创新课程设计—纸质悬臂结构.docxVIP

目录

设计任务书

TOC\o1-3\h\u1设计说明书 1

1.1设计构思 1

1.1.1结构造型构思 1

1.1.2结构体系的选择 5

1.1.3结构特色说明6

1.2模型设计图纸 7

1.2.1结构作品效果图 7

1.2.2结构布置图 8

1.2.3主要构件详图及节点图 8

2计算书 11

2.1计算简图 11

2.2结构计算假定和各个单元物理参数 11

2.2.1计算假定 11

2.2.2构件截面尺寸 11

2.2.3材料力学性质 13

2.3 静载工况下结构的内力分析 14

2.3.1结构强度计算 14

2.3.2结构刚度计算 17

2.4承载能力验算 18

2.4.1强度验算 18

2.4.2刚度验算 19

2.4.3稳定性验算 19

2.5承载能力的估算 19

2.5.1稳定条件控制的最大承重G1 19

2.5.2强度条件控制的最大承重G2 19

2.5.3刚度条件控制的最大承重G3 20

2.6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 25

1.设计说明书

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。

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1230克白卡纸弹性模量

名称种类

层数

弹性模量(MPa)

230克白卡纸

1

56.9

2

148.2

表2230克白卡纸极限应力

名称类型

层厚

(mm)

拉应力

(N/mm2)

压应力

(N/mm2)

备注

230克白卡纸

0.3

22.2

7.0

受压计算时需考虑长细比对稳定的影响

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5kg，最大不能大于20kg。

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

悬臂部分

优点

缺点

塔式起重机的桁架形式

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

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，在选择结构立面形式时，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