“新工科”背景下结构设计大赛对大学生创新设计能力的培养.pdf
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1、Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期133文章编号:2095-6835(2023)18-0133-04“新工科”背景下结构设计大赛对大学生创新设计能力的培养马法荣,李 东,吴敏龙,赖治强,李宗娟,魏婷婷(河西学院土木工程学院,甘肃 张掖 734000)摘要:竹材具有良好的物理力学性能和可加工性能,具有现场制作方便、抗拉抗压强度大的特点,可制作各种结构模型。采用甘肃省第四届大学生结构设计竞赛赛题以竹材为主要材料制作桁架桥模型,结合 Midas Gen 有限元建模软件对结构进行仿真模拟并分析,从节点制作、结构特色及受力情况等多个角度
2、给出最优的模型,在保证了结构模型特色的同时实现了对结构的正确分析和有效优化。并且通过竞赛以提高和培养学生的动手实践能力和创新设计能力,培养更加优秀的复合应用创新型土木专业人才。关键词:结构设计竞赛;桁架桥模型;有限元分析;创新设计能力中图分类号:G642文献标志码:ADOI:10.15913/ki.kjycx.2023.18.039近年来,随着新一轮国家科学技术创新研究战略计划课题的正式实施,中国理工科高等学校在人才培养层次方面上的具体要求也要随之进行改变,由原来简单的培养只要求本科生可以较好扎实地全面掌握有关本专业方向技术的科学基本和理论基础知识转变为将本科生培养成高级应用型科学技术创新拔尖
3、人才,把应用型创新高层次人才队伍的重点培养放到了一个很重要位置1。同时由于国家战略和当代社会经济对高层次土木工程专业复合型人才队伍的总体需求也逐步做出了一个相应时期的优化调整,经过长期的办学实践探索,土木类专业创新人才培养目前已开始过渡进入到真正以重点培养复合应用型技术专业创新人才为办学目标导向的培养阶段2。复合应用型技术专业创新人才培养3-5要求应基本具备系统、完整、全面的工程知识结构体系框架和相对良好的工程技术综合素质。完整的课程知识结构体系一般由扎实的基础理论知识和前沿科技的专业新技术构成,二者结合是正确培养学生科技创新思维素质的主要前提条件;良好全面的个人综合道德素质主要包括有报效国家
4、的家国情怀、服务奉献社会的道德思想、团结进取合作创新的团队精神以及坚守工作岗位的健康体魄,这是提高学生持续具备技术创新素质能力素养的重要保障。虽然当前常规的模块化教学体系已能够保证学生进行理论内容和专业技术层面上的学习,但如何在实践中培养学生的独立创新思维、提高学生自身的动手创新以及应用能力,仍是中国当前应用型高校培养复合应用型人才所面临的挑战6。因此,高校本科生教育体系应进一步将如何优化培养大学生知识结构体系和青年大学生创新综合应用素质提升作为未来培养创新型复合和应用型高素质创新拔尖人才体系的重要抓手,加大学生在创新能力方面的培养力度。故本文以甘肃省第四届大学生结构设计竞赛为学科背景,训练河
5、西学院土木工程学院学生的综合创新能力、操作能力和创新思维。结构设计竞赛会使学生们在完成设计模型的同时,提高他们的动手能力、实践能力,锻炼他们团队合作和吃苦耐劳的精神。而这一特点与新时代培养复合应用型创新人才的需求非常契合。1设计说明1.1方案构思以甘肃省第四届大学生结构设计大赛题目为参考,题目要求设计结构在满足尺寸要求的同时也满足结构三级加载的要求,其中第一、二级加载为静力加载,对应模拟测试桥梁在不对称荷载作用下的静承载能力,主要测试结构和构件的抗压与抗拉承载能力。三级加载为动荷载加载,在静载基础上进行桥梁动载测试,测试结构的抗冲击性能。此外还要求结构具有良好的稳定性能,避免主要结构构件破坏和
6、挠度超出允许范围。1.2结构方案对于本次的设计,经查阅多方资料后,分别考虑提出斜拉桥、梁式桥、拱桥和桁架桥 4 种桥型作为初基金项目甘肃省大学生创新创业训练计划项目(编号:S202110740047);河西学院青年教师科研基金项目(编号:QN2021020)科技与创新Science and Technology&Innovation1342023 年 第 18 期步设计方案。斜拉桥作为大跨度跨海桥梁来讲,对构件刚度要求高,用集成竹皮强度恐无法达到,并且制作复杂,难度大,因此不做考虑。梁式桥有较好承载弯矩的能力,也可以很好地控制使用中的变形,但桥梁的稳定性问题突出,无法有效控制桥梁的扭转变形和偏
7、心作用,因此梁式桥也不做考虑。拱桥最大主应力沿拱桥曲面作用,沿拱桥垂直方向最小主应力为 0,可以很好地控制桥梁竖直方向的位移,但其自重较大,在竖向荷载的作用下会产生水平推力,所用杆件材料用料多、自重大,结构不能协调受力,且设计复杂、计算烦琐,因此拱桥也不做考虑。桁架桥具有比较好的刚度,腹杆既可承拉亦可承压,同时也可以较好地控制位移,造型美观,跨越能力较大,相比之下,最终方案选定为桁架桥模型,如图 1 所示。(a)三维轴测图(b)正视图(c)左视图(d)俯视图图 1桁架桥模型图在确定最终的结构方案之前,做了多次尝试,每一次都是在前一个模型的基础上,针对其受力性能和破坏模式进行相应的优化,以使最终
8、的结构最优。在方案设计过程中,需注意到以下 5 点:根据赛题规则,模型需要满足规定的承载能力和位移要求;并且模型受力性能的优劣是以单位承载力的高低进行区分的,故应尽可能减轻结构质量,提高材料利用率。模型所承受的第一级和第二级荷载是非对称分布的静荷载,第三级荷载为动荷载,这就对结构的空间受力性能提出了更高的要求,尤其是在变化的水平荷载作用下,结构应具有足够的抗扭转能力。由于模型加载是在指定的 8 个点上施加集中力,因此加载点局部杆件的受力较大,要防止因局部杆件的破坏而导致整个结构丧失承载力。模型与承台板之间采用自攻螺钉连接,是否能够牢固连接而更接近理想的固结支座对于整个结构的受力性能影响很大。模
9、型结构中必然存在众多杆件需要在一个节点连接的问题,节点的构造对于杆件能否充分发挥承载能力至关重要,在设计中应尽可能保证“强节点”的制作,避免节点的破坏先于杆件的破坏。1.3结构特色结构多选用钢桁架结构,各两端弦杆件及其内部纵向受力分配关系等均都可以看作是单向且以径向拉、压弯受力方向为主,通过同时考虑到上下桁架两端的弦杆件和腹杆构件等的合理的对称组合布置,可做到同时适应整个钢结构体和内部结构复杂部分的垂直剪切弯矩特性要求和内部横向剪力分布。由于支座水平方向上产生的拉、压内力均只实现了到支座自身的受力平衡,整个支座受力平衡结构都不对支座本身产生水平推力,其受力合理,形式美观。节点间的特殊加固。根据
10、 Midas Gen 软件有限元分析计算结果,对具有不同结构受力情况要求的加固节点可以采用完全不同类型的加固处理方式,契合了“强剪弱弯”“强节点弱构件”的抗震设计新理念。杆件的局部加强。根据美国 Midas Gen 软件的分析,桁架结构中不同截面部位的受力负荷情况均不同。因此,在保证尽可能多节省构件材料量的前提下仅对模型局部变形做一些加强性处理,增加了桁架结构受力的结构整体稳定性系数和工程可靠性,实现了“轻质高强”的设计理念。2结构分析及优化2.1结构分析2.1.1位移计算利用 Midas Gen 有限元计算软件在软件环境中建立模型,模拟竹结构模型在加载时受力的受力状况,在 Midas Gen
11、 有限元建模结果分析报告中,对模型主要的参数进行了定义,弹性模量为 6.0103MPa,密度为 8 g/cm3,密度泊松比为 0.3;在实际进行结构内力模型分析试验时需要按实际空间结构计算进行内力计算,结构模型分析中考虑大部分桥梁杆件受力都存Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期135在着弯矩、剪力比和轴力,为了试验计算更方便,建议统一采用梁单元模拟试验;但是由于在结构节点处进行连接施工主要还是靠胶水来进行粘连,按刚接法计算受力较为合理。第一级加载在桥面上共设置 8 个加载点,对应的加载装置图如图 2 所示,加载点上竖向荷载加载工
12、况如表 1 所示,对应的内力计算图如图 3(a)所示。单位:mm图 2加载装置平面图表 1荷载工况表单位:kg竖向荷载加载点12345678第一级13911108754第二级A02211108790B17911108750C22011108754D13901087515第二级荷载是在原有第一级荷载的荷载基础上又分为前后 2 个主要步骤分别进行的加载,具体步骤如下:保持 C 加载截面内的 2 个加载点 C1、C2保持静负载位置不变,从其最左侧的加载点取 A1,将在该加载点内的所有砝码均转移至其另一侧的 2 个 A2加载截面点上。将第一步移入荷载点上的所有砝码,全部都转移至第一个与该加载点坐标相同
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