北理工結(jié)構(gòu)設計大賽計算書-風力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)

1、第八屆結(jié)構(gòu)設計大賽第八屆結(jié)構(gòu)設計大賽2015-4-17 武宇飛 學號：1120133861王琛 學號：1120133784 張海鳴 學號：1120133852目錄一、設計說明 （2）1.方案構(gòu)思 （2）2.結(jié)構(gòu)選型 （2）二、方案設計 （5）1.載荷分析 （5）2.計算簡圖 （6）3.耗材 （11）一、設計說明1.方案構(gòu)思本次比賽旨在設計并制作一個縮小版的風力發(fā)電塔架結(jié)構(gòu)，該模型要求以盡可能輕的重量來經(jīng)受一級靜載、二級風載試驗和三級風載試驗，同時應力求美觀。經(jīng)過討論，由于底座四個孔的尺寸和塔架高度的限制，我們決定采用四根垂直于地面的立柱支承，因為三角形結(jié)構(gòu)具有比較強的穩(wěn)定性，我們考慮以三角形腳

2、架結(jié)構(gòu)來固定四根支柱以及側(cè)面，這樣不僅結(jié)構(gòu)簡單，同樣也能達到最高強度。2.結(jié)構(gòu)選型（1） 支柱結(jié)構(gòu)支柱的橫截面為一個邊長為15*15的空心正方形，支柱的加工過程中將0.5mm竹皮按5mm*300mm、6mm*300mm、7mm*300mm.的型號各切取四份，取一根長木條以為模板，在木條外圍圍一層保鮮膜，確保不會粘膠，將切好的竹皮按順序依次貼在模板外，一直到截面尺寸達到15*15，待膠水凝固后將模板取出。（切割竹皮時5mm*300mm的竹皮和6mm*300mm的竹皮紋路互相垂直）（2） 梁結(jié)構(gòu)梁主要承受來自網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的載荷，加工步驟同支柱的類似，在加工到截面尺寸為10*10mm時將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)固定在上

3、端，再按（1）中步驟將剩余結(jié)構(gòu)加工到15mm*15mm。（3） 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)依據(jù)本次大賽細則，小鋼球自由落體下落到結(jié)構(gòu)的承接面上，不能穿過或彈起而落到地面上，我們選擇將上承接面設計為垂度2.5cm的下凹網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于能夠?qū)⒅醒氩课凰軟_擊載荷較均勻地傳遞到其他梁上，從而增大了結(jié)構(gòu)整體的承載能力。此外，網(wǎng)格規(guī)格設計為2.5*2.5cm，保證了小鋼球不會漏下，而采取2.5cm的垂度能起到緩沖作用。結(jié)構(gòu)截面圖規(guī)格長度數(shù)量支柱 10*10mm300mm4梁10*10mm300mm4網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)300*300mm1利用solidworks模擬的機構(gòu)效果圖：二、方案設計材料彈性模量1.0×

4、104MPa，抗拉強度60MPa。1.載荷分析分析本次大賽對結(jié)構(gòu)的兩次檢驗要求，第二次大球下落實驗對結(jié)構(gòu)承接面剛度及支承柱強度的要求高于第一次小球下落實驗，故我們計算2kg大鋼球自250mm高度下落造成的沖擊載荷。已知，動荷系數(shù)：，解得得：于是，可得大球下落造成的沖擊載荷近似為235.2N。2.計算簡圖（1）平面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中的交錯橫梁在小球沖擊瞬間受力較復雜，可以將其簡化為一個均勻彎曲面受力下垂模型，進而簡化為桿件變形造成桿件的鉸接點發(fā)生位移的模型。 該模型符合單向受力假定。如圖為沖擊載荷作用下，承接面簡化模型受力分析。BAC為簡化后的桿結(jié)構(gòu)。 A點位移,A點位移很小，遠小于50

5、毫米，所以不會超過最大撓度。由圖可知，A處為危險截面，材料的抗拉強度為60MPa,A點的應力狀態(tài)為,所以符合材料的力學性能。由于所選結(jié)構(gòu)還具有四根腳架（兩根長腳架，兩根短腳架）及第二層防護網(wǎng)，故可以保證承受載荷沖擊。（2）邊框橫梁內(nèi)力分析由（1）中的計算可知，承接面四邊邊框橫梁受到斜向下的力作用，且力的方向過軸線。將網(wǎng)狀平面對四個橫梁的力簡化為四個力集中作用在橫梁中間，考慮下支承面與兩組腳架作用，F(xiàn)近似等于178N，水平作用，（豎直方向因為有斜梁支撐，所以力有抵消，暫時不考慮。）橫梁與下端立柱固結(jié)，如下圖。取一根橫梁進行受力分析。FFFFF300mm10mm(Fs)89N89N(M)13.4N

6、·ml 由上圖可知，危險截面在梁的中點處，求最大應力得b=10mmh=5mmz , 因為結(jié)構(gòu)是由多層竹皮膠合而成，并且有兩層防護結(jié)構(gòu)，故結(jié)構(gòu)抗拉強度會提高，實際應力小于理論計算值，所以85MPa在工程范圍內(nèi)符合要求。利用SM solver求出結(jié)構(gòu)位移變化：（3）立柱內(nèi)力分析立柱強度計算平面網(wǎng)狀對四個橫梁的力對立柱的作用集中看做一個力F=357N作用于立柱頂端，角度由平面網(wǎng)狀受力分析得角度為9.44度。F危險截面和危險點在立柱底端，求最大應力b=10mmh=5mmz 所以強度要求符合。(Fn)1.5N(Fs)89N26.7N·m左側(cè)受壓(M)利用SM solver模擬出的立柱彎矩圖如下：立柱穩(wěn)定性計算由公式取，則臨界載荷所以立柱穩(wěn)定。3.耗材材料表截面長度數(shù)量應用部分300*0.53202網(wǎng)格結(jié)構(gòu)300*0.353202網(wǎng)格結(jié)構(gòu)10*10（5*5中空）3008立柱、上邊框梁8*8（5*5中空）7