模型制作经验

我校的力学架构模型设计大赛已举行过多届了，也有了多次走出去请进来比赛的经验。为了使同学们少走弯路和回头路，设计制作水平能在前人探索的基础上不断创新提高，特在此将一些结构模型设计的经验及要点小结一下，期望能对大家有所帮助。

结构设计的基本原则：安全、适用、经济、美观，完全适用于我们的力学架构设计大赛：

1、安全：应具有足够的强度、整体稳定和局部稳定

结构的强度破坏一般发生在节点处。要对节点进行加固，并采用使节点处的拉、压杆件受力相互平衡的节点形式，构建和谐节点。如采用让拉杆连续通过，压杆切断但撑于节点上的形式。对于管状的空心杆件在受到局部横向压力时，要在受压处用横隔加强。

结构失去整体稳定而破坏的情况要多于强度破坏，特别是对于高架桥这样的高个子结构。不要迷恋对称，对称只是个传说。侧向受力是避免不了的，加载偏心、材料缺陷都会引起侧向力，压杆失稳时会也产生侧向剪力。设计时宜考虑有侧向力（大小可以取竖向力的1/30）与竖向力同时作用于加载点处。通过水平支撑和竖向支撑（均为几何不变的三角形体系），将侧向力传递至基础。建立起强有力的维稳机制。截面较大的空心杆件会产生局部失稳问题，这时可采用蜂窝型截面解决。

2、适用：应满足建筑要求，有良好的工作性能

比赛前将有车、船模型作通过测试，如果不能满足规则对通航、通车及加载设备安装的要求，可能会直接出局。虽然这种情况不常发生，但不能掉以轻心。如对规则不明或有疑问，应及时向技术人员提出。

变形过大会影响结构的使用，变形超限也是很多模型的失效模式。原因是模型刚度不足，这和不了解材料性能（如棉线变形过大是不适合做拉杆使用的），选择杆件截面尺寸不当及节点设计失误有关。

目前，由于材料的弹性模量较难测定等原因，很难进行精准的变形计算。应注重实践，多做实验比理论计算更重要，概念设计比计算结果更重要。

此外，空气湿度对纸质模型强度和刚度的影响也十分显著，阴雨和回南天气参赛时宜采取防潮措施。

3、经济：在满足上述要求前提下应最省材料

要求在满足一定承载力的条件下，尽可能减轻模型的自重。荷重比为模型最大承载重量与模型自重的比值，模型的承载重量有封顶值，这就要求结构的自重应尽可能轻。设计时宜根据计算内力的大小及性质（拉、压）来选择杆件截面。制作时材料应精打细算，该用则用，能省就省。

计算简图要准确，拉、压杆的判断很重要。可用截面法、节点法、位移法作简单受力分析，较精确数值可利用清华大学结构力学求解器计算。应根据计算结果大致分配各杆件的用料。

杆件的截面不宜采用实心，应采用较开展又能满足局部稳定的截面形式。常用的截面形式有○字型、□字型、日字型、目字型、蜂窝型、三角型、扁管型等，可综合运用之。

4、美观：尽量显示结构之美、力量之美。

采用传力准确、简练、稳固的结构形式，充分展示结构之美。结构形式有桁架结构（由三角型布置的杆件通过铰节点连接而成）、框架结构（由平行布置的杆件通过刚节点连接而成）、蒙皮结构等形式，可参考历届大赛的作品，参阅教材和请教老师。

值得一提的是：节点连接宜摒弃用棉绳捆扎的初级做法，而采用全纸做的节点。必要时用纸片做成附加的传力构件（专业上称为节点板），不仅受力可靠、重量轻，而且美观、符合工程实际做法，在决赛的模型制作工艺评分中能拿到较高的分数。