱，因此，设计结构时应尽可能降低由荷载产生的弯矩和 剪力。由表1、表2可看出白卡纸的优点：拥有较强的抗拉性能；结果理论分析结合实际， 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考虑以受拉和受压为主, 而减少弯剪效应以充分发挥白卡纸的受力性能。表1 230

4、克白卡纸弹性模量名称种类层数弹性模量(MPa)230克白卡纸156.92148.2表2 230克白卡纸极限应力名称类型层厚拉应力压应力备注(mm)(N/mm2)(N/mm2)230克白卡纸0.322.27.0受压计算时需考虑长细 比对稳定的影响(2) 结构功能要求模型的受力条件：在悬臂端指定位置施加一个集中荷载，最低施加的荷载不能少于5 kg，最大不能大于20 kg。根据任务书的要求和所给材料及制作工艺难度选择斜拉式悬臂结构。为保证结构较大 整体变形和失稳，在节点、加荷位置、应力集中位置都要具有较高的刚度，防止杆件局部 受压造成塌陷。此结构需要拥有足够大的强度、刚度及稳定性，应用刚性构件抗弯刚

5、度高和柔性构件 抗拉强度高的优点，兼顾外形美观，结构才质均匀，做到结构自重相对较轻，安装容易。（3）结构立面形式的选择悬臂结构，结合塔吊的受力原理，我们选择塔吊的结构形式，将起重臂拉绳及平衡臂拉 绳传来的上部荷载，通过塔架结构传递给塔身结构。这样有效的将悬臂端的荷载产生的弯 矩尽量的转化为纸带的拉力和杆件的压力。图1塔式起重机利用斜拉平衡力的道理,将悬臂两端的力通过抗拉性能良好的白卡纸传到主塔架上， 达到两端平衡和大跨度的目的，利用此原理我们就可以完美解决悬臂部分的刚度、强度及 稳定性问题。图2斜拉桥通过对塔式起重机和斜拉桥的对比和结合，我们进行了如下的结构形式比选:表3 悬臂部分结构形式比选

6、悬臂部分优点缺点塔式起重机的桁架形式1ZZT结构刚度大，抗弯性能 好。结构形式复杂，构件较多，节 点实际连接与计算假定存在差 异。斜拉桥的箱型梁形式 m ：结构刚度大，抗弯性能 较好。结构形式较简单表4 支架部分结构形式比选支架部分优点缺点倾斜框架体系受力合理，稳定性好。构件多样，结构复杂。竖直框架体系/造型规则，构件统一。稳定性较差。由上面两表可以看出，4选纟结构立面形式时，为能满足结构承载能力要求，而且又要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 以塔式起重机和斜拉桥作为基本形式，再结合梁、刚架、桁架、组合结构的各自特点，最 终选择将主体部分设计成斜拉悬

7、臂梁结构。这种结构组合既能较好的处理悬挑部分受弯矩作用产生较大挠度的问题，将弯矩尽可 能转化为拉、压力而运用白卡纸的抗拉压能力，使白卡纸的性能得到充分发挥，同时，各 构件组成众多三角形，也增加了结构的整体稳定性。整体立面造型规则，简易而不简单。 如图3所示。图3初始模型(4) 构件截面的选择1)受力性能如压弯杆件，考虑抗弯刚度的大小，宜采用箱形截面；受压杆件，考虑受压稳定性， 而不宜采用细长杆件等。2）拼接工艺一般来说，方杆的拼接形式最为灵活，节点美观性也较好；而圆杆则较复杂。我们可考虑两种截面形式一一单箱双室截面和空心圆形截面。在截面面积及杆件厚度 相等的情况下（即避免自重影响），容易验证单

8、箱双室截面比空心圆截面惯性矩大40%以上。 此外，前者节点处理较圆形截面简单，故最终可选用单箱双室截面。考虑到此次所设计的结构体系只是承受静荷载，可采用更为简单的单箱单室截面。1.1.2结构体系的选择主要从结构体系的整体强度、刚度、稳定性出发。所设计体系为图4所示的悬臂（下 为格构柱形式，上部为双索面的塔架），通过节点接连将悬臂和塔架两个部分连接成整体, 并利用纸带张拉在塔架顶部的张拉以平衡整个结构，增强结构的受力性能。参考了梁桥结构体系。桥梁有梁式桥、拱桥、悬索桥和组合系桥等类型，每种结构都 有各自的特点。从受力、重量、制作加工各个方面统筹分析，此种结构是我们的最佳选择。这样，整个结构能够具

9、有较大的强度、刚度和稳定性。图4结构体系图在悬臂端部加上一个由四根小立柱支撑所组成的加载平台，荷载加载在板上，由加载 板传递下来的均布荷载转化为四个集中力，使整体结构受力分析更加简单明了。如图5所 /示O最后，通过设置横向支撑杆和剪刀撑，得到最终的模型方案。113结构特色说明(1) 先用CAD绘制出精确的构件尺寸图形，然后按图形尺寸制作构件以减少误差。(2) 通过张拉纸带使梁少量预拱，能够有效减少构件的结构变形。(3) 上部悬臂结构采用横系杆，相互交叉的方式增加上部结构的稳定性。(4) 单室双箱截面与普通截面相比，具有更强的抗弯能力。1.2模型设计图纸1.2.1结构作品效果图图7加载示意图1.

10、2.2结构布置图图8结构布置图（mm）1.2.3主要构件详图及节点图首先对模型主要构件及关键节点进行编号，如图9所示。图9构件及节点编号图(1)主要构件详图A 、Cl弋3R图10号杆详图440图11号杆详图X0J11CT0J116X0J1160J11T円仃图12号杆详图(2) 节点图上部悬臂结构与下部格构柱部分连接为刚结，在塔架节点与柱肢相连处进行特殊处 理。塔架斜杆受到顶部纸带传递的压力，使柱肢在结点处受压。柱肢是薄壁杆，在局部受 压的情况下容易发生较大变形使柱肢失稳，同时，悬臂结构的微小变形会使格构柱整体产 生扭转。因此，在柱肢与斜撑连接处进行加劲处理，经处理后的结点强度和刚度大大提高。

11、如图13所示。图15节点C处理示意图2计算书2.1计算简图结构布置如下图所示。1317111416 15图16节点布置图2.2结构计算假定和各个单元物理参数2.2.1计算假定（1）对节点进行编号，单元杆用两节点的数字编号进行表示，如单元杆1,3。（2）该模型为悬臂结构，由完全相同的两榀通过横系杆连接。在规定的竖向荷载作 用下，为简化计算，可直接取一榀进行平面受力分析。（3）模型主要承受竖向荷载，因为加载钢板基本不产生变形。因此，对于平面简化 结构，可简化为节点15和节点16的集中力。其中荷载工况取加载荷载的最大值20kg，即每个节点49N。(4) 加载装置的一端支座不能移动，对结构模型有竖向和

12、水平约束，但是允许结构在此产生一定转角，可视为固定铰支座，如图20。Vri)5)X.31斗(4)打(-4)(2) (13 图17计算简图2.2.2构件截面尺寸(单元杆用两节点的数字编号进行表示)底杆 1,3:矩形，6mm X 9mm，厚度 0.30mm格构柱肢 1,11/2,10:矩形,9mmX12mm，厚度 0.60mm格构柱横杆 4,5/6,7/8, 9/17,18 :矩形 6mm X 9mm，厚度 0.30mm三角形塔柱 10,12/11,12:矩形，9mm X 12mm，厚度 0.60mm起重臂、平衡臂13,15： 9mmX 12mm，厚度0.60mm拉条 16,12 :宽 9mm，厚

13、度 1.20 mm拉条 15,12 :宽 9mm，厚度 0.90 mm拉条 14,12 :宽 9mm，厚度 0.30 mm2.2.3材料力学性质参见表1和表2。2.3静载工况下结构的内力分析231结构强度计算荷载工况：20kg静力荷载，即4X49N。通过编辑结构力学求解器代码（详见附录一），以及各截面参数（见表5）进行结构分 析，得出计算结果。表5构件截面参数A ( mm2)1( mm4)EA (N)EI ( N mm2)底杆1,38.64258.92491.6214732.55格构柱肢1,10/2,1128.44325.634214.8148258.37格构柱横杆4,5/6,78.64258

14、.92491.6214732.55三角形塔柱10,12/11,1228.44325.634214.8148258.37起重臂，平衡臂19,1528.44325.634214.8148258.37三层纸条&154.681200.428103.58四层纸条10.8125.971600.5618668.75图18 弯矩图图19轴力图图20剪力图2.3.2结构刚度计算模型在竖向荷载作用下，产生相应的位移，图21列出了个主要节点的位移。图22 位移图结构变形最大处在悬臂端，最大挠度值为8.3mm，变形较小，满足要求。2.4承载能力验算2.4.1强度验算(1) 格构柱肢在荷载作用下最大轴力，最大弯矩M =

15、200.25Nmm，最大轴力N =45.03N按最不利组 maxmax合计算a = Mmax =45.03/28.44+200.25/148.03=2.94MPa(o )=14MPa W满足强度要求(2) 起重臂，平衡臂的最大轴力N=194.44KNa 二N/A=194.44/28.44=6.84Mpa(a )=14Mpa满足强度要求。(3) 悬臂结构最大弯矩Mmax=157.11N mma = Mmax =157.11/77.68=2.02(o )=14MPaW(4) A塔柱及纸条塔柱在荷载作用下最大压力N =209.84N，最不利组合，四层纸条极限拉应力max(a )=82.4Mpa,结构

16、中纸条最大拉力N =205.68Nmaxa 斜杆二 Nmax =209.84/28.44=7.38MPa (a )=14MPaAa 纸条二 Nmax =205.68/10.8=19.04MPa(a )=82.4MPaA2.4.2冈U度验算本设计允许最大挠度为f =兰0 = 22mm，竖向荷载作用下，经结构力学求解器计算 20得，悬臂端产生最大竖向挠度8.3mmf = 22mm，满足刚度要求。2.4.3稳定性验算(1)经大量试验得到各不同长细比下的稳定系数，见表6。表6不同长细比对应的稳定系数长细比A1020304050607080稳定系数屮0. 930. 880. 780.660. 590.

17、520. 480. 37(2) A塔柱腹杆在荷载作用下最大压力Nmax=209.84N长细比l/i=44.19,查表5内插得旷0.62a 斜杆二 Nmax =209.84/(28.44 X0.62)=11.9(a )=14MPaA2.5承载能力的估算已知材料双层纸的抗压强度为a r=14N/mm2，抗拉强度为a p=44.4N/mm22.5.1稳定条件控制的最大承重G1荷载作用下，上部三角形塔柱失稳时的临界应力a =11.9MPa，为各构件截面中应力最 大，由此推出 q=20*14/11.9=23.53kg2.5.2强度条件控制的最大承重G2荷载作用下，上 部横杆a =-6.84MPa，为各构

18、件截面中压应力 最大，由此推出G =20*14/6.84=40.94kg2.5.3刚度条件控制的最大承重G 320kg荷载下，最大挠度f=8.3mm。本设计容许最大变形f=22 mm,则变形控制的最 大承重 G3=20*22/8.3=48.19kg2.6设计感想由于我们在结构方面所学的专业知识并不强，只能通过一次次的实验以及补充学习我 们在课堂上并未学过的知识。这让我们要比别人付出更辛苦的劳动。队友之间的相互鼓励 和坚持是我们得以走到今天的启明星。我们深深地意识到每个队友的重要性，无论谁都是 不可或缺。小组分工说明设计构思：* 模型设计：* 理论分析：*23456789101112131415

19、161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445附录一结构力学求解器输入源代码结点,1,0,0结点,2,-70,0结点,3,-280,0结点,4,0,150结点,5,-70,150结点,6,0,300结点,7,-70,300结点,8,-70,450结点,9,0,450结点,10,-70,600结点,11,0,600结点,12,-37.5,810结点,13,-280,600结点,14,210,600结点,15,440,600 结点,16,360,600结点,17,-17.5,705 结点,18,-52.5,705 结点,19

20、,-240,0 单元,121,1,1,1,1,1 单元,2,19,1,1,1,1,1,1 单元,19,3,1,1,1,1,1,1 单元,3,13,1,1,0,1,1,0 单元,13,10,1,1,0,1,1,1 单元,10,11,1,1,1,1,1,1 单元,11,14,1,1,1,1,1,1 单元,14,16,1,1,1,1,1,1 单元,16,15,1,1,1,1,1,1 单元,15,12,1,1,0,1,1,0 单元,12,16,1,1,0,1,1,0 单元,12,14,1,1,0,1,1,0 单元,12,13,1,1,0,1,1,0 单元,12,17,1,1,1,1,1,1 单元,17

21、,11,1,1,1,1,1,1 单元,12,18,1,1,1,1,1,1 单元,18,10,1,1,1,1,1,1 单元,17,18,1,1,1,1,1,1 单元,11,18,1,1,0,1,1,0 单元,10,8,1,1,1,1,1,1 单元,8,7,1,1,1,1,1,1 单元,7,5,1,1,1,1,1,1 单元,521,1,1,1,1,1 单元,1,4,1,1,1,1,1,1单元,4,6丄1丄1丄1 单元,6,9丄1丄1丄1 单元,9,11丄1丄1丄1 单元,8,9丄1丄1丄1 单元,7,8丄1丄1丄1 单元,8,9丄1丄1丄1 单元 67,1,1,1,1,1,1 单元,5,4,1,1

22、,1,1,1,1 单元,11,8,1,1,0,1,1,0 单元,8,6,1,1,0,1,1,0 单元 65,1,1,0,1,1,0 单元,5,1,1,1,0,1,1,0 单元 24,1,1,0,1,1,0 单元,4,7,1,1,0,1,1,0 单元,7,9,1,1,0,1,1,0 单元,9,10,1,1,0,1,1,0 结点支承,1,3,0,0,0 结点支承23,0,0,0 结点支承,3,3,0,0,0 结点荷载,15,1,49,-90 结点荷载,16,1,49,-90464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767

23、778798081828384单元材料性质,1,1,491.62,14732.55,0,0,-1单元材料性质,2,2,491.62,14732.55,0,0,-1单元材料性质,3,3,491.62,14732.55,0,0,-1单元材料性质,4,4,1600.56,18668.75,0,0,-1单元材料性质,5,9,4214.81,48258.37,0,0,-1单元材料性质,10,11,1600.56,18668.75,0,0,-1单元材料性质,12,12,1200.42,8103.58,0,0,-1 单元材料性质,13,13,1600.56,18668.75,0,0,-1 单元材料性质,14

24、,17,4214.81,48258.37,0,0,-1单元材料性质,18,18,491.62,14732.55,0,0,-1单元材料性质,19,19,4124.81,48258.37,0,0,-1单元材料性质,20,23,4214.81,48258.37,0,0,-1单元材料性质,24,26,4214.81,48258.37,0,0,-1单元材料性质,27,40,4124.81,48258.37,0,0,-1附录二结构内力输出值杆端内力值杆端1杆端2单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩10.00000000-0.4984229118.67462920.00000000-0.49842291-16.2

25、14974820.00000000-0.010916922.292553410.00000000-0.010916920.4366768430.00000000-0.010916920.436676840.00000000-0.010916920.000000004135.1747720.000000000.00000000135.1747720.000000000.000000005-155.484235-0.528630520.00000000-155.484235-0.52863052-111.0124106-125.9311742.53198419-124.702314-125.931

26、1742.5319841952.53657907-194.438320-0.29964477-94.1894685-194.438320-0.29964477-157.1148698-192.4318841.40278560-157.114869-192.4318841.4027856025.24725839-107.437536-0.3155907325.2472583-107.437536-0.315590730.0000000010118.2152770.000000000.00000000118.2152770.000000000.000000001197.26042880.00000

27、0000.0000000097.26042880.000000000.00000000122.631359670.000000000.000000002.631359670.000000000.0000000013205.6816260.000000000.00000000205.6816260.000000000.0000000014-209.8441621.4716866418.1065665-209.8441621.47168664175.41190115-207.059497-2.72704486200.254653-207.059497-2.72704486-90.034756616

28、-27.05927912.09178947-18.1065665-27.05927912.09178947203.76121117-6.39614953-2.56347719219.941611-6.39614953-2.56347719-52.9362908189.359646961.17209006-24.84275239.359646961.1720900616.180399919-25.00767390.000000000.00000000-25.00767390.000000000.000000002045.03036470.78289700-39.246386945.0303647

29、0.7828970078.18816342120.2466744-0.0682452235.933698420.2466744-0.0682452225.69691572235.3010051-0.0326142939.936706835.3010051-0.0326142935.04456362337.5507833-0.1615624442.741894737.5507833-0.1615624418.507528224-176.505131-0.14565672-18.6746292-176.505131-0.14565672-40.523137525-178.4226310.02831

30、452-36.4863156-178.4226310.02831452-32.239137226-173.0607040.03548858-33.9514478-173.0607040.03548858-28.628160227-169.101089-0.24776584-19.5264148-169.101089-0.24776584-56.69129082824.11523840.019864133.1603832624.11523840.019864134.550872702919.8143416-0.06824522-25.696915719.8143416-0.06824522-35

31、.93369843024.11523840.019864133.1603832624.11523840.019864134.550872703144.4421125-0.188134791.7123106444.4421125-0.18813479-11.45712473243.01967820.16763076-7.6973311243.01967820.167630764.0368218733-60.83249240.000000000.00000000-60.83249240.000000000.0000000034-55.39251010.000000000.00000000-55.3

32、9251010.000000000.0000000035-49.68307690.000000000.00000000-49.68307690.000000000.0000000036-52.35075940.000000000.00000000-52.35075940.000000000.0000000037-51.62427630.000000000.00000000-51.62427630.000000000.0000000038-49.69324450.000000000.00000000-49.69324450.000000000.0000000039-55.15367030.000

33、000000.00000000-55.15367030.000000000.0000000040-59.56706430.000000000.00000000-59.56706430.000000000.00000000附录三结构变形输出值杆端位移值杆端1杆端2单元码u -水平位移v -竖直位移-转角u -水平位移v -竖直位移-转角10.000000000.00000000-0.000341550.000000000.00000000-0.0002223020.000000000.00000000-0.000222300.000000000.004284730.0000990530.0000

34、00000.004284730.000099050.000000000.000000000.0001111540.000000000.00000000-0.004662582.797546131.03413886-0.0046625852.797546131.03413886-0.002803622.639446240.10032323-0.0077329962.639446240.10032323-0.007732992.59676301-0.50897726-0.0088011472.59676301-0.50897726-0.008801142.39905372-3.43110403-0

35、.0199600282.39905372-3.43110403-0.019960022.27792523-6.37012794-0.0235848192.27792523-6.37012794-0.023584812.23630812-8.23413504-0.02315773102.23630812-8.23413504-0.016687565.05109728-0.28303771-0.01668756115.05109728-0.28303771-0.015434872.27792523-6.37012794-0.01543487125.05109728-0.28303771-0.012

36、681502.39905372-3.43110403-0.01268150135.05109728-0.28303771-0.007702752.797546131.03413886-0.00770275145.05109728-0.28303771-0.015655713.55432934-0.45757848-0.01128199153.55432934-0.45757848-0.011281992.59676301-0.50897726-0.00880114165.05109728-0.28303771-0.015655713.54073050-0.05323302-0.01149198

37、173.54073050-0.05323302-0.011491982.639446240.10032323-0.00773299183.55432934-0.45757848-0.011281993.54073050-0.05323302-0.01149198192.59676301-0.50897726-0.008928303.54073050-0.05323302-0.00892830202.639446240.10032323-0.007732991.479014220.06761759-0.00649788211.479014220.06761759-0.006497880.6590

38、55430.05291239-0.00454314220.659055430.05291239-0.004543140.159828000.02727321-0.00216495230.159828000.02727321-0.002164950.000000000.00000000-0.00022230240.000000000.00000000-0.000341550.17472727-0.12819601-0.00221913250.17472727-0.12819601-0.002219130.67444735-0.25778471-0.00439890260.67444735-0.2

39、5778471-0.004398901.48736621-0.38347902-0.00638374271.48736621-0.38347902-0.006383742.59676301-0.50897726-0.00880114281.479014220.06761759-0.006497881.48736621-0.38347902-0.00638374290.659055430.05291239-0.004543141.479014220.06761759-0.00649788301.479014220.06761759-0.006497881.48736621-0.38347902-

40、0.00638374310.67444735-0.25778471-0.004398900.659055430.05291239-0.00454314320.159828000.02727321-0.002164950.17472727-0.12819601-0.00221913332.59676301-0.50897726-0.007592121.479014220.06761759-0.00759212341.479014220.06761759-0.005235880.67444735-0.25778471-0.00523588350.67444735-0.25778471-0.0035

41、45510.159828000.02727321-0.00354551360.159828000.02727321-0.000944650.000000000.00000000-0.00094465370.000000000.00000000-0.001284040.17472727-0.12819601-0.00128404380.17472727-0.12819601-0.003114120.659055430.05291239-0.00311412390.659055430.05291239-0.005649421.48736621-0.38347902-0.00564942401.48736621-0.38347902-0.007543002.639446240.10032323-0.00754300注：变形最大值在表中由下划线表示，转角非常小忽略不计。