纸质模型创新设计 挡土墙.docx
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纸质模型创新设计挡土墙
目录
设计说明书1
一、设计构思1
1、造型构思1
2、结构体系的选择1
3、特色说明1
二、设计图纸2
1、结构效果图2
3、结构布置图2
4、主要构件详图和节点图3
设计计算书5
一、结构计算简图5
二、结构计算假定和各个单元物理参数6
1、计算假定6
2、构件截面尺寸6
3、材料力学性质6
三、侧向压力计算6
四、结构稳定性验算7
五、内力分析7
1、截面参数计算7
2、结构内力计算7
四、承载力验算11
1、强度验算11
2、刚度验算11
3、稳定性验算11
五、承载力估12
1、稳定条件控制的最大承重G112
2、强度条件控制的最大承重G212
3、刚度条件控制的最大承重G312
4、承载力估算12
六、破坏形式估计12
七、白卡纸用量13
附录结构力学求解器源代码14
]
设计说明书
一、设计构思
1、造型构思
本结构命名为“双建合壁”,结构由两个扶壁组成,起到支撑墙面的作用。
大家都听过“双剑合璧”这个词语,本词意为将两股力量合二为一,引申为将两种美好的东西结合。
本结构用此同音之意,正是我们对结构能够顺利加载,取得成功的一种期待。
本次结构要求的是扶壁式挡土墙结构,考虑到对横向部分受力的考验相当大,从整个结构造型上分析,增大模型的底面摩擦力,成为本组组要研究方向。
本次实验作为最主要材料的白卡纸,本组考虑其一面光滑受拉,一面粗糙承压,所以,需将其在受拉受压要求不同的部位合理布置,才能发挥其自身功效。
于是本组考虑在结构中,按受力计算后的结果,将受拉与受压区隔开,分别用纸做杆件的光滑面与粗糙面折叠包裹。
而对于吊拉的纸带,则全部考虑使用光滑面朝外的纸带拼接,以加强分散砝码所施加的压力。
作为体现创新设计要求的扶壁结构,其纸壁部分与扶壁部分的拼接也存在好几种形式,比如扶壁结构与纸壁结构直接黏贴、扶壁结构与纸壁结构上的杆件黏贴、扶壁结构与纸壁结构上的杆件插接然后再黏贴加固等等。
由于扶壁结构的杆件处将受到较大的弯矩与剪力的影响,经过结构分析和计算,并且多次试验比较后,本组采用将扶壁结构与纸壁结构上的杆件插接然后再黏贴加固的这种形式为研究方向。
2、结构体系的选择
本次结构创新横向受压,易发生滑移现象。
从而本小组将所有受力分散到各杆件上,传递到地面,提升正压力,另一方面维系结构整体性与抗力。
3、特色说明
(1)对于节点的处理,本组采用纸片粘合连接
这是由于纸质结构的节点无法达到实地工程材料所界定的完全刚节点或铰节点。
同时,在多次试验中,本组发现用纸片的粘合,不仅可以使节点得到美观的加固,更重要的是其具有辅助传力的作用。
并且在结构计算时,可以近似成刚结点的构型,一举多得。
(2)对于主杆的制作,本组采用加厚材料的方法制作
这是由于所选纸杆的横截面为矩形,比圆形杆件更易连接,节省材料,较其他型杆件制作方便且计算简易。
而且主杆将承受更大的荷载,不能片面的靠改进体型来加强抗力,还要注重提高重要部件的自重来增加功效。
(3)对于纸带的运用,本组在整体结构的上方和后方加以体现
这是由于纸带是一种很好的受拉材料,比纸杆更轻、更具韧性,同时还为结构减轻了自重。
(4)为了增大摩擦,对纸张进行处理
将模型底部与加载台相接触的纸面撕开表层,用其粗糙的内层接触,增大摩擦系数。
二、设计图纸
1、结构效果图
3、结构布置图
4、主要构件详图和节点图
节点1详图节点2详图
构件3详图
构件1
构件2
构件3
构件4
构件5
设计计算书
一、结构计算简图
为了便于运用结构力学求解器软件对结构进行分析计算和数据分析,结构的节点和杆件编号如图所示。
结构计算简图1
二、结构计算假定和各个单元物理参数
1、计算假定
(1)加载装置将结构底部固定在了加载台上。
所以在固定的地方,
(2)该模型由2个完全相同的结构通过横杆连接而成。
为了计算简便,可取一半结构进行平面受力分析;
(3)该模型主要承受横向荷载,对平面做结构简化,根据加荷的最大值40kg为极限值,计算出侧向压力E在H/3处进行作用
(4)钢珠之间内摩擦角为0,粘聚力为0
(5)满载钢珠高度为300mm
2、构件截面尺寸
主杆1(6、7、8、9):
方形15mm×15mm,厚度0.3mm
主杆2(12、14、17-27,29,33-35号):
方形10mm×10mm,厚度0.3mm
纸带(11、13、15、16、38-40号):
宽10mm,厚度0.3mm
3、材料力学性质
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
三、侧向压力计算
四、结构稳定性验算
滑移稳定性验算
满足要求
五、内力分析
1、截面参数计算
在用结构力学求解器前,首先应先算出各杆件截面参数,根据表1所得,按照设计的截面尺寸,可求得各参数如下表所示:
表3构件截面参数
A(
)
I(
)
W(
)
EA(N)
EI(
)
i(
)
主杆1
11.64
182.75
28.24
662.32
10398.48
3.96
主杆2
17.64
635.57
64.84
1003.72
36163.93
6.00
纸带
3
0.02
0.15
170.70
1.14
0.08
2、结构内力计算
根据结构力学求解器所求,列出以下关于各内力的计算表:
根据结构力学求解器所求,列出以下关于各点位移的计算表:
(1)轴力计算简图
轴力图(KN)
(2)剪力计算简图
剪力图(KN)
(3)弯矩计算简图
弯矩图(KN·m)
(3)位移计算简图
位移图(N)
四、承载力验算
1、强度验算
(1)主杆1
在荷载作用下最大轴力
7.09N,最大弯矩
,按最不利效应组合。
,满足强度要求。
2、刚度验算
竖向荷载作用下,经结构力学求解器计算得,结构悬臂产生最大水平挠度为25.3mm,满足刚度要求。
3、稳定性验算
经大量试验得到各不同长细比下的稳定系数,见表4。
表4不同长细比对应的稳定系数
长细比λ
10
20
30
40
50
60
70
80
稳定系数φ
0.93
0.88
0.78
0.66
0.59
0.52
0.48
0.37
(1)主杆
综合轴力与弯矩考虑,取最不利受力7号杆件,计算长度为120mm,
,查表5内插得φ=0.88。
,故满足稳定性要求。
五、承载力估算
已知材料抗压强度为
,抗拉强度为
1、稳定条件控制的最大承重G1
荷载作用下,有稳定性控制的杆件失稳时的临界应力
,为各构件截面中应力最大,由此可得
。
2、强度条件控制的最大承重G2
荷载作用下,有强度控制的杆件
,为各构件截面中应力最大,由此可得
。
3、刚度条件控制的最大承重G3
40kg荷载下,最大挠度f=23.7mm。
本设计容许值不限,即G3在理论上大于等于40kg
4、承载力估算
考虑制作误差等缺陷影响,取安全系数K=1.05,即
这说明,在保证强度、稳定和刚度的条件下,本结构具有足够的承载力,能非常接近加载所需的极限值大小。
六、破坏形式估计
经过内力分析,以及实际试验,总结出以下破坏形式:
(1)主杆强度不足,导致压弯破坏;
(2)纸带抗拉强度不足,被拉断;
(3)结构位移变形过大而破坏;
(4)因偏心而导致结构偏心受压,结构的一侧被先行破坏;
(5)因偏心而导致结构倾覆;
(6)杆件长细比过大,导致构件失稳破坏。
七、白卡纸用量
本次结构设计耗用1张白卡纸(230g),主要是由于前人的协助完成了该结构,所以对卡纸没有过多需求。
该结构最终自重为120g。
附录结构力学求解器源代码
结点,1,0,400
结点,2,0,300
结点,3,0,260
结点,4,0,160
结点,5,0,100
结点,6,0,0
结点,7,50,0
单元,1,2,0,0,0,1,1,1
单元,2,3,1,1,1,1,1,1
单元,3,4,1,1,1,1,1,1
单元,4,5,1,1,1,1,1,1
单元,5,6,1,1,1,1,1,1
单元,6,7,1,1,1,1,1,1
单元,5,7,1,1,1,1,1,1
单元,4,7,1,1,1,1,1,1
单元,3,7,1,1,1,1,1,1
结点支承,6,2,-90,0,0
结点支承,7,1,0,0
结点荷载,5,1,3.5325,0
单元材料性质,1,6,170.7,1.14,0,0,-1
单元材料性质,6,6,1003.72,36169.93,0,0,-1
单元材料性质,7,9,1003.72,36169.93,0,0,-1
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