为进一步推进习近平总书记关于创新驱动发展的重要论述走深走实，不断激发职工创新创效热情，激励职工大力弘扬劳模精神、劳动精神和工匠精神立足本职岗位积极投身公司高质量发展实践，公司于九月成功举办了第一届结构设计制作竞赛。各参赛队凭借扎实深厚的专业知识功底，从理论层面精心构思设计方案，团队协作搭建实物模型各具特色，均取得了优异的成绩。

近期，公司将集中推出第一届结构设计制作竞赛优秀成果展播系列，一起来领略参赛队的风采吧~  

本期展播

三等奖获得者（综合设计八所）参赛队结构竞赛技术回顾

——格构压杆索桁架

一、审题与构思

根据赛事要求，进行分析：

1.结构体系/形式：考虑如何最大化利用材料强度？要根据建造材料选择结构构型。

2.材料选用：松木条是各向异性的材料，顺纹抗压能力大于顺纹抗拉大于横纹抗压大于顺纹抗剪。考虑主要用于抗压构件。棉线绳，用于抗拉构件，可以多股绞成一股粗线，提高抗拉能力，并作为节点的主要材料。胶水：用于辅助固定节点。

3.结构构件：受拉/受压材料各自发挥特长，必要时多根杆件或线绳并成一个构件使用。

4.松木条端部开槽互相咬合，然后用绳结捆绑，再用胶水加固。节点作为结构的薄弱部位，应当尽量减少节点数量。

5.材料强度：木材查找规范，棉线做强度试验。

6.软件选择：简单空间结构使用CAD建立3D模型，使用Midas计算。在结构模型的几何选型阶段使用具有拓扑优化功能的有限元软件Inspire辅助找形。

在Inspire中基于匀质连续材料的找形，在软件中输入边界条件和荷载，在计算分析后，可以对处于设计空间的物体根据计算结果进行几何拓扑优化，在保证强度的同时减少设计空间内的材料使用，达到材料利用率最大化的目的。

以下是几组Inspire中拓扑优化结果作为结构找形的参考：

二、方案比选

根据初步分析结论，我组拟选用压杆+拉索的索桁架结构形式。以下是两种方案的简图。

方案（一）简图                            方案（二）简图

考虑到实际用松木条搭建模型时，节点制作困难且手工制作的节点强度一致性较差，所以尽量减少节点或者选用较为简单易于制作的节点。

方案（一）中木条与木条间的铰接节点数量较多，方案（二）中压杆选用格构柱形式，大量减少了铰接节点，而使用了制作较为简单、强度一致性较高的木条拼接的刚接节点。

在Midas中建立模型并施加相同荷载。方案（一）底部铰接、底部刚接各设置一个模型，方案（一）底部铰接后为节省杆件将固定端杆件改为拉索与方案（二）进行对比。

方案（一）索桁架下弦杆受力较大，因此下弦杆做成多根杆件并做一根杆件或做成格构压杆更为合理；上弦杆完全受拉可以用一整条拉索代替。并且方案（二）与之前Inspire下图中拓扑结果的几何构型相似。综上所述，我组选用方案（二）。

对于方案（二），我组进行进一步探索优化格构压杆的形式。在Sketchup中绘制草图来探究节点及构件组合。

结合节点制作的难易程度和杆件材料的数量，我组还是选择了左一构型。

三、节点选择与制作

      节点草图          选用正交和斜交刚接节点          杆件端部照片

斜交节点的两根杆件角度越大，杆件间接触面越小，节点强度损失越大。如下图所示格构压杆斜交角度小的模型在软件计算中杆件应力也相对较小，因此尽量减小斜交角度。

四、计算分析

松木条材料强度和弹性模量采用下表TB13数据。

未查找到棉线绳弹性模量，暂时取值同木材弹性模量8000N/mm2。

用18L满水水桶实验测得棉线绳抗拉能力，2股绞合的棉线绳提起水桶时断裂，4股绞合的棉线绳提起18L水桶成功。得出4股绞合的棉线绳抗拉能力为90N，单根棉线的抗拉力约为20N。

在端部施加200N的静力荷载，均匀施加在端部左右两点上，杆件内力最大为238.8N，拉索最大内力为258.4N。最大内力杆件为截面为6mmX6mm松木条，杆件应力为6.7N/mm2。

五、模型制作

团队制作模型照片

模型制作完成          拉索预应力加紧装置          底部铰接限位器

在模型完成后采用向吊挂空水桶逐步加水的方式进行加载实验。在加载了约1L的水后，听到模型发出嘎嘎声后停止实验。此时载重量约为10N。

六、比赛加载

汇报与点评                               加载环节

我队模型完成第二级加载7.2kg后进行第三级加载10.8kg时，因模型变形过大，竖直压杆受弯断裂，导致结构破坏。与计算模型中竖直压杆应力最大的计算结果相符。

模型破坏瞬间照片

七、分析与总结

我队实体模型与计算模型基本相符，实体模型因变形过大导致破坏。经分析得出，可能是与底板连接的线绳在第三级加载下拉伸变形过大，导致中间竖直压杆顶端产生位移，竖直压杆由假设只受轴向压力的二力杆变为压弯构件，最终在薄弱位置（节点边缘）发生破坏。

通过这次结构竞赛，我们不仅锻炼了团队合作能力，还深入理解了结构设计中理论指导实践，实践检验理论。我们期待在未来的工作中，能够继续应用和扩展我们在这次竞赛中学到的知识和技能。