力学结构设计大赛设计方案.docx

1、力学结构设计大赛设计方案结构设计方案与计算书承受周期运动载荷的两层框架结构模型设计与制作时间：2011/5/7一、 设计方案根据竞赛规则要求，我们从模型的用材特性、加载形式和制作方便程度等方面出发，采用组委会提供的桐木作为结构的原材料，乳胶作为粘接剂，精心设计制作了该两层房屋结构模型。1. 结构体系主体为框架结构体系：采用房屋面板和斜型梁的组合，作为简支梁的压弯系统，承担结构的整体受弯、受压和抗剪；六根圆形立柱承受结构竖向载荷以及侧向载荷。2. 连接方式节点与支座处的连接为刚性连接3.节点设计加载模板的支座处：根据抗震的需要，各个节点采用填充实物加固，以提高节点处的强度和稳定性。加载处：通过两

2、层楼板支撑点的位置是载荷均匀分布在圆柱上，以提高结构的抗弯性。4.制作处理a） 第二层房屋立柱采用小倾斜角提高二层楼的稳定性b） 在立柱和楼板之间加斜梁以提高整个结构的稳定性c） 在结构制作完成后在表面刷上一层薄薄的乳胶，增加材料的抗弯性能，还避免材料本身的一些缺陷成为应力集中点5.设计假定a） 桐木材质连续均匀；b） 梁与楼板以及梁与梁之间节点视为刚性连接；房屋和加载台之间视为固定端；c） 加载时，载荷以集中力和均布载荷的形式作用在指定的梁和楼板上；d） 杆件计算时采用钢结构的计算模式；根据以上假定，通过工程力学相关知识建立计算简化模型，以求得的内力和位移作为构件设计的依据。二、方案图结构设

3、计立体图结构设计主视图结构设计侧视图各柱的长度尺寸如上图所示）圆柱的横截面尺寸如下图所示，顶层木板的结构尺寸：160X250mm第二层木板的结构尺寸：160X300mm（在实际制作过程中可能存在略微的误差）三、 计算书1. 结构选型采用框架结构形式。结构以圆形立柱与楼板连接处为主受力，采用局部斜梁加强措施。结构主要解决材料抗弯和抗压的问题。通过对支撑点的选择以及节点处的支撑，结构可以做到自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大。2. 载荷分析根据比赛的加载规则，考虑最不利情况取载荷作用时最危险截面进行分析。取地震载荷下结构的最大位移处为最危险的情况。另外，由于加载时的不均匀性和制作过程中不

4、利因素的影响，在制作过程中会适当的采取加强构件的措施，计算时不予考虑。3. 材料性能根据大赛组委会提供的实验图，我们可以求出材料的各项力学性能横截面积：直径为6mm的圆截面，截面面积A=28.26平方毫米。a） 杨氏模量由附录的实验图以及杨氏模量的公式E=可估算出:E(拉)=3.54Gpa E(压)=1.36GPab） 抗压刚度由抗压刚度的公式可得到： EA=38488Nc） 弯曲刚度由弯曲刚度的公式可得到： EI=0.086Nm2d） 许用应力4.内力计算及强度分析计算：为了避免在估算时带来的误差较大而引起的强度不足问题，我们假设实验时每个重物的质量为3.5千克。在计算时，我们对结构的主要危

5、险部分进行了粗略的估计计算。地震载荷：，其中，表示固有频率，A表示地震的水平振幅，0表示地震震动的角频率，表示结构在振动时发生晃动的最大幅度。在对结构的性能进行粗略估计后，由实验条件可知，A=27mm，0=2/T=18.84，假设=5mm，得w=44.27，B=1.22，得总的地震载荷大小为F=81.84N。假设地震时质点的加速度与高度成正比，可得，由可以粗略得下层受地震载荷F1=34.66N，上层F2=69.32。假设上（下）层地震载荷都是由立柱共同分担，且上（下）层每根立柱受力大小相同，可得下图中上层三个力大小均为F=F1/6=11.5N，下层三个力大小均为F=F2/6=5.78N，得结构

6、在地震载荷下的受力图：铅垂载荷：重物的重量由楼板承担，楼板又由横梁支撑，可认为横梁受到的为均布载荷，q=F/L=mg/L，其中L为横梁的总长度，得：上层q=46.10N/m，下层q=37.28N/m。结构在铅垂载荷作用下的受力图：综合受力分析图：由计算机模拟结构在两种载荷下的综合受力情况，可得到结构受到的综合受力图：综合轴力图：综合剪力图：综合弯矩图：位移图：5主要构件的强度由内力图，可确定结构的危险面位于下层立柱上斜梁与立柱相接的地方（综合受力分析图中白色箭头所指处）。在危险面处：轴力Fn=25.61N（压）,剪力Fs=10.76N，弯矩M=0.39N/m，横截面积A=d*d/4=28.26

7、平方毫米，弯曲截面系数W=d*d*d/32=21.195立方毫米。（a）危险面上的危险点在弯矩作用下，2受压，4受拉，|=M/W=18.4MPa。 轴力产生的压应力：=F/A=0.906MPa。 剪力产生的切应力为零。所以2、4点中，2点压应力最大，压max=18.4+0.906=19.306MPa压=20MPa 4点拉应力最大，拉max=18,4-0.906=17.494MPa拉=35MPa（b）对于1、3点，受到轴力产生的压应力和剪力产生的切应力，取单元体：=4Fs/3A=0.507MPa,所以单元体主应力：1=0.507MPa，=-0.507MPa，3=-0.906MPa，远小于许用应力。所以该危险点是安全的。综上所述，该结构的强度符合实验要求。四、结束语以上是我们组大致粗略的计算，由于我们的水平有限，经验不足，设计之中必然有些不周之处和些许误差，希望指导老师指正不足之处。联系方式：152*