第七届全国大学生结构设计竞赛说明书Word文档下载推荐.docx
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1.2.1竹材....................................2
1.2.2胶水....................................3
1.2.3热熔胶..................................3
1.3结构选型.....................................3
1.4模型效果图...................................5
二、结构计算........................................6
2.1手工计算.....................................6
2.1.1静载计算................................6
2.1.2动载计算................................8
2.2结构力学求解器..............................10
2.2.1静载计算...............................10
2.2.2动载计算...............................11
三、手工工艺.......................................13
3.1杆件的制作..................................13
3.2节点的制作..................................14
四、参考文献.......................................14
一设计说明
1.1概述
第七届全国大学生结构设计竞赛要求参赛队设计并制作一双竹结构高跷模型，并进行加载测试。
采用逆推法进行分析，从加载方式入手。
模型的加载分为静加载和动加载两部分，静加载的荷载值为参赛选手的总重量，以模型荷重比来体现模型结构的合理性和材料利用效率；
动加载通过参赛选手进行绕标竞速来判断模型的承载能力。
从中得出几个关键点，想要取得好成绩，制作的作品一定要“轻”、“稳”、“快”。
以“稳”为主，保证做出的模型结构稳定，在大方向上不要出错。
其次，结合人体的运动方式，使制作的模型走起来尽可能的“快”。
最后，通过反复的实验、理论计算，对模型进行减重。
对于模型制作过程，需要重点注意一下几点：
1、制作完成后的高跷结构模型外围长度为400mm±
5mm，宽度为150mm±
5mm，高度为265mm±
5mm，模型底面尺寸不得超过200mm×
150mm的矩形平面。
2、踏板只通过A、B、C三根木条传力。
3、材料的性能，包括竹皮、胶水、踏板等。
4、模型底面是否能承受运动时的冲击力。
1.2材料性能分析
1.2.1竹材
本次大赛中使用的竹材均为复压竹皮，有三种规格：
1250*430*0.50mm、1250*430*0.35mm和1250*430*0.20mm，竹材有顺纹和横纹，顺纹强度非常高，弹性模量1.0×
104MPa，抗拉强度60MPa。
横纹方向容易发生断裂，所以需要选择顺纹做杆件。
通过计算和反复试验，才决定用0.50mm的竹皮做主体承重结构，用其余两类做附属结构。
1.2.2胶水
根据赛题规定，502胶水作为本次大赛主体结构的粘贴，涂胶的质量直接影响整个结构的性能，涂胶时应尽量少量、均匀。
502胶水腐蚀性较强，在使用时应非常小心，且挥发时间快，涂胶之后应马上粘贴，否则粘贴强度受到很大影响。
1.2.3热熔胶
热熔胶用于踏板和模型、鞋底与踏板之间的固定，根据赛题要求，热熔胶处断裂算作失败，所以热熔胶的固定至关重要。
所以热熔胶的用量尽量多一些，封闭性要做好。
1.3结构选型
结构在测试的第一阶段主要承受来自参赛者体重的竖向静载荷。
第二阶段对结构的要求比较高，结构要承受参赛者行走的冲击动载荷，地面对结构的摩擦力，参赛者转弯时的离心力等。
参赛者在行走过程中，前脚掌的作用主要是发力蹬地，后脚掌作用会随脚掌着地承受冲击和压力。
由此决定“删繁就简，直来直去”，使结构在各个方向具有一定的强度，以抵抗动载部分复杂多变的外界荷载。
首先选择杆件的截面形状，圆形或者方形。
圆形抗压性能比方形好，但其抗弯、抗扭性能比方形差很多。
并且，在节点连接方面，圆形连接比较困难，要进行相贯连接，而方形则比较简单，粘贴也更加密实。
经过比较，我们决定选择方形杆件。
考虑到结构承受竖向荷载和水平方向的摩擦力，我们选择了力学性能较好的三角形结构，较好的寻求了结构强度和刚度的平衡。
结合人类脚掌在行走过程中前后脚掌受力方式的不同，我们选择了将两个三角形组合形成一个“W”以解决前后脚掌向地面寻求摩擦力的问题，两个三角形顶点相连，在侧面形成三个三角形组合一个梯形形状结构，结构的设计选择将两个“W”结构并排形成立体结构。
经过实验验证，两个“W”足够富余，遂在踏板中间横杆两边各加一根竖杆，用以竖向支撑和维持侧向稳定。
模型在地面的接触部分形成一种菱形结构，立可以保持平稳，行则简单自如。
到
在杆件的尺寸方面，我们之前采用的是截面积15*15，经过反复试验，我们选择12*12的截面积，也能达到我们结构的强度要求，并且减轻了重量，菱形底面也更有利于行走。
在行走过程中，我们采用两腿稍稍岔开并稍稍下蹲的内八字行走方式，避免两支高跷互相碰撞，并使其底面整体平稳着地。
1.4模型效果图
二结构计算
2.1手工计算
静载计算
我们将模型进行简化，将立体模型简化为平面来计算。
人体重量大约为60千克，将其作为均布荷载分布在踏板上，根据结构力学，将均布荷载变为集中荷载。
模型简化如图所示，将其看做一次超静定问题，将中间杆断开，进行计算分析。
具体如下：
在单位力为1时，即X1=1时，各杆件所受轴力如图N1
在外力荷载P作用下，各杆件所受轴力如图Np
力法典型方程：
+
=0
=
（
×
28×
2+
20）
=
（0.538
161.54×
2+0）
=-110.17KN
各杆件受力如下图：
动载计算
由于穿上高跷后，人的运动方式比较复杂，在计算动载时，应将其简单化。
高跷底面着地时，与地平线夹角很小，可以看作底面一起着地，所以受力方式可以简化为受水平荷载和竖直荷载，再根据结构力学进行计算。
当单位力为1时，各杆件受力如图N1
当受外力荷载P时，各杆件受力如图Np
力法正则方程：
10×
2
（17.01321524）
（-19.1569564）×
28＋（-0.53846）×
（-302.3971137）×
28+0.192307×
（50.405768）×
10
（1963.067106）
各杆件最终受力如下图
2.2结构力学求解器计算
结构简化图弯矩图
位移图轴力图
位移计算
杆端位移值（乘子=1）
-----------------------------------------------------------------------------------------
杆端1杆端2
----------------------------------------------------------------------------------
单元码u-水平位移v-竖直位移θ-转角u-水平位移v-竖直位移θ-转角
--------------------------------------------------------------------------------------------
1-1.13207476-5.360441770.011981000.00000000-2.964241360.01198100
20.00000000-2.96424136-0.011981001.13207476-5.36044177-0.01198100
31.13207476-5.36044177-0.01557983-0.211053440.00000000-0.00219552
4-0.211053440.00000000-0.002195520.00000000-2.964241360.00000000
50.00000000-2.964241360.000000000.211053440.000000000.00219552
60.211053440.000000000.00219552-1.13207476-5.360441770.01557983
70.00000000-2.964241360.000000000.000000000.000000000.00000000
80.000000000.000000000.00000000-0.211053440.000000000.00000000
90.211053440.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
内力计算
杆端内力值（乘子=1）
单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩
156.60373790.000000000.0000000056.60373790.000000000.00000000
256.60373790.000000000.0000000056.60373790.000000000.00000000
3-160.3246180.000033370.00000000-160.3246180.000033370.00945086
4-100.545877-0.000061260.00945086-100.545877-0.00006126-0.00790057
5-100.5458770.00006126-0.00790057-100.5458770.000061260.00945086
6-160.324618-0.000033370.00945086-160.324618-0.000033370.00000000
7-111.8581640.000000000.00000000-111.8581640.000000000.00000000
8-21.10534380.000000000.00000000-21.10534380.000000000.00000000
9-21.10534380.000000000.00000000-21.10534380.000000000.00000000
结构简化图弯矩图
位移图轴力图
112.7293959-0.31837762-0.0132293211.8614712-2.96424146-0.01322932
211.8614712-2.96424146-0.0334177412.9935458-9.64778921-0.03341774
312.9935458-9.64778921-0.059654570.288946600.00000000-0.04266646
40.288946600.00000000-0.0426664611.8614712-2.96424146-0.03524989
511.8614712-2.96424146-0.035249890.711053400.00000000-0.04150992
60.711053400.00000000-0.0415099212.7293959-0.31837762-0.03819841
711.8614712-2.96424146-0.044760270.000000000.00000000-0.04476027
80.000000000.000000000.000000000.288946600.000000000.00000000
90.711053400.000000000.000000000.000000000.000000000.00000000
1-43.39623520.000000000.00000000-43.39623520.000000000.00000000
256.60372830.000000000.0000000056.60372830.000000000.00000000
3-160.3246140.000042350.00000000-160.3246140.000042350.01199555
4-242.165964-0.000066210.01199555-242.165964-0.00006621-0.00675860
541.07420350.00003212-0.0067586041.07420350.000032120.00233830
6-160.324627-0.000008260.00233830-160.324627-0.000008260.00000000
7-111.8581680.000000000.00000000-111.8581680.000000000.00000000
828.89465970.000000000.0000000028.89465970.000000000.00000000
9-71.10534020.000000000.00000000-71.10534020.000000000.00000000
数据分析
通过手工计算和结构力学求解器的计算，可以得出以下几点：
1、在运动过程中，4号杆受压力较大，所以可以相对加强4号杆。
且在制作过程中，一定要将4号杆做直，使其充分发挥抗压能力。
2、运动过程中，5号杆受拉力较小，可以适当对其放宽要求，但不能影响整体受力。
3、无论静止还是运动，7杆受力都很小，且实际为两根杆，所以可将其看作辅助杆件。
4、根据杆端位移值，对位移较大的节点进行加固，防止其破坏。
三手工工艺
3.1杆件的制作
首先，我们选择方形杆件，截面尺寸为12*12，两层杆件。
1、先出一张竹皮，截出想要的长度，用铅笔沿顺纹方向画平行线，每12cm一条，画四条。
2、先用钝刀（刀背）在线上轻划一下，使其产生凹陷，方便折叠。
3、折叠出一个方形杆，之后涂胶，尽量均匀，少量，快速粘贴，防止其挥发。
4、同理做出第二层，然后用刀划掉，再在杆外部涂一层胶水，保证其强度。
3.2节点的制作
节点的制作我们只要是以封闭为主，使其连接处完全契合，这是保证强度的关键所在。
1、先对杆进行切割，并用砂纸打磨光滑。
2、拼接时先用502胶水进行初期粘贴，再在外面粘一层纸片。
3、杆底部着地处贴一层纸片，保证其均匀受力。
4、模型粘贴完成后，再在节点处灌胶，保证其强度。
四、参考文献
【1】何若全.钢结构基本原理.中国建筑工业出版社
【2】范钦珊.材料力学.高等教育出版社
【3】龙驭球.结构力学.高等教育出版社
【4】谢传峰.理论力学.高等教育出版社
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