加载中…力学架构模型设计制作经验及要点
(2013-03-09 00:12:08)
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分类： 力学架构大赛 |
我校的力学架构模型设计大赛已举行过多届了，有了多次比赛的经验。为了使同学们少走弯路和回头路，设计制作水平能在前人探索的基础上不断创新提高，特在此将一些结构模型设计的经验及要点小结一下，期望能对大家有所帮助。
计算简图要准确，拉、压杆的判断很重要。可用截面法、节点法、位移法作简单受力分析，较精确数值可利用清华大学结构力学求解器计算。应根据计算结果大致分配各杆件的用料。
杆件的截面不宜采用实心，应采用较开展又能满足局部稳定的截面形式。常用的截面形式有○字型、□字型、日字型、目字型、蜂窝型、三角型、扁管型等，可综合运用之。
结构设计的基本原则：安全、适用、经济、美观，完全适用于我们的力学架构设计大赛：
1、安全：应具有足够的强度、整体稳定和局部稳定
结构的强度破坏一般发生在节点处。要对节点进行加固，并采用使节点处的拉、压杆件受力相互平衡的节点形式，构建和谐节点。如采用让拉杆连续通过，压杆切断但撑于节点上的形式。对于管状的空心杆件在受到局部横向压力时，要在受压处用横隔加强。
结构失去整体稳定而破坏的情况要多于强度破坏，特别是对于高个子的结构。不要迷恋对称，对称只是个传说。侧向受力是避免不了的，加载偏心、材料缺陷都会引起侧向力，压杆失稳时会也产生侧向剪力。设计时宜考虑有侧向力（大小可以取竖向力的1/30）与竖向力同时作用于加载点处。通过水平支撑和竖向支撑（均为几何不变的三角形体系），将侧向力传递至基础。建立起强有力的维稳机制。
截面较大的空心杆件会产生局部失稳问题，这时可采用蜂窝型截面解决。
2、适用：应满足建筑要求，有良好的工作性能
比赛前将有车、船模型作通过测试，如果不能满足规则对通航、通车及加载设备安装的要求，可能会直接出局。虽然这种情况不常发生，但不能掉以轻心。如对规则不明或有疑问，应及时向技术组人员提出。
变形过大会影响结构的使用，变形超限也是很多模型的失效模式。原因是模型刚度不足，这和不了解材料性能（如棉线变形过大是不适合做拉杆使用的），选择杆件截面尺寸不当及节点设计失误有关。目前，由于材料的弹性模量较难测定等原因，很难进行精准的变形计算。应注重实践，多做实验比理论计算更重要，概念设计比计算结果更重要。
此外，空气湿度对纸质模型强度和刚度的影响也十分显著，阴雨和回南天气参赛时宜采取防潮措施。
3、经济：在满足上述要求前提下应最省材料
要求在满足一定承载力的条件下，尽可能减轻模型的自重。荷重比为模型最大承载重量与模型自重的比值，模型的承载重量有封顶值，这就要求结构的自重应尽可能轻。设计时宜根据计算内力的大小及性质（拉、压）来选择杆件截面。制作时材料应精打细算，该用则用，能省就省。
4、美观：尽量显示结构之美、力量之美。
采用传力准确、简练、稳固的结构形式，充分展示结构之美。结构形式有桁架结构（由三角型布置的杆件通过铰节点连接而成）、框架结构（由平行布置的杆件通过刚节点连接而成）、蒙皮结构等形式，可参考历届大赛的作品，参阅教材和请教老师。
值得一提的是：节点连接已摒弃了用棉绳捆扎的初级做法，而采用全纸做的节点。必要时用纸片做成附加的传力构件（专业上称为节点板），不仅受力可靠、重量轻，而且美观、符合工程实际做法。
模型制作的技巧：
1、卷纸的工具可以用自制的木条、塑料片、到五金店买到的6mm直径钢条，还有到美术用品店上能够买到的各种规格的塑料管。
2、开料时应做好计划，不应临时追加材料。可在电脑上按测量及计算的尺寸模拟开料，材料不够时要修改设计或减少一些杆件的层数。
3、由于参赛队伍众多，不可能在比赛前都能借用加载设备来试加载。可以采用如下一些简易的测试方法：模型做好后，找一宽度等于加载钢板的木板放于模型上，由一体重不超过50kg的同学垂直按压木板，或坐在椅子上水平轻推模型，如果结构出现明显晃动或变形，则说明稳定性或承载力不足，赶紧想法修改设计或加固。如果全压上去都不坏，说明结构有富裕，可以优化。
4、比赛时遇到下雨或潮湿天气的概率很大，而比赛日期一般是不会改的，大家所能做的，是提前做好模型防水防潮措施。
空气湿度对比赛结果的影响是很大的。如下雨天测量室内的湿度是70%、室外的湿度是90%的话，根据以往比赛的经验，如果纸质模型长期暴露在湿度如此大的空气中，承载力要比晴天阳光下（湿度约40%）时降低1/3左右。这是不利因素。
对于有准备的队伍来说，遇到这样的天气反而是一个机会。因为你如果掌握了使模型保持干燥的技巧，你就等于争得了先机，站在比别人更前的起跑线上。
使模型保持干燥有很多方法，例如在出发前用电吹风等使模型彻底干燥，用事先准备的塑料袋或薄膜甚至干燥的纸张等包起来带到赛场直到上交前才打开。这样你就能获得更轻的自重和至少增加5kg以上的承载力。总而言之，规则没有禁止的手段都是可以用的，大家开动脑筋各想办法吧。
5、掌握好比赛时加载的节奏和速度，对提高比赛成绩也有很大影响。
对同一个模型来说，加载的速度越快，其极限承载力就会越高。其原理就像一个举重运动员，靠爆发力可以举起很重的杠铃，但要让他放慢速度的话，速度拖得越慢，能举起的重量就会越轻。
但是，如果一味求快，放弃达到规则规定的5秒钟（决赛时为10秒）读秒时间，一旦冲击失败，本级加载就是无效的，有可能损失惨重，这在上届比赛中是有深刻教训的。
比赛规则要求：第一级加载质量不小于15kg（决赛不小于20
kg，均含加载装置），以后每级荷载增加梯度不小于5公斤，封顶荷载为50kg。每一次加载，裁判会在队员手离开该级最后一个砝码并示意后开始计时，模型在5秒钟（决赛为10秒钟）内没有失效即加载成功，可以进行下一级加载。根据加载工具的实际情况，预赛时第一级荷载为加载装置加上两小两大4个砝码，后面还有7个大砝码，每个5.1kg，可分多次加载。
因此，最佳的加载操作为：当裁判示意可以加载时，以最快的速度连续加上第一级的两小两大四个砝码，同时示意裁判计时，先拿到保底的分数。在读秒期间操作手可以将下一级砝码预先拿在手上，当读秒一结束荷载有效，便立即再加上一个砝码；副手可以在一旁传递砝码以协助操作手，如此这般便可以最短的时间加上尽可能多的砝码。
当然，没有最好，只有更好。如果你能大致判断出模型的剩余承载力，冒一定的风险跳级加载（加上两个以上的砝码才开始读秒计时），就能节约一点点读秒的时间从而推高承载力。但一次不宜加太多，否则一旦失败就杯具了。同学们，在比赛中发挥你们的主观能动性吧。
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