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摘要:以“登峰杯”全國(guó)中學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，對(duì)競(jìng)賽過(guò)程進(jìn)行全面總結(jié)，分析比賽中存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)解決方案，同時(shí)結(jié)合參賽體會(huì)探討了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽對(duì)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要作用。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，創(chuàng)新能力，模型設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑［1］。目前有關(guān)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽理論計(jì)算方法與模型制作技術(shù)均有較成熟的發(fā)展［2，3］，而針對(duì)中學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽則更具有挑戰(zhàn)性。本文以第二屆“登峰杯”全國(guó)中學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽(決賽)為例，回顧分析比賽中存在的問(wèn)題并提出相應(yīng)解決方案，初步探討大賽對(duì)中學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要作用。

1賽前準(zhǔn)備

1．1組建隊(duì)伍。每個(gè)參賽隊(duì)由3名學(xué)生和1名～2名指導(dǎo)教師組成;參賽隊(duì)員和指導(dǎo)教師需要良好溝通和交流，隊(duì)員之間的分工協(xié)作也至關(guān)重要，隊(duì)長(zhǎng)負(fù)責(zé)管理時(shí)間與分工，同時(shí)協(xié)調(diào)與校核結(jié)果;兩名隊(duì)員一人負(fù)責(zé)管理設(shè)計(jì)圖紙，一人負(fù)責(zé)材料準(zhǔn)備;在結(jié)構(gòu)制作時(shí)，手工弱的隊(duì)員負(fù)責(zé)材料準(zhǔn)備與協(xié)助，手工強(qiáng)的隊(duì)員承擔(dān)主要構(gòu)件的粘結(jié)工作。1．2材料準(zhǔn)備。訓(xùn)練時(shí)要提前準(zhǔn)備大賽指定的材料和工具，保證主材和粘結(jié)材料余量;還要準(zhǔn)備膠水滴管，便于控制502膠水流速和用量，改善構(gòu)件性能。熟悉材料的性能和工具的使用也很重要。桐木條呈脆性，需按純彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并保留一定安全系數(shù)。建議用桐木片制作箱型桿件與受拉條帶，滿足質(zhì)量輕強(qiáng)度高的要求;模型的受力桿件采用8mm×1000mm×2mm規(guī)格木條制作。工具使用會(huì)影響制作速度與模型的精度與強(qiáng)度，如美工刀的握刀手型、發(fā)力程度、刀切入角度以及剪刀裁剪都需要不斷摸索，找到自己合適的感覺(jué)。

2比賽訓(xùn)練

2．1賽題分析。比賽要求制作一個(gè)空間結(jié)構(gòu)模型，安裝在加載裝置上，用于抵抗豎向靜力荷載和動(dòng)力荷載。除對(duì)模型在加載安裝過(guò)程提出基本要求外，限制條件較少，選手可以根據(jù)自己的理解，計(jì)算選取最合適的模型設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)尺寸，既保證模型的承載能力，又盡量減輕模型自重，實(shí)現(xiàn)最大荷重比。2．2模型設(shè)計(jì)。模型設(shè)計(jì)需要選手掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，進(jìn)行必要的計(jì)算和繪圖，對(duì)于中學(xué)生具有挑戰(zhàn)性，需要指導(dǎo)教師的指導(dǎo)與幫助。施工圖繪制要考慮材料的切削所引起的構(gòu)件尺寸的改變，下料時(shí)需保留長(zhǎng)度余量。安全、經(jīng)濟(jì)、美觀是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，模型荷重比體現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的合理性和材料利用效率，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能太復(fù)雜，桿件數(shù)要盡量少而輕。設(shè)計(jì)過(guò)程中把握三個(gè)主要原則:一是傳力途徑簡(jiǎn)潔，明確。二是強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件。三是拉壓平衡，拉桿強(qiáng)度控制，壓桿穩(wěn)定控制。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則與學(xué)生施工能力，選擇平面結(jié)構(gòu)組裝而成的空間結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，豎向荷載承重體系采用平面桁架結(jié)構(gòu)，利用多根橫梁將平面桁架結(jié)構(gòu)聯(lián)系成為空間結(jié)構(gòu)。該模型傳力途徑明確荷載至橫梁，橫梁至平面桁架，桁架至支座，充分考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件在拉、壓、彎、剪、扭等五種受力狀態(tài)下的特性，以合理的設(shè)計(jì)充分利用材料的強(qiáng)度。2．3模型制作。模型制作是一個(gè)逐步學(xué)習(xí)摸索的過(guò)程，包括下料、桿件制作、節(jié)點(diǎn)處理等幾個(gè)環(huán)節(jié)。1)下料。根據(jù)模型設(shè)計(jì)需要以及由于訓(xùn)練消耗情況，提前一次性裁剪相應(yīng)規(guī)格材料備用，保證邊緣齊整，無(wú)毛刺。2)桿件制作。將裁剪好的桐木條按照桿件要求用膠水凝固成型。粘貼前，必須確保模板在平臺(tái)的平面上，盡量不要懸空。膠水應(yīng)當(dāng)均勻涂抹，不宜多涂，觀察桿件粘結(jié)筆直，有無(wú)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。由于手工要求很高，需要較長(zhǎng)時(shí)間練習(xí)，逐步提升效率和制作進(jìn)度。3)節(jié)點(diǎn)處理。節(jié)點(diǎn)處理復(fù)雜、細(xì)致，需要極強(qiáng)的耐性和手工的精細(xì)度。一是用桐木條在砂紙上打磨后的粉末進(jìn)行填補(bǔ)縫隙。二是對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，通常采用耳板粘貼。為保證節(jié)點(diǎn)剛性，需采用小的三角貼片進(jìn)行加固處理。2．4加載實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化。模型加載過(guò)程分靜力荷載和動(dòng)力荷載兩階段。為確保加載實(shí)驗(yàn)的有效性，參賽隊(duì)要事先按比賽要求定制簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)，參照競(jìng)賽加載過(guò)程進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)并觀測(cè)和記錄數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)構(gòu)件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)基于加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。根據(jù)評(píng)分規(guī)則，結(jié)構(gòu)體系和模型做工各10分，模型加載80分，要特別重視加載實(shí)驗(yàn)。

3比賽臨場(chǎng)發(fā)揮

比賽臨場(chǎng)發(fā)揮以及比賽時(shí)間和節(jié)奏的把握也至關(guān)重要。正式比賽包括結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)制作、現(xiàn)場(chǎng)答辯和模型測(cè)試等環(huán)節(jié)，其中模型制作時(shí)間為12．5h，分2d完成。參賽隊(duì)在比賽一開(kāi)始要根據(jù)比賽要求，準(zhǔn)確快速進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作，注意分工協(xié)作與溝通交流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。

4主要的體會(huì)

通過(guò)參加初賽和決賽，參賽隊(duì)員各方面素質(zhì)得到了有效鍛煉和提高。一是增強(qiáng)了主動(dòng)學(xué)習(xí)能力;二是提高了分析和解決問(wèn)題的能力;三是培養(yǎng)了動(dòng)手能力;四是鍛煉了組織協(xié)調(diào)能力。

參考文獻(xiàn):

［1］邵文琦，蘇駿．第五屆湖北省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽實(shí)踐與探討［J］．教育教學(xué)論壇，2018(25):148-149．

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［3］馬肖彤，李總，楊金賢．第十一屆全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］．教育現(xiàn)代化，2017，4(45):216-219．

作者:程弋洋 單位:成都樹德中學(xué)