第三届湖北省“结构设计大赛”
设计方案
设计人：张学强、侯金穗、徐立
一、 料仓装料部分： <一>形状尺寸
1、形状：采用直圆筒状主装料仓，如图所示：
2、图中圆筒部分高h1，圆台状部分高h2，其中 h1、 h2由以下过程计算
体积：kg mm kg V 601041003
9≥⨯⨯-
mm 70021≤+h h mm 2002≤h
()
V h h ≥⨯⨯
⨯+++⨯⨯22212
4
60200602004
200π
π
3、考虑到料仓稳定性，结构体重心较低，圆台倾斜角较小，结合上述计算，最优方案为：
mm h 4972= mm h 1181≥
4、又考虑到料仓内部加固的箍竹片会占据一定体积，所以使上部略大于计算理论值，最终确定料仓尺寸为：
mm h 5501= mm h 1202= <二>加固方法
1、圆筒部采用内部竖直方向装配竹片，外部横向加环形竹箍固定的方式。
2、圆台部分采用圆筒部分向内部弯折延续，并且在折点内侧环箍加固及下部外侧环箍加固的方式。
3、为使下部形成圆台状，应将竹片加工成向下部逐渐变窄的尖竹片。
4、弯折处细部结构如图所示：
5、安装有环箍部位竹片受力如图所示：
<三>竹片加工规格及数据计算
1、由于圆筒部分向上部受力越来越小，并且由竹片箍紧，所以主要承力部分为圆台状部分，
下面就圆台状部分荷载及稳定性作具体计算分析。
2、圆筒及圆台部分共由N根竹片组成，圆筒部分每根竹片宽度为D，圆台下端宽度为d
由几何关系有：
mm 200⨯=πND
mm 60d ⨯=πN
3、考虑竖直方向荷载，忽略料仓内壁对物料的摩擦力，每根竹片平均分摊荷载1p ，弯折区
域总荷载P1满足以下关系：
11p P N =⨯ 并且P1在竹片上呈梯形状分布，如图所示：
4、忽略物料颗粒之间的摩擦力，圆台底部承受荷载为P2，每根竹片承受竖直向下的集中荷
载p2，则满足以下关系：
22p P N =⨯
5、由几何关系有：
kg 602006022
1⨯=
P
kg 6021=+P P
6、P1大小呈梯形分布，在计算端点力矩时可将其看作直接作用于中点，由折点静力（力矩） 平衡条件得：
0mm 200-mm 35mm 7012=⨯⨯⎪⎭
⎫
⎝⎛+⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛F N P N P
则水平距离中心x 处的弯矩为：
F
x p x p x x
x M ⨯-⨯+⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛
-=7
20270007212021x
m 10720x 114.5-54x 49000x 546-14000x 54612016
-32⋅⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯+⨯⨯=N N
可得mm 29x =时弯矩值最大，此时
m 426.01
max ⋅⨯=
N N
M 此处的最大正应力为: Z
W M max
max =σ
62
λ∇=Z W
其中 ： λ为竹片厚度
d 2970
d
+⨯-=
∇D 又由： a 60max
MP ≤σ 得 ： ≥λ0.34mm
所以选用0.35mm 厚的竹片，而考虑到在弯矩最大处的安全性，所以在此处外侧额外加一环箍（图中为受力f 处）用以保护结构。
<四>结构关键部位连接方法
1、圆筒以及圆台状部分竹片之间均以502强力粘胶粘合
2、圆筒顶端、中部折点、下端与内外环状竹箍之间除用502粘合外，用以榫头加固
<五>料仓底部出料口设计
采用了三层结构，中部为箍，防止开口打开料泄露，兼顾加固。
下部开口为半固定半活动，由延伸连杆控制活动部分打开，使料流出。
在箍上还设有与内壁无缝连接的滑坡，防止料物堵塞堆积，又可分力。
二、料仓支撑部分：
<一>形状尺寸
1.形状：支撑部分为四个支柱围成的正方形，每个支柱是由竹皮卷成的双层圆筒，如图所示。
2.尺寸：假设支柱长为h3,且h3>400mm。
<二>考虑运料出口问题
1.由于料仓下端要设置一个运料出口，其尺寸保证长160mm,宽120mm,高195mm。
又因为料仓直径为200mm,所以支柱间距离为100*1.412=141.2mm，若加固措施合理则满足运料口的要求。
2.考虑支柱加固问题
由于运料口外侧支柱200mm 处会受到水平荷载影响，会影响支柱的稳定性，所以四根支柱需要通过桁架结构连接在一起共同承受水平和竖向荷载，如图为支柱的加固方式，需要讨论的是h4的值。
3.考虑竖向荷载压杆稳定性问题
使用厚度为0.50mm 的竹皮卷成两层的圆筒作为支柱，采用竖节理方向的竹皮，以下过程是圆筒截面半径D ，d 和支柱长度h3的计算。
mm D mm D 56.84304*2*2≤∴≤π 取D=8.5mm , d=7.5mm
I p=32/)1(*4
4απ-D ,其中α=7.5/8.5=0.88 I p=0.0387*D 4
=2.018*10
10
-m 4
由料物总质量为60kg,所以四根柱子的平均所受压力为F=600/4=150N 因为支柱两端固接，所以u=0.5 ,由欧拉公式： 所以l l ul F EI
cr /)
5.0(10
1014
.3)
(2
2
10
102
2
2
67.79*018.2**===-π
为了保证支柱的稳定性，假设压杆稳定因数为n st =3
3=≥n F
st cr
F
，所以79.67/l 2
≥3*150 所以l ≤420.7mm
因为h3>400mm,当400<h3≤420.7mm 时，支柱满足压杆稳定性要求。
4.考虑水平荷载对支柱稳定性的影响 当
m=6kg
时，F=mg=60N,如图，所以
Fz=60*70.6/406.2=10.43N,
Fy=60*400/406.2=59.1N
My=Fz*D/2=10.43*0.0085/2=0.044N*m, Mz=Fy*D/2=59.1*0.0085/2=0.2512N*m Mp=
My Mz
2
2
=0.255N*m,经计算可知，水平荷载对荷载点处的截面弯矩为
0.255N*m 所以荷载点处需要加固。
综上：取支撑柱高度h3=400mm,外层圆筒截面半径D=8.5mm,内层d=7.5mm
<三>支柱加固措施 1.支柱与料仓连接处
在200mm 处使用斜杆支撑出料口底部。
支柱顶端削尖，插入料仓紧箍处，箍用楔块顶住，支柱顶端略下方再用箍紧住。
保证支柱不会上下移动也不会倾斜，即使支柱与料仓固接。
支柱再通过斜杆与出料口底部相连可以增加出料口的强度和支
柱的稳定性。
2.支柱间连接
支柱间加固方式如下面的分析过程
3.支柱底端与底板的连接
由于支柱间距离为141.2mm<200mm,所以可以在底座处加侧向支撑增加支柱的稳定性。
三、设计的创新之处
1.圆台部分采用圆筒部分向内部弯折延续，增加结构整体的抗拉性能。
2.外部横箍间距合理增加整体的抗压性能。
3.结构关键部位连接我们设计了巧妙的榫头。
4.出料口设计三层结构，将出料与加固环环相扣。
5.支柱与料仓连接出运用了箍和楔块，三重防护。
6.支柱间合理的桁架结构，增加稳定性。
7.计算方法结合高等数学，理论力学，材料力学，结构力学，学科交叉结
合，计算结果谨慎严密。