北理工结构设计大赛计算书-风力发电塔架结构..docx

目录一、设计说明……………………………………… （2）1.方案构思……………………………………（2）2.结构选型……………………………………（2）二、方案设计……………………………………（5）1.载荷分析……………………………………（5）2.计算简图……………………………………（6）3.耗材……………………………………（11）一、设计说明1.方案构思本次比赛旨在设计并制作一个缩小版的风力发电塔架结构，该模型要求以尽可能轻的重量来经受一级静载、二级风载试验和三级风载试验，同时应力求美观。经过讨论，由于底座四个孔的尺寸和塔架高度的限制，我们决定采用四根垂直于地面的立柱支承，因为三角形结构具有比较强的稳定性，我们考虑以三角形脚架结构来固定四根支柱以及侧面，这样不仅结构简单，同样也能达到最高强度。2.结构选型支柱结构支柱的横截面为一个边长为15*15的空心正方形，支柱的加工过程中将0.5mm竹皮按5mm*300mm、6mm*300mm、7mm*300mm…..的型号各切取四份，取一根长木条以为模板，在木条外围围一层保鲜膜，确保不会粘胶，将切好的竹皮按顺序依次贴在模板外，一直到截面尺寸达到15*15，待胶水凝固后将模板取出。（切割竹皮时5mm*300mm的竹皮和6mm*300mm的竹皮纹路互相垂直）梁结构梁主要承受来自网状结构的载荷，加工步骤同支柱的类似，在加工到截面尺寸为10*10mm时将网状结构固定在上端，再按（1）中步骤将剩余结构加工到15mm*15mm。网状结构依据本次大赛细则，小钢球自由落体下落到结构的承接面上，不能穿过或弹起而落到地面上，我们选择将上承接面设计为垂度2.5cm的下凹网状结构。网状结构的优点在于能够将中央部位所受冲击载荷较均匀地传递到其他梁上，从而增大了结构整体的承载能力。此外，网格规格设计为2.5*2.5cm，保证了小钢球不会漏下，而采取2.5cm的垂度能起到缓冲作用。结构截面图规格长度数量支柱10*10mm300mm4梁10*10mm300mm4网状结构300*300mm1利用solidworks模拟的机构效果图：二、方案设计材料弹性模量1.0×104MPa，抗拉强度60MPa。1.载荷分析分析本次大赛对结构的两次检验要求，第二次大球下落实验对结构承接面刚度及支承柱强度的要求高于第一次小球下落实验，故我们计算2kg大钢球自250mm高度下落造成的冲击载荷。已知，动荷系数：，解得得：于是，可得大球下落造成的冲击载荷近似为235.2N。2.计算简图（1）平面网状结构内力分析网格结构中的交错横梁在小球冲击瞬间受力较复杂，可以将其简化为一个均匀弯曲面受力下垂模型，进而简化为杆件变形造成杆件的铰接点发生位移的模型。 该模型符合单向受力假定。如图为冲击载荷作用下，承接面简化模型受力分析。BAC为简化后的杆结构。A点位移,A点位移很小，远小于50毫米，所以不会超过最大挠度。由图可知，A处为危险截面，材料的抗拉强度为60MPa,A点的应力状态为,所以符合材料的力学性能。由于所选结构还具有四根脚架（两根长脚架，两根短脚架）及第二层防护网，故可以保证承受载荷冲击。（2）边框横梁内力分析由（1）中的计算可知，承接面四边边框横梁受到斜向下的力作用，且力的方向过轴线。将网状平面对四个横梁的力简化为四个力集中作用在横梁中间，考虑下支承面与两组脚架作用，F近似等于178N，水平作用，（竖直方向因为有斜梁支撑，所以力有抵消，暂时不考虑。）横梁与下端立柱固结，如下图。取一根横梁进行受力分析。13.4N·m由上图可知，危险截面在梁的中点处，求最大应力得, 因为结构是由多层竹皮胶合而成，并且有两层防护结构，故结构抗拉强度会提高，实际应力小于理论计算值，所以85MPa在工程范围内符合要求。利用SMsolver求出结构位移变化：（3）立柱内力分析①立柱强度计算平面网状对四个横梁的力对立柱的作用集中看做一个力F=357N作用于立柱顶端，角度由平面网状受力分析得角度为9.44度。危险截面和危险点在立柱底端，求最大应力所以强度要求符合。利用SMsolver模拟出的立柱弯矩图如下：②立柱稳定性计算由公式取，则临界载荷所以立柱稳定。3.耗材材料表截面长度数量应用部分300*0.53202网格结构300*0.353202网格结构10*10（5*5中空）3008立柱、上边框梁8*8（5*5中空）714脚架（小）8*8（5*5中空）2884脚架（大）10*10（5*5中空）2802下边框梁竹材密度约为1.5g/cm3.依据耗材量，计算结构的质量约为398.68g（不考虑胶的质量）