结构模型制作.doc

结构模型制作
第1节理论准备
作为一项极具启发性、创造性和挑战性的科技竞赛,大学生结构设计竞赛既考验参赛者的结构设计知识,又锻炼大家的动手实践能力,并在竞赛过程中,考验参赛大学生的综合素质。
一个优秀的竞赛作品,必然是参赛者准确把握命题要求、正确运用理论知识、精确进行模型制作的结晶。
——细致准确、有的放矢
由于受比赛时间、材料等条件限制,大学生结构设计竞赛往往突出“结构概念设计”的要求。参赛选手一般只需在符合题目要求的前提下,从满足结构承载能力的角度进行构思和设计即可。
要做到“符合题目要求”,就需要我们充分了解要求,准确把握比赛规则。只有“审”好了题,才能做到有的放矢,更好地指导模型设计与制作。
首先,在结构设计之前,参赛者应认真阅读比赛章程。
比赛章程是对比赛相关事宜的详细阐述。我们除了要准确了解参赛对象、比赛进程等规定外,更应该对命题要求、理论设计、加载方式、破坏指标、评分标准等核心内容做细致分析。以桥梁结构模型设计为例,通过阅读比赛章程,我们至少需提炼以下五点信息:
①模型尺寸
在比赛章程中,一般会给出模型尺寸的限值。当未直接给出限值时,
可通过加载条件间接加以确定。如对于桥梁长度而言,过短不利于加载平台的有效支承,过长则增加结构自重;对于高度而言,过小不利于结构竖向刚度的保证,过高则影响加载试验,也增加了结构的自重;对于宽度,一般受车道条件和加载方式的限制。因此,模型的尺寸应保持在一定范围内,通过理论分析和模型试验取得各方面的平衡。
②支承形式
支承形式对结构设计的影响很大,直接关系到模型的结构形式和理论分析。为此,我们需要关注“加载平台是否提供有效的水平约束”。一般的竞赛只提供竖向支承,而水平约束则较弱,甚至不提供。因此,对于悬索和有水平推力结构,往往受该条件限制而无法运用,此时应考虑采取其他方式,如系杆拱等。③几何净空
这在实际工程中极为重要,对于模型设计,一般也会限定其净空要求,但往往被很多参赛者忽略。对于承受移动荷载加载的桥梁模型,净空大小直接关系到模型是否能够顺利加载。
④加载方式
包括载荷形式、布载方式、加载流程、最大载荷等。
对于静载试验,一般用砝码或者其他代替的重物(沙包、铁块等)进行加载; 对于动载试验,一般采用具有一定重量的牵引式可移动小车进行加载。
⑤评分标准
一般分为造型设计、理论计算、制作工艺、现场答辩、加载试验等方面。其
中加载试验是比重最大的指标,通常占50—60分,其他指标则各有侧重。从比赛经验来看,最终影响竞赛成绩也大多是加载试验指标,因此,参赛者务必在加载环节上进行足够仔细的研究。
其次在整个模型设计与制作过程当中,参赛者应反复进行规则审读和讨论,对于不太明确的细节则务必在模型制作前向组委会进行询问并获得明确答复,避免因对规则误解而导致无法参赛。
——概念清晰、思维创新
选择正确的结构型式,即“结构选型”,是取得优异成绩的前提。一个好的结构型式,不仅体现了选手清晰明确的力学概念,还可以很好地表达作者的设计构思,也必然体现作者的创新思维。
结构选型一般从命题要求出发,再结合结构专业知识,通过比较、分析、计算、试验等,确定模型的结构型式。为此,参赛者应在设计之前,通过查阅资料,了解、补充和学****相关知识。
对于桥梁结构体系来说,一般分为梁桥、拱桥、悬索桥及组合体系四类。而结构竞赛中经常采用的就是梁桥和拱桥两种。
从全国各高校的比赛情况来看,大多数模型均采用空腹式梁桥——桁架桥结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好,而且可以通过变桁高来实现竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化,从而最大程度减轻结构自重。
当然在结构选型时,我们更应该充分结合比赛实际,发散思维,大胆创新,这也是大赛精神的要求。
以第二届全国大学生结构设计竞赛为例,大连理工大学的参赛作品则
采用了实腹式的梁桥(蒙皮结构),这是纸质模型桥式上的大胆尝试,这在下文还将做详细阐述。
——循序渐进、逐个击破、因材施用
在准确审读竞赛要求、基本确定结构型式之后,接下来一个核心环节就是结构设计。参赛者主要依据结构设计基本原理,针对加载条件的要求和限制,进行合理的结构布局设计。
结构设计是一个循序渐进的过程,它不是一蹴而就的,也不是一成不变的,而是需要在整个竞赛准备过程不断进行优化和改进的。同时,参赛者应结合材料的不同力学性能,做到“因材施教、物尽其用”。
所谓“循序渐进”,一方面要求设计者在命题要求的基础上进行,根据不同的材料性能和受力特性,设计不同的构件截面。如主桁上弦杆主要受压,并承受局部集中荷载,显然不能采用硫酸纸,而必须采用白卡纸杆件,同时由于构件抗弯的需要,