結構設計大賽體會

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摘要:以“登峰杯”全國中學生結構設計競賽為例，對競賽過程進行全面總結，分析比賽中存在的問題并提出相應解決方案，同時結合參賽體會探討了結構設計大賽對中學生創新能力培養的重要作用。

關鍵詞:結構設計大賽，創新能力，模型設計

結構設計大賽是培養學生創新能力的重要途徑［1］。目前有關大學生結構設計競賽理論計算方法與模型制作技術均有較成熟的發展［2，3］，而針對中學生的結構設計競賽則更具有挑戰性。本文以第二屆“登峰杯”全國中學生結構設計競賽(決賽)為例，回顧分析比賽中存在的問題并提出相應解決方案，初步探討大賽對中學生創新能力培養的重要作用。

1賽前準備

1．1組建隊伍。每個參賽隊由3名學生和1名～2名指導教師組成;參賽隊員和指導教師需要良好溝通和交流，隊員之間的分工協作也至關重要，隊長負責管理時間與分工，同時協調與校核結果;兩名隊員一人負責管理設計圖紙，一人負責材料準備;在結構制作時，手工弱的隊員負責材料準備與協助，手工強的隊員承擔主要構件的粘結工作。1．2材料準備。訓練時要提前準備大賽指定的材料和工具，保證主材和粘結材料余量;還要準備膠水滴管，便于控制502膠水流速和用量，改善構件性能。熟悉材料的性能和工具的使用也很重要。桐木條呈脆性，需按純彈性結構設計并保留一定安全系數。建議用桐木片制作箱型桿件與受拉條帶，滿足質量輕強度高的要求;模型的受力桿件采用8mm×1000mm×2mm規格木條制作。工具使用會影響制作速度與模型的精度與強度，如美工刀的握刀手型、發力程度、刀切入角度以及剪刀裁剪都需要不斷摸索，找到自己合適的感覺。

2比賽訓練

2．1賽題分析。比賽要求制作一個空間結構模型，安裝在加載裝置上，用于抵抗豎向靜力荷載和動力荷載。除對模型在加載安裝過程提出基本要求外，限制條件較少，選手可以根據自己的理解，計算選取最合適的模型設計方案和結構尺寸，既保證模型的承載能力，又盡量減輕模型自重，實現最大荷重比。2．2模型設計。模型設計需要選手掌握結構設計的基本知識，進行必要的計算和繪圖，對于中學生具有挑戰性，需要指導教師的指導與幫助。施工圖繪制要考慮材料的切削所引起的構件尺寸的改變，下料時需保留長度余量。安全、經濟、美觀是結構設計的基本要求，模型荷重比體現模型結構的合理性和材料利用效率，結構設計不能太復雜，桿件數要盡量少而輕。設計過程中把握三個主要原則:一是傳力途徑簡潔，明確。二是強柱弱梁，強剪弱彎，強節點弱構件。三是拉壓平衡，拉桿強度控制，壓桿穩定控制。根據以上設計原則與學生施工能力，選擇平面結構組裝而成的空間結構(見圖1)，豎向荷載承重體系采用平面桁架結構，利用多根橫梁將平面桁架結構聯系成為空間結構。該模型傳力途徑明確荷載至橫梁，橫梁至平面桁架，桁架至支座，充分考慮了結構構件在拉、壓、彎、剪、扭等五種受力狀態下的特性，以合理的設計充分利用材料的強度。2．3模型制作。模型制作是一個逐步學習摸索的過程，包括下料、桿件制作、節點處理等幾個環節。1)下料。根據模型設計需要以及由于訓練消耗情況，提前一次性裁剪相應規格材料備用，保證邊緣齊整，無毛刺。2)桿件制作。將裁剪好的桐木條按照桿件要求用膠水凝固成型。粘貼前，必須確保模板在平臺的平面上，盡量不要懸空。膠水應當均勻涂抹，不宜多涂，觀察桿件粘結筆直，有無扭轉現象。由于手工要求很高，需要較長時間練習，逐步提升效率和制作進度。3)節點處理。節點處理復雜、細致，需要極強的耐性和手工的精細度。一是用桐木條在砂紙上打磨后的粉末進行填補縫隙。二是對節點進行補強，通常采用耳板粘貼。為保證節點剛性，需采用小的三角貼片進行加固處理。2．4加載實驗與優化。模型加載過程分靜力荷載和動力荷載兩階段。為確保加載實驗的有效性，參賽隊要事先按比賽要求定制簡易測試平臺，參照競賽加載過程進行加載實驗并觀測和記錄數據，檢驗構件強度設計的合理性。同時基于加載實驗結果對模型結構進行優化和調整。根據評分規則，結構體系和模型做工各10分，模型加載80分，要特別重視加載實驗。

3比賽臨場發揮

比賽臨場發揮以及比賽時間和節奏的把握也至關重要。正式比賽包括結構模型設計制作、現場答辯和模型測試等環節，其中模型制作時間為12．5h，分2d完成。參賽隊在比賽一開始要根據比賽要求，準確快速進行設計與制作，注意分工協作與溝通交流，及時發現和解決問題。

4主要的體會

通過參加初賽和決賽，參賽隊員各方面素質得到了有效鍛煉和提高。一是增強了主動學習能力;二是提高了分析和解決問題的能力;三是培養了動手能力;四是鍛煉了組織協調能力。

參考文獻:

［1］邵文琦，蘇駿．第五屆湖北省大學生結構設計競賽實踐與探討［J］．教育教學論壇，2018(25):148-149．

［2］程保全，侯榮程，陳鑫．大跨度屋蓋模型的數值模擬與優化設計［J］．四川水泥，2018(2):89-90．

［3］馬肖彤，李總，楊金賢．第十一屆全國大學生結構設計競賽模型結構設計與分析［J］．教育現代化，2017，4(45):216-219．

作者:程弋洋 單位:成都樹德中學