基于結構設計大賽的手工及軟件模擬經驗

(西南石油大學土木工程與建筑學院 四川 成都 610000)

基于結構設計大賽的手工及軟件模擬經驗

彭靖宇趙植蘋王思吉張博雅

(西南石油大學土木工程與建筑學院四川成都610000)

結構設計大賽自2005年舉辦以來，吸引了眾多高校學生參加。結構模型的正確設計和成功制作對于完成加載目標，實現結構功能至關重要。為了構建合理可行的結構模型，參與者往往花費大量時間與精力搭建、調整模型，重復性步驟較多，耗時耗力的同時，力學設計上往往出現不科學之處。筆者所參加的開放性實驗試圖通過實際實驗結合軟件分析，解決上述問題。組員初次接觸結構設計大賽。本文總結實驗過程，實驗經驗，介紹軟件模擬及手工制作經驗，供讀者借鑒。

結構設計大賽；軟件模擬；開放性實驗；模型制作

引言

結構設計大賽歷年來吸引眾多學生參與。為了試驗構件、測試結構性能，學生常花費大量精力搭建模型。本開放性實驗涉及軟件優化模擬，制作方法等。本文回顧了以實現軟件模擬、優化模型為目的的開放性實驗過程，總結出相關制作經驗，描述了實驗思路的轉變及確立，希望對參賽學生、老師起到參考性作用。

一、實驗思路的確定

本實驗目的為在結構設計大賽中，引入軟件進行模擬，實現快捷準確的結構優化，減少反復手工制作帶來的工作量。最終目標為在軟件上實現結構設計，優化。基于此，實驗確定軟件和手工建模結合并行的思路——在用軟件設計模型后，手工搭建模型，同時軟件模擬模型，比對實際與計算機模型的差別，修正軟件參數，提高軟件精度，實現軟件精確模擬。模擬目標為結構在給定荷載下撓度及質量值，給出多種尺寸供設計選擇。

二、模型搭建及模擬

基于實驗思路，同時考慮到經驗缺乏，實驗選用已有優秀方案——2016年結構設計大賽特等獎模型為模擬對象。原模型照片如圖1。

模型相關尺寸由大賽賽題要求及模型照片，在保證結構的同時估計所得。實驗采用了CAD三維制圖輔助設計，通過三維建模，直觀反映形態，確定相關尺寸。軟件建立模型如圖2。三維建模精確了制作尺寸，提高了模型制作精確度和速度。

圖1

圖2

根據三維模型，實際搭建模型。加載時，模型主要由于扭轉變形過大而破壞。破壞形態如圖3，4。

圖3

圖4

破壞原因經分析主要為：①模型節點處理不科學。在需要剛接處，接觸面過小，約束作用不夠，結構受力不均。②膠水運用過多，膠水層過厚，強度較小，降低節點強度。③模型拉條預施應力不足，最終扭轉破壞。

軟件方面，定性反映了結構受力情況。SNAP2000分析彎矩圖如圖5。軟件分析彎矩較大處，實際模型發生了相應彎扭破壞。

圖5

三、修改

初次實驗后，總結實驗問題：(1)選用模型難度較大，初次接觸結構設計大賽同學無法有效還原。(2)難以測量參數，只能定性反映受力變形情況。(3)制作誤差較大，預想結構功能失效。

得出以下幾點經驗：(1)統一節點做法。對平面結構節點，雙面延長粘合做法：即在制作剛節點時，通過延長梁體兩側平行面作為粘結面，其余各面相應補齊，提升節點剛接特性。做法示意如圖6,7。

圖6

圖7

對于空間結構節點，以三肢連接節點為例，其中立柱60度仰角，雙梁間夾角90度，設計連接如圖。上部梁采用如圖8設計，增加軸向竹條，增加抗扭強度。立柱結構如圖9設計。三肢連接方式如圖10。

圖8

圖9

圖10

(2)軟件定性結果可指導變化截面尺寸，提高抗彎能力。軟件建模在定性模擬階段，可指導改變截面尺寸，在節省材料的同時，提高結構抗彎能力。

(3)從簡單構件、結構入手，進行模擬。選用優秀模型進行制作和模擬，對于剛接觸結構設計大賽的學生來說，難度較大。從簡單構件，再到結構入手進行模擬，降低了實驗難度，更利于實現軟件模擬。

基于此，實驗轉變為制作簡支梁、剛架梁，再到簡單結構。一方面，制作實體構件加載，測量撓度，另一方面運用軟件模擬，修改彈性模量參數，逼近真實形變，取最接近值為參數，實現軟件模擬。

四、修改后的實驗

首先制作跨度為20cm梁。如圖11所示。

加載，測量撓度增量值，實驗組1數據如表1：

圖11

表1

同時在ANSYS模型中，軟件擬定彈性模量，并模擬加以同樣的力，撓度增量結果如表2：

表2

將實驗組與模擬組數據作圖12。

圖12

加載質量過大瀕臨破壞時，結構撓度變形過大，已不能近似滿足線性形變。由上表可以發現，模擬組5接近真實撓度，故取E為1.03×10^9 Pa。

精確模擬竹材制作梁需要的力學參數很多。實驗找到了模擬彈性模量的方法。模擬精度不足，有待大量實驗修正。

五、總結

限于實驗時間及條件，開放性實驗暫時告一段落，實驗回顧到此結束。實驗過程中，實驗思路得到了修改，從難以入手的實驗方案轉為相對易于入手實驗方案，總結出一個能夠進行初步軟件優化，修正的思路，獲得了手工模型制作，軟件輔助設計的經驗，望作參考。

[1]曹紅娟.基于ASYS的機架結構的優化設計[J].強度與環境，2013(6):7-11.

[2]張炎圣,陸新征.大學生結構設計大賽中的計算機仿真分析[J].力學與實踐,2009 31(4):110-112.

[3]周克民.結構的優化設計分析——大學生結構設計競賽評述[J].福建建筑，2006(4):28-30.

指導教師：趙植蘋