2020年全国大学生结构设计竞赛计算书

1结构建模及主要参数

本结构采用MIDAS进行结构建模及分析。

1.1midas结构模型

利用有限元分析软件midas建立了结构的分析模型，模型采用梁单元建立，如图1-1所示。

(a) 结构分析模型三维轴测图(b) 结构分析模型侧面图

(c) 结构分析模型立面图(d) 结构分析模型平面图

图1-1 模型图

1.2结构分析中的主要参数

在midas建模分析中，对主要参数进行了如下定义：

（1）材料部分：竹皮的弹性模量设为6000N/mm2，抗拉强度设为60N/mm2；

（2）几何信息部分：桁架杆件采用了矩形截面，截面尺寸有两种，第一种（高6mm，宽

6mm，厚度1mm）；第二种（高12mm，宽6mm，厚度1mm）。虚拟梁采用矩形截面截面，

截面尺寸：高4mm，宽4mm。

（3）荷载工况部分：根据赛题规定，可能有4种荷载工况。第一级荷载为GA1=90N、GA2=90N、GB1=90N、GB2=90N、GC1=90N、GC2=90N、GD1=90N、GD2=90N，第二级荷载为GA1=90N、

GA2=0N、GB1=180N、GB2=90N、GC1=90N、GC2=90N、GD1=90N、GD2=90N，第三级荷载为GA1=90N、GA2=0N、GB1=0N、GB2=270N、GC1=90N、GC2=90N、GD1=90N、GD2=90N，第四级荷载为50N的移动荷载，并保持第三级荷载不变。

（4）结构支座部分：支座节点位置全部使用固结约束。

2受力分析

2.1强度分析

（1）第一级荷载

在第一级荷载作用下，查看结构的梁单元内力图。

经分析，其应力情况如图2-1所示，可知：结构最大拉应力为17.59MPa，最大压应力为-20.01MPa，结构满足材料强度要求。

图2-1 第一级荷载下梁单元应力

（2）第二级荷载

在第二级荷载作用下，查看结构的梁单元内力图。

经分析，其应力情况如图2-2所示，可知：结构最大拉应力为20.18MPa，最大压应力为24.78MPa结构满足材料强度要求。

图2-2 第二级荷载下的梁单元应力

（3）第三级荷载

在第三级荷载作用下，查看结构的梁单元内力图。

经分析，其应力情况如图2-3所示，可知：结构最大拉应力为31.05MPa，最大压应力为34.59MPa，超过材料抗压强度30MPa，对局部杆件进行加固即可。

图2-3 第三级荷载下的梁单元应力

（4）第四级荷载

在保持三级加载不变时，施加移动荷载。

经分析，其应力情况如图2-4所示，可知：结构最大拉应力为35.66MPa，结构满足材料强度要求。

图2-4 第四级荷载下的梁单元应力

2.2刚度分析

（1）第一级荷载

第一级荷载作用下，测点位移满足要求。

经分析，其变形情况如图2-5所示，可知：结构在位移测点的最大位移满足+-10mm的比赛要求，结构最大位移为2.066mm。

图2-5 一级荷载下的结构变形图

（2）第二级荷载

结构在第二级荷载作用下，观察结构变形情况。

经分析，其变形情况如图2-6所示，可知：结构最大位移为2.596mm，发生在悬臂段端点位置处。

图2-6 二级荷载下的结构变形图

（3）第三级荷载

结构在第三级荷载作用下，观察结构变形情况。

经分析，其变形情况如图2-7所示，可知：结构最大位移为2.950mm，发生在悬臂段端点位置处。

图2-7 三级荷载下的结构变形图

（4）第四级荷载

结构在第四级荷载作用下，观察结构变形情况。经分析，其变形情况如图2-8所示，可知：结构最大位移为0.552mm。

图2-8 四级荷载下的结构变形图

2.3稳定分析

（1）第一级荷载

经分析，其失稳模态如图2-9所示，可知：安全系数为-5.338，满足稳定性要求。

图2-9 第一级荷载作用下的一阶失稳模态图

（2）第二级荷载

经分析，其失稳模态如图2-10所示，可知：安全系数为-4.98，满足稳定性要求。

图2-10 第二级荷载作用下的一阶失稳模态图

（3）第三级荷载

经分析，其失稳模态如图2-11所示，可知：安全系数为-4.193，满足稳定性要求。

图2-11 第三级荷载作用下的一阶失稳模态图

2.4小结

综合上述分析，结构在强度、刚度、稳定性方面均满足要求，结构安全。

3模型尺寸图

(a)模型俯视图

(b)模型正立面图

(c)模型侧立面图

(d)模型轴侧图图3-1 模型示意图

表3-1 主要构件参数表

编号截面形状尺寸数量桁架矩形6×6×1mm；12×6×1mm 795 虚拟梁矩形4×4mm 22