海洋平台结构设计与模型制作计算书

海洋平台结构设计与模型制作

理论方案

浙江大学结构设计竞赛组委会

二○一二年

第一部分：方案设计摘要

根据学长“简单、粗犷”的原理，在实践中抛

弃了很多复杂、沉重的构件，最终展现在我们面前

的是一个四棱台与四棱柱结合的简单作品。

自下而上的构件分别为：

底部为深入沙中的底柱，长为10cm。通过一次

实验，为利于柱子插入细沙中而将柱子削尖。

联结底柱的是四棱台，高42cm、底边长45cm、

顶边长28cm。为抵抗风荷载的力矩而增大重力的力

臂，在保证质量较轻的条件下增大底部长度。初时

对竖向荷载过分估计以致四周承重柱以及斜撑杆过

重，但稳重的底部在加载过程汇中也有可取之处。

之所以将高度定为28cm，是因为伊始准备在四棱台

中间安置塑料片筒体。但在实际操作中我们放弃了

这个设想。

联结四棱台的是被斜杆分成三部分的四棱柱。

借鉴了别人的轻质理念，一改底座的笨重，上部桁

架的布置简明，但纤细的杆件也使整体遭受了风荷

载的极大挑战。在实验加载中发现荷载箱稍小，因

此改进顶部边长、露出四个小柱。本欲在与水面相

切处设置420*420的塑料片则可以利用水的吸附

力，可惜塑料片质量稍重、效果也不太明显。改进

后，四棱台留在空中的部分受风荷载较大，布置了

较密的桁架。

在构件联结处，我们尽力增大构件的接触面积，同时也做了些小木段与木片作为加固。

总结来看，在最初的设计思考中我们还是有一些新的想法,比如筒体，比如利用水的吸附力，但在实践制作过程中我们缺乏对可操作性的理性认识；同时我们过分估计竖向荷载以致质量过重，轻视水平风荷载而在试验中多次面临剧烈的扭转。最终我们的结构形式归于简单，但过程并不平淡。在否定与自我否定中，我们已有收获。

第二部分：计算书

1）.主要结构图

2）.设计参数

尺寸参数：木条粗杆截面3mm*3mm

细杆截面2mm*2mm

顺纹弹性模量1.0*104Mpa

顺纹抗拉强度30Mpa

有效荷载箱3.3kg，外部尺寸300mm*300mm*300mm

水平恒载砝码186g

水平风荷载，风速v=8.0m/s

3）.荷载分析与承载能力估算：

1．竖直向下方向：每根柱子所受力：f z=m*g/4=3.3*9.8/4=8.085N

侧面悬挂重物，节点所受力： f z1=m1*g=0.186*9.8=1.823N

2．水平风荷载：已知风速v=8.0m/s，空气密度ρ=1.2kg/m3，

运用动量定理：m·v = f· t；m=ρV=ρS(vt)，则有f=ρv2S，S为接触面积

计算得到f x=ρv2S/2=1.2*（8.0∧2）*0.3*0.3/2=3.456N（分担在顶端侧向两节点上）3．荷载组合力矩：M= f z1*1.05+ f x*1.35=6.580 N·m，又M=(m+m荷载)/2·g·l/2

底面边长l=0.45m，为使构件稳定，则理论上需要重量：m=4M/（g·l）- m荷载=2.668kg 4．实际可受竖向荷载：F=8*30Mpa*（2*10-3）∧2=960N

4）.计算简图

在学长帮助下，对于最初设计的建模分析。

1.运用有限元软件ANSYS建模如下：

2．考虑荷载计算结果图如下：

位移图：

轴力图：

应力图：

建模尺寸均选用3mm的木条，计算得到的顶端节点位移偏大，故需要作适当调整，调整方案为，适当的把最上层杆件截面加大，节点连接牢靠。第三层斜杆轴力偏大，需加大截面，应力均在木条可承受范围内。

3．局部截面验算（稳定验算）：

取轴压力最大的杆件，计算长细比，得到稳定系数，参考《钢结构》教材里面构件稳定承载力计算方法，验算本结构中构件是否满足稳定性；

取本结构中长度较大的杆件，由上述结果图提取轴压力，计算长细比，得到稳定系数，参考《钢结构》教材里面构件稳定承载力计算方法，验算本结构中构件是否满足稳定性；

5）.结论与建议

按照上述方法调整后，本结构基本可行，竖向与横向荷载都能有效承受。但需要注意的是，在手工制作中主要节点之间的连接应当加固、整体模型端正稳固，在加载中模型需放置平稳。

虽然在实践操作中最初的模型未被采用，但得出的结构使我们着重了制作细节以及加载的注意点。为了锻炼自己的受力分析、计算等能力，最终的模型未请学长利用专业软件分析，虽然我们自己的理论分析与实际结果似乎有些差距。感谢学长的帮助，感谢组员们一起的努力！