结构设计大赛体会

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摘要:以“登峰杯”全国中学生结构设计竞赛为例，对竞赛过程进行全面总结，分析比赛中存在的问题并提出相应解决方案，同时结合参赛体会探讨了结构设计大赛对中学生创新能力培养的重要作用。

关键词:结构设计大赛，创新能力，模型设计

结构设计大赛是培养学生创新能力的重要途径［1］。目前有关大学生结构设计竞赛理论计算方法与模型制作技术均有较成熟的发展［2，3］，而针对中学生的结构设计竞赛则更具有挑战性。本文以第二届“登峰杯”全国中学生结构设计竞赛(决赛)为例，回顾分析比赛中存在的问题并提出相应解决方案，初步探讨大赛对中学生创新能力培养的重要作用。

1赛前准备

1．1组建队伍。每个参赛队由3名学生和1名～2名指导教师组成;参赛队员和指导教师需要良好沟通和交流，队员之间的分工协作也至关重要，队长负责管理时间与分工，同时协调与校核结果;两名队员一人负责管理设计图纸，一人负责材料准备;在结构制作时，手工弱的队员负责材料准备与协助，手工强的队员承担主要构件的粘结工作。1．2材料准备。训练时要提前准备大赛指定的材料和工具，保证主材和粘结材料余量;还要准备胶水滴管，便于控制502胶水流速和用量，改善构件性能。熟悉材料的性能和工具的使用也很重要。桐木条呈脆性，需按纯弹性结构设计并保留一定安全系数。建议用桐木片制作箱型杆件与受拉条带，满足质量轻强度高的要求;模型的受力杆件采用8mm×1000mm×2mm规格木条制作。工具使用会影响制作速度与模型的精度与强度，如美工刀的握刀手型、发力程度、刀切入角度以及剪刀裁剪都需要不断摸索，找到自己合适的感觉。

2比赛训练

2．1赛题分析。比赛要求制作一个空间结构模型，安装在加载装置上，用于抵抗竖向静力荷载和动力荷载。除对模型在加载安装过程提出基本要求外，限制条件较少，选手可以根据自己的理解，计算选取最合适的模型设计方案和结构尺寸，既保证模型的承载能力，又尽量减轻模型自重，实现最大荷重比。2．2模型设计。模型设计需要选手掌握结构设计的基本知识，进行必要的计算和绘图，对于中学生具有挑战性，需要指导教师的指导与帮助。施工图绘制要考虑材料的切削所引起的构件尺寸的改变，下料时需保留长度余量。安全、经济、美观是结构设计的基本要求，模型荷重比体现模型结构的合理性和材料利用效率，结构设计不能太复杂，杆件数要尽量少而轻。设计过程中把握三个主要原则:一是传力途径简洁，明确。二是强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件。三是拉压平衡，拉杆强度控制，压杆稳定控制。根据以上设计原则与学生施工能力，选择平面结构组装而成的空间结构(见图1)，竖向荷载承重体系采用平面桁架结构，利用多根横梁将平面桁架结构联系成为空间结构。该模型传力途径明确荷载至横梁，横梁至平面桁架，桁架至支座，充分考虑了结构构件在拉、压、弯、剪、扭等五种受力状态下的特性，以合理的设计充分利用材料的强度。2．3模型制作。模型制作是一个逐步学习摸索的过程，包括下料、杆件制作、节点处理等几个环节。1)下料。根据模型设计需要以及由于训练消耗情况，提前一次性裁剪相应规格材料备用，保证边缘齐整，无毛刺。2)杆件制作。将裁剪好的桐木条按照杆件要求用胶水凝固成型。粘贴前，必须确保模板在平台的平面上，尽量不要悬空。胶水应当均匀涂抹，不宜多涂，观察杆件粘结笔直，有无扭转现象。由于手工要求很高，需要较长时间练习，逐步提升效率和制作进度。3)节点处理。节点处理复杂、细致，需要极强的耐性和手工的精细度。一是用桐木条在砂纸上打磨后的粉末进行填补缝隙。二是对节点进行补强，通常采用耳板粘贴。为保证节点刚性，需采用小的三角贴片进行加固处理。2．4加载实验与优化。模型加载过程分静力荷载和动力荷载两阶段。为确保加载实验的有效性，参赛队要事先按比赛要求定制简易测试平台，参照竞赛加载过程进行加载实验并观测和记录数据，检验构件强度设计的合理性。同时基于加载实验结果对模型结构进行优化和调整。根据评分规则，结构体系和模型做工各10分，模型加载80分，要特别重视加载实验。

3比赛临场发挥

比赛临场发挥以及比赛时间和节奏的把握也至关重要。正式比赛包括结构模型设计制作、现场答辩和模型测试等环节，其中模型制作时间为12．5h，分2d完成。参赛队在比赛一开始要根据比赛要求，准确快速进行设计与制作，注意分工协作与沟通交流，及时发现和解决问题。

4主要的体会

通过参加初赛和决赛，参赛队员各方面素质得到了有效锻炼和提高。一是增强了主动学习能力;二是提高了分析和解决问题的能力;三是培养了动手能力;四是锻炼了组织协调能力。

参考文献:

［1］邵文琦，苏骏．第五届湖北省大学生结构设计竞赛实践与探讨［J］．教育教学论坛，2018(25):148-149．

［2］程保全，侯荣程，陈鑫．大跨度屋盖模型的数值模拟与优化设计［J］．四川水泥，2018(2):89-90．

［3］马肖彤，李总，杨金贤．第十一届全国大学生结构设计竞赛模型结构设计与分析［J］．教育现代化，2017，4(45):216-219．

作者:程弋洋 单位:成都树德中学