建土赛事——力学架构

        建源寄语：建源希望每个小伙伴都能通过力学架构的比赛，真正的学到力学与设计的精髓，领悟其中的奥妙。若有任何疑问，请联系文末**号。

        通常一般的思路是：概念设计→理论(电算)分析→调整优化理论模型→重新复合电算直到模型满意→开始制作模型→试验加载模型→修正试验问题→重新制作新的模型直到满意→提交作品。

一、 结构概念和体系的选择

1.    结构效率目标准则

一般设计模型时，应牢牢把握住外荷载（动载、静载），牢记一点！传力直接！传力直接！传力尽量直接！直接传力会导致整个结构的效率提高，并且构件也会响应的减少，当然质量也会变得更轻，所以这是选型必备的功夫之一。

2.    优化结构体系方法

参加该次比赛的大部分是大一大二的学生，力学功底上可能稍微欠缺，这里提供一种方法——力流法，简单的来说，就是把力看作是流水，而杆件看成河床，流水湍急，那势必杆件要厚大一点。或者说，把力流看成电流，高中物理上的电流分析差不多。虽然这样可能达不到精准的计算，但至少能大概初步的估算和把控结果。

3.    制作与装配效率准则

要考虑制作难度，构件太多势必节点的控制难度加大，并且模型越是复杂，可能和电算结果的偏差就更大，在设计时候，简单！合理！有效为佳！

4.     这里推荐两本概念较强，容易阅读和理解的书籍供大家选择和参考。

二、结构计算与分析

        曾经听别人说，电算只是个过程而已，又完全不准的，因此做模型归做模型，电算归电算，变成了两码事？！这可能就严重的导致的结构设计大赛走不出校门的最根本原因，好好的结构力学竞赛，竟然变成手工活比赛，这就好比虽然设计师能算出一个民房，但农名工也能盖民房同一个意思吧，要学会透过现象看本质。

        因此准确来说，是不会算，而不是不一样，电算的根本目的在于预判结构破坏趋势，计算和分析出需要加强的部位，数量上并不需要非常的精确，但是电算模型需要做的有价值，要把实际模型和理论分析假设联系上。

接下来浅析下常见错误的原因：

1.材料本构的选取，因为常用的是竹皮，暂且用竹皮讨论。竹皮算是脆性材料，那么姑且以弹性阶段来衡量来考虑这个模型，建议如果有条件的话，还是做下竹皮的力学性能试验，得到一些相关参数，因为每一批次的竹皮力学性能可能有差异，如果没有条件，按下面表的数值的75%-80%进行考虑。

2.力学模型假定和实际操作不符合，没有考虑铰接、刚接、半刚接的问题，只是笼统的完全刚接计算，那计算结果也会和实际的不符。

3.电算没用考虑是否失稳的状况，电算需要勾选P-▲效应等操作，即可模拟失稳情况，若是没有条件考虑失稳情况，可以多拉一些单层或者双层带状的竹皮去受拉防失稳。

4.还要注意，虽然一般校园比赛没有条件或者不会做成动载比赛，比如吹风的动力试验或者振动台的地震试验，一般都只是静载试验，但是也要考虑到电算静载需要加大5%-左右，因为在放配重块时，并无法很好的保证非常非常零距离的再放上去，因此在这瞬间会产生瞬时动力效应，所以静载按需要的设计再加5%左右来确保电算可靠。

5.电算上主要考虑的还是构件的破坏推出工作，不能很好的模拟节点的损坏（除非专门去分析节点），那么要保证的就是做到强节点弱构件！节点要比构件的强度强，这估计能达到比较好的电算效果。

二、 力学可靠分析的工具以及分析方法的选择

以下有很多软件，可供力学架构进行筛选，下图中，均为材料力学性能参数的设置教学，让我们一一来介绍以下吧，工欲善其事，必先利其器，以下软件仅需要其中1~2款即可完成力学架构的计算，有些软件需要软件驱动，若需要请联系文末**号。

1.    力学求解器（精简的力学神器）

         力学求解器，是建立在纯粹的结构力学基础上，可以简易的计算分析模型的初步计算，对于对称结构的、可取单榀的结构，计算效率较好，计算结果稳定。该软件使用的方法为：矩阵位移法（杆系单元），但缺点是模型过于理论化、虽然能大致判断破坏模式，但是理论和实际模型有部分差别，并且无法较好建立三维空间模型（不过网上有力学求解器 空间版）。

2.    3D3S（需要驱动/网架网壳的建模神器）

        3D3S是同济大学基于AutoCAD而开发的，截面比较精简，对于建立网架网壳有非常便捷的功能，仅需1分钟可以建立非常好的，而且较为合理的模型，比如12届国赛结构设计竞赛（同惠州学院2018年力构），该软件也是基于杆系单元的有限元方法计算，优点是力学求解概念清晰，并且建立模型快捷方便，但由于该自出生以来主要服务的还是钢结构，所以需要使用者有较强的力学功力，将材料力学性能参数调对，不过好在它的接口不错，可以再这里建模完导入Midas gen/SAP2000/ANSYS/ABAQUS，再调整参数进行计算。有任何问题咨询或者需要软件驱动，请联系文末**号。

3.    Midas gen（需要驱动/通用结构设计）

        Midas gen是华裔学生在韩国时开发的一款通用结构设计软件，这款软件主要还是以杆系单元进行有限元计算分析的，虽然它也能进行实体单元分析，但是较少用，它的好处就是截面漂亮，实现和操作简便，而且不管是何种结构几乎都能用该软件进行计算分析，若是力学功底不是很扎实，又想在力学架构上做出比较好的理论计算分析，可以采取该软件。有任何问题咨询或者需要软件驱动，请联系文末**号。

4.    SAP2000 （通用结构设计）

        SAP2000是加州大学伯克利分校威尔逊教授主持开发的，CSI公司旗下的软件，这款软件具有世界公认稳定的计算内核，世界目前暂且最高的迪拜塔是由SAP2000设计计算分析的（由Midas gen复核），优点就是力学计算内核非常稳定，计算精度和效率高，缺点就是操作相对复杂，很多功能在功能的功能里，需要使用者有较好的力学功底。

5.    ABAQUS（大型通用有限元神器）

        ABAQUS是索达公司旗下的一款大型有限软件，模型设置正确，基本不用怀疑计算分析结果是否失真，该软件主要做固体力学有限元计算，可以较好的完成任何固体力学范畴内的模拟非线性仿真，比如力学架构的瞬时碰撞，风场的固流耦合等等，不需要过多的假定，可以采用杆系单元，也可以采用实体单元，并且能模拟真实的力学架构的破坏或者倒塌。一款性能相当强的软件，但缺点是需要使用者对力学功底的完备性，对使用者力学功底要求很高。

6.    ANSYS （大型通用有限元软件）

ANSYS是研究级别的软件（如果说第2-4款是设计级别的），它的精度是毋庸置疑的，该软件是世界最知名的大型通用有限元软件之一，仿真的是世界上任何存在的物理问题，流体问题、固体问题等等，该软件都能较好的呈现模拟出实际状态，并且到现今的版本，计算方法不再局限于有限元，可以采用有限差分、无网格法等等进行求解，软件是全英的，没有汉化处理，对使用者不仅力学功底要求很高，专业英文水平也需要一些。结构设计大赛国赛，部分学校会采用该软件进行计算分析。

        总结：一般力学架构普遍用的软件在这里基本全部呈现出来了，难度排序大致是力学求解器→Midas gen→3D3S→SAP2000→Abaqus→ANSYS。但依然还是建议用好力学求解器，走遍全天下，如果要较好的结果并且简单操作可以试一试采用Midas gen。有任何问题咨询或者需要软件驱动，请联系文末**号。

四、材料检查

         一般竹节处制作的竹皮抗拉性能很差，因此在制作拉条时选用不带竹节的竹皮，避免竹节对其抗拉强度的影响（如下图所示）。且对受力较大的拉条的边缘进行了贴片加固，防止受力不均而导致拉条的开裂（如下图所示）。

5.构件（节点）制作建议

        对于受压杆件，可做成外围为正方形的杆件，如果需要为了增加杆件的惯性矩，可以在正方形杆件里添加了“X”形支撑，使其抗弯性能好，防止受力弯折。

        在制作过程中我们发现用砂纸磨下的竹皮粉末可以充当502胶的“骨料”，把两者拌合发挥出意想不到的效果，杆件与杆件粘接处容易留有细缝，放上少许竹皮粉末，再加上502胶，不仅能够弥补细缝，还能加大粘接面积，很大程度的提高了节点强度。

带状受拉竹皮粘结

其他通常类型节点做法：

总结：工欲善其事，必先利其器。建源团队预祝各位小伙伴们马到成功，进军国赛！