聊城大学 252000
摘要：本文依托第十一届全国大学生结构设计竞赛的赛题，在MADIS软件模拟分析与大量实体模型试验的基础上，对设计思路、结构选型、模拟分析、结构质量等方面进行全面优化设计，最终确定模型的结构型式及最优尺寸。本文针对此次结构设计大赛的结构设计思路、结构选型优化、模型设计与制作以及计算模拟分析可作为其他结构类设计竞赛的指导和参考。
关键词:结构设计；优化；模拟分析
1 赛题要求及加载分析
大赛赛题要求设计渡槽支撑体系，渡槽支撑模型需放置在承台板上，承台为回字型结构，支承系统结构模型用于支承输水管，可以自行选定输水路线，但应经过指定的两个灌溉点 A、B，即输水管在承台板上的正投影应覆盖 A、B 二点，其结构形式不限。入水口高度为450mm,出水口高度为250mm。加载时需加满50KG水，且持重时间不得小于25s，否则加载失败。卸载时间为一分钟，且模型中滞留水的质量不得超过5KG，否则卸载失败。
2 模型优化设计
针对此次比赛模型设计如下：
为缩短路线、减少支撑体系数量，所以在输水路线方面进行了改进。采用“L”型的输水路线，将模型简化为两个部分，既可以保证输水路线通过规定的A、B两点，又同时减少结构的数量及材料用量。
第一部分，采用桁架桥结构，上承入水管，下承出水管，一桥两用。桥上弦杆采用矩形截面箱式刚性杆，两根矩形截面梁用同截面刚性杆进行横向连接，下弦杆用柔性竹皮代替，中间采用3mm*3mm的竹条作为腹杆连接上弦杆和下弦杆，两侧斜腹杆为0.35mm厚的竹皮粘接形成的5mm*4mm矩形截面刚性杆，大大提升桁架的承载能力。
第二部分：采用组合刚架支撑，为了保证输水和回水，保证水管坡度，合理设计每榀刚架高度。该部分共设置5榀刚架，每榀刚架由6mm*7mm截面的矩形截面刚性杆组成，这些杆件，通过0.35mm厚的竹皮粘接而成的5mm*4mm的矩形截面横撑，两两连接增加整体性。通过设置不同的高度来控制整体的坡度，以达到排水的效果，同时，结构形式简单，传力直接，减少材料用量。优化过程示意图如下所示：
图2.1“回”型路线 图2.2“L”型路线
3 模型对比分析优化
3.1桁架桥的优化
初始设计，采用两个桁架桥来分别承担水管及水荷载，其缺点在于模型总质量大，制作时间长，且采用两个结构，相对一个结构来说危险系数增大。通过模型优化，最终设计为采用进水管上承，出水管下承的桁架结构，初期为保证桁架能够加载成功，采用全刚性桁架，整体质量并未减轻。经过一段时间制作和分析，将下弦杆由刚性杆换为柔性的拉条，极大减轻了质量。
3.2刚架的优化
管中加载水量逐渐增加时，柱子会产生严重屈曲变形，为减弱这种屈曲变形，采用增加拉条、减小杆件长细比、增加每榀刚架的平面外约束条件的方法来提高整体承载力。为提高输水效率，便于设置管道坡度，同时把刚架设计为依次递升结构。对于三角形刚架（如图3.1），腿部受剪力较大，易发生冲剪破坏且制作时角度不易控制，拼接繁琐，而矩形刚架传力简单，制作简便，因此后期最终选用矩形刚架。为防止矩形刚架整体失稳破坏，刚架间采用0.3mm厚4mm宽的拉条进行交叉相连，以此来提高矩形刚架的整体稳定性。
图3.1 三角刚架 图3.2 矩形刚架
4 计算模拟分析
4.1 基本假定及模型建立
在结构分析时，模型中所有节点按刚性连接考虑。
所有结构构件材质连续均匀，均在弹性范围内工作，即计算时不考虑结构的材料非线性。
根据以上假定通过MIDAS有限元软件建立计算模型，所得的内力和位移作为构件设计的依据。
模拟加载使用MIDAS有限元软件对结构施加均部线荷载，通过模拟计算得到图4.1~图4.4的内力云图。
4.2 数据分析
通过对剪力和轴力分析，可以进行以下优化：桁架桥和刚架在受荷载作用状态下剪力最大值均发生在横梁与柱交接的位置，因此，在此部位的箱型杆件全部采用加密插片的方法，有效防止了因剪力过大造成的破坏。在轴力云图中桁架上弦杆受压，下弦杆受拉，与上下弦杆分别采用刚性杆和柔性杆假设相吻合。桁架桥下弦杆轴力较大，因此制作采用6mm×1mm截面拉条，安全性能大大提高。
4.2.1 弯矩分析
通过对弯矩云图分析，分析优化如下：桁架和刚架在荷载状态下的弯矩最大值分别为19614.1N和4650.0N，且弯矩最大值发生在梁跨中部，X-Z 方向最大值发生在梁端部节点处。因此，加大桁架上弦杆端部和跨中刚度能有效抵抗弯矩过大造成的破坏。优化措施为梁端部增强刚性斜腹杆以及加强节点连接，桁架下弦杆拉条自身张紧。
4.2.2 位移分析
通过对位移云图的分析，分析优化如下：桁架桥部分中间挠度最大，但在实验过程中，模型实际挠度值很小，不影响排水。刚架部分有统一方向的位移，为了控制位移，不让其失稳，在安装过程中可设置拉条，来其整体的控制位移。
图4.1 桁架弯矩图
图4.2 刚架弯矩图
图4.3 桁架位移图
图4.4 刚架位移图
5 结语
总的来说，这是一个成功的结构设计模型，其特点如下：
此模型采用了合理的结构形式，大跨部分桁架结构具有刚度大变形小的特点，在竖向平面和水平面具有足够的刚度，挠度方面比较容易满足要求。且下弦杆充分利用了竹皮的抗拉性能。
充分研究了竹皮纸及竹条的各项参数，便于优化设计及软件分析。
采用了软件的模拟计算分析和实验紧密相结合的方法来进行模型的优化已确定最优尺寸。
实验过程表明本次模型的设计很坚固，以125g的质量承受住了50kg动载水及8kg管道质量并且持载远超一分钟。从本次比赛角度看，此渡槽模型结构受力简单合理且轻巧实用，具有很大的借鉴意义。
参考文献
[1]《结构力学》（I、Ⅱ），龙驭球、包世华，高等教育出版社，第三版，北京，2012.8.
[2]《材料力学》（I、Ⅱ），孙训芳等，高等教育出版社，第五版，2009.7.
论文作者:郑程,袁立群,史涛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/9
标签：桁架论文; 结构论文; 模型论文; 弯矩论文; 矩形论文; 刚性论文; 截面论文; 《防护工程》2018年第17期论文;