周天亮++陳明月

摘要：

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)為學(xué)生提供了綜合運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的重要學(xué)科，是極富創(chuàng)造性，挑戰(zhàn)性的科技競(jìng)技的最佳機(jī)會(huì)。專(zhuān)業(yè)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽已成為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)的一個(gè)新興實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。文章從結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽中材料選用和設(shè)計(jì)原則的角度出發(fā)，分析了結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、計(jì)算能力和綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮的作用，探討模型制作應(yīng)注意的問(wèn)題以及與實(shí)際工程的關(guān)系，對(duì)未來(lái)結(jié)構(gòu)模型競(jìng)賽發(fā)展方向提出建議。

關(guān)鍵詞：工程；創(chuàng)新；實(shí)踐；設(shè)計(jì)；模型制作

工程模型創(chuàng)新依托我校已有的工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)，在對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的學(xué)習(xí)了解后，利用其專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及對(duì)已有模型成果的轉(zhuǎn)化，進(jìn)行新的工程模型創(chuàng)新項(xiàng)目，以往的工程模型大多以學(xué)院安排的課程實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生完成的過(guò)程中大多對(duì)老師產(chǎn)生嚴(yán)重的依賴(lài)性，目的性不明確，所以導(dǎo)致其創(chuàng)新性嚴(yán)重不足，并且課程實(shí)驗(yàn)中的模型制作多為“填鴨”教育，學(xué)生對(duì)模型的思考及創(chuàng)新結(jié)果可想而知。

工程模型創(chuàng)新項(xiàng)目是在明確立題的基礎(chǔ)上全部由學(xué)生本人自主完成，其成果在后期由指導(dǎo)老師設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)后統(tǒng)一進(jìn)行測(cè)評(píng)，檢驗(yàn)其創(chuàng)新性，并與傳統(tǒng)的成果進(jìn)行比較，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)成果。

1、研究項(xiàng)目與研究方法

1.1研究項(xiàng)目

1.1.1 其中以土木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為首，旗下主要作品為龍門(mén)式起重機(jī)（gantry crane）是橋式起重機(jī)的一種變形，俗稱(chēng)龍門(mén)吊、龍門(mén)起重機(jī)。龍門(mén)式起重機(jī)是門(mén)式起重機(jī)的象形說(shuō)法。主要用于室外的貨場(chǎng)、料場(chǎng)貨、散貨的裝卸作業(yè)。整體結(jié)構(gòu)像門(mén)形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。龍門(mén)式起重機(jī)具有場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在港口貨場(chǎng)得到廣泛使用。

如圖 1 所示的桁架梁式龍門(mén)起重機(jī)是由角鋼或工字鋼焊接而成的，優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低，自重輕，抗風(fēng)性好。但是由于焊接點(diǎn)多和桁架自身的缺陷，桁架梁也具有撓度大，剛度小，可靠性相對(duì)較低，需要頻繁檢測(cè)焊點(diǎn)等缺點(diǎn)。適用于對(duì)安全要求較低，起重量較小的場(chǎng)地。

1.1.2其二塔吊，其結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)的工程結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于建筑工程、橋梁工程、安裝工程、交通工程等領(lǐng)域，是一種需求量大，安全性要求高的結(jié)構(gòu)。塔吊模型，模型包括塔架（及其下部延伸部分）、起重臂、平衡臂等構(gòu)件，其構(gòu)造示例如圖 2所示。模型采用竹條材料制作，現(xiàn)場(chǎng)完成模型的塔架結(jié)構(gòu)部分（包括下部延伸部分）和吊臂部分（包括起重臂、平衡臂及其上面所有結(jié)構(gòu)）。

1.1.3其次為3D打?。?DP）即快速成型技術(shù)，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通

過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類(lèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車(chē)，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、槍支以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其技術(shù)核心的自主學(xué)習(xí)，加強(qiáng)自己的創(chuàng)新能力和動(dòng)手操作能力，我們通過(guò)結(jié)合學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，3D打印，最后做出實(shí)體模型。

其部分成果展示：

1.1.4 在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了較大模型的學(xué)習(xí)和制作，以拖拉機(jī)模型為例，對(duì)拖拉機(jī)的整體原理進(jìn)行了仔細(xì)的分析和學(xué)習(xí)，經(jīng)多次試驗(yàn)失敗后，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，最終成型。

部分成果展示：

1.2研究方法

結(jié)合工程類(lèi)基礎(chǔ)課程的理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等一系列的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，與現(xiàn)代創(chuàng)新項(xiàng)目接軌，其資料查詢(xún)來(lái)源于本校網(wǎng)絡(luò)圖書(shū)館及其他網(wǎng)絡(luò)文獻(xiàn)。

經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)算后，通過(guò)大家討論后得出集中稱(chēng)重性能及力學(xué)結(jié)構(gòu)較好的進(jìn)行拼裝實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)；通過(guò)UG等三維軟件的繪畫(huà)、渲染、結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真等進(jìn)行前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)，之后采用3D打印的方式進(jìn)行實(shí)際的操作。

使用竹條和膠水制作一龍門(mén)式起重機(jī)結(jié)構(gòu)，下部具有至少長(zhǎng) 600mm，寬 350mm 的立面空間，將在頂部梁的中央懸掛一質(zhì)量為 10Kg 的加載配重，要求結(jié)構(gòu)在此工況下不發(fā)生破壞。塔吊起重臂和平衡臂的配重點(diǎn)位置應(yīng)設(shè)置一根較粗的橫梁以方便加載掛鉤的安放，橫梁和周邊構(gòu)件不能妨礙加載，加載掛鉤直接懸掛在橫梁中間位置；起重臂和平衡臂的配重點(diǎn)在底板平面的投影位置到塔架底板中心距離分別為400mm和200mm。模型采用竹條材料制作，通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)踐測(cè)定其性能。

2、 結(jié)果與分析

2.1方案構(gòu)思：

塔吊采用懸挑桁架結(jié)構(gòu)，四邊形豎直支座穩(wěn)如泰山浩然正氣，上端呈三棱錐的懸挑整體桁架在繼承傳統(tǒng)造型的意義上又不失改革創(chuàng)新。整體給人一種“似曾相識(shí)”卻又“未曾謀面”的意境。在整體形象給人帶來(lái)親和力的同時(shí)，理性技術(shù)的表現(xiàn)也毫不遜色：“k”形斜撐就極具藝術(shù)感染力清晰地體現(xiàn)了力與美。塔吊整體外觀通透、純凈、輕盈、精巧。

結(jié)構(gòu)制作：

力學(xué)可分析，三角形是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，利用三角斜撐的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)上部荷載就可逐層分解到下部支架，受力均勻，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定?？紤]到比賽中模型先后受到豎向荷載和側(cè)向荷載，其中以側(cè)向荷載為主要控制荷載，模型結(jié)構(gòu)選擇了框架和柱間斜撐構(gòu)成的框架—斜撐體系，框架結(jié)構(gòu)主要承受豎向荷載，斜撐體系主要承受側(cè)向荷載，從而保證結(jié)構(gòu)具有足夠的側(cè)向剛度，控制其側(cè)向位移在規(guī)定范圍內(nèi)。

結(jié)構(gòu)采用圓形桿，制作簡(jiǎn)單，抗壓性、抗拉性都較出色。根據(jù)各桿件不同的受力情況，其直徑選擇也各不相同。通過(guò)制作工藝，使桿中紙與紙之間貼合緊密，強(qiáng)度保持在受力范圍內(nèi)，減輕了桿的自重，達(dá)到了節(jié)約材料的目的。

2.2 方案構(gòu)思：

龍門(mén)式起重機(jī)采用拱形桁架結(jié)構(gòu)，三角形豎直支座，上部采用拱形三角形桁架。

2.3 以抽油機(jī)為例，大慶做為石油之城，全城遍布了游梁式抽油機(jī)，他主要通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)換向，曲柄重塊平衡的抽油機(jī)，俗稱(chēng)磕頭機(jī)。游梁式抽油機(jī)是油田目前主要使用的抽油機(jī)類(lèi)型之一，主要由了驢頭—游梁—連桿—曲柄機(jī)構(gòu)、減速箱、動(dòng)力設(shè)備和輔助裝備等四大部分組成。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)經(jīng)變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成驢頭的上下運(yùn)動(dòng)，驢頭經(jīng)光桿、抽油桿帶動(dòng)井下抽油泵的柱塞作上下運(yùn)動(dòng)，從而不斷地把井中的原油抽出井筒。教師在教學(xué)過(guò)程中，也會(huì)不只一次的提到，所以我們進(jìn)行了實(shí)地的測(cè)量與觀察，并手繪出一個(gè)抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型，經(jīng)過(guò)等比例縮放，用UG軟件進(jìn)行了實(shí)際的建模，把抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型及軌跡，進(jìn)行了參數(shù)化，進(jìn)過(guò)有限元分析，確定了實(shí)際可行的模型結(jié)果。然后經(jīng)過(guò)3D打印機(jī)的成型，最后得出一個(gè)抽油機(jī)的實(shí)體模型，可以模仿抽油機(jī)在實(shí)際工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)情況。

在機(jī)械加工中，牛頭刨床是常見(jiàn)的加工工具。中小型牛頭刨床的主運(yùn)動(dòng)大多采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)（見(jiàn)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)）傳動(dòng)，故滑枕的移動(dòng)速度是不均勻的。大型牛頭刨床多采用液壓傳動(dòng)，滑枕基本上是勻速運(yùn)動(dòng)?；淼姆祷匦谐趟俣却笥诠ぷ餍谐趟俣?。由于采用單刃刨刀加工，且在滑枕回程時(shí)不切削，牛頭刨床的生產(chǎn)率較低。機(jī)床的主參數(shù)是最大刨削長(zhǎng)度。牛頭刨床主要有普通牛頭刨床、仿形牛頭刨床和移動(dòng)式牛頭刨床等。普通牛頭刨床（見(jiàn)圖）由滑枕帶著刨刀作水平直線(xiàn)住復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀架可在垂直面內(nèi)回轉(zhuǎn)一個(gè)角度，并可手動(dòng)進(jìn)給，工作臺(tái)帶著工件作間歇的橫向或垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，常用于加工平面、溝槽和燕尾面等。仿形牛頭刨床是在普通牛頭刨床上增加一仿形機(jī)構(gòu)，用于加工成形表面，如透平葉片。移動(dòng)式牛頭刨床的滑枕與滑座還能在床身（臥式）或立柱（立式）上移動(dòng)，適用于刨削特大型工件的局部平面。

我們這次設(shè)計(jì)中，對(duì)牛頭刨床的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化為床身、導(dǎo)軌、滑臺(tái)、刀頭、夾具等幾部分。驅(qū)動(dòng)部分的電動(dòng)機(jī)用手輪來(lái)代替，主要體現(xiàn)牛頭刨床在加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)方式。還可以用作機(jī)械原理的教具，方便老師上課講解。

3、討論

目前大學(xué)生自主創(chuàng)新意識(shí)薄弱，現(xiàn)如今包括教育界在內(nèi)的主流社會(huì)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：提升當(dāng)代大學(xué)生的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新能力是各個(gè)高校教育的核心內(nèi)容，以此思路為指引，提升大學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)和自主創(chuàng)新的項(xiàng)目如雨后春筍般出現(xiàn)。目前，各高校相繼開(kāi)展工程模型設(shè)計(jì)大賽、申請(qǐng)創(chuàng)新項(xiàng)目等，但缺乏專(zhuān)業(yè)的指導(dǎo)和實(shí)踐，將模型應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐更是少之又少。

結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與實(shí)際工程設(shè)計(jì)有著緊密的聯(lián)系，其設(shè)計(jì)過(guò)程與實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程大同小異。結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)過(guò)程需要結(jié)構(gòu)工程學(xué)科的基本理論知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是了解學(xué)生是否掌握力學(xué)基本原理與分析方法、工程材料的基本性能和適用條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能和計(jì)算原理等的最直接檢驗(yàn) ，可為學(xué)生今后從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)、施工、管理以及研究開(kāi)發(fā)等實(shí)踐性工作打下基礎(chǔ)。但是由于結(jié)構(gòu)模型在幾何外形上遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際結(jié)構(gòu)，因此二者在材料選用、材料性能、設(shè)計(jì)原則、制作加工工藝等方面存在很大的差別。

[參考文獻(xiàn)]

[1]《結(jié)構(gòu)力學(xué)》王蔭長(zhǎng)等編、冶金工業(yè)出版社.

[2]《結(jié)構(gòu)力學(xué)》（上、下冊(cè)）（第四版）楊茀康編、高等教育出版社.

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[4]《機(jī)械原理》鄒慧君、張春林、李杞儀主編（第二版）高教出版社2006.

[5]《機(jī)械設(shè)計(jì)及理論》李柱國(guó)、許敏主編科學(xué)出版社2003.

1 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 項(xiàng)目名稱(chēng)“工程模型創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”

2 通訊作者：陳明月（1983，9-），漢族，黑龍江哈爾濱市，理學(xué)碩士，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院輔導(dǎo)員，講師。

（作者單位：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319）