全国大学生结构设计竞赛是教育部和财政部联合发文批准的首批全国大学生9个学科竞赛资助项目之一,是土木工程领域级别最高、规模最大的大学生创新竞赛。本次总决赛由来自全国31个省(自治区、直辖市)组织分区赛的595所高校、1863支参赛队伍层层选拔产生。经过10个月的选拔,最终120 所高校的121支精英队伍相聚广州大学、同台竞技,是历届以来规模最大、高校参赛面最广、参赛师生最多的一次赛事。
华南理工大学参赛作品《拨云》由2022级本科生张子阳、夏严、苏纯三位同学设计并制作完成,土木与交通学院胡楠、何岸担任指导老师,学院团委书记连维越担任领队。陈庆军、陈太聪、季静、王湛等多位老师在赛事准备过程中给予了指导和帮助。
整个竞赛过程中,团队三位同学从调查学习、试验,到修改和优化选型,付出心血颇多。但获奖之路也遍布坎坷,期间不免经历长时间无果而感到失意的时刻。
“一方面,近10个月的赛程时间一定程度上会消磨参加比赛的精力与热情;另外一方面,在最终方案取得成效之前,我们想了很多方案进行实验,但一直没有好的结果,难免有些泄气。很多时候完全是依靠责任感在继续这项工作。”团队成员张子阳坦言。
今年的全国大学生结构设计竞赛题目,是设计一个考虑水平振动的高耸塔式结构模型,赛题分数的80%由“加载”分组成。因此,保证结构能承受加载砝码的荷载和振动测试,并最大程度化减轻结构重量,是结构设计的重点。
团队指导老师、来自土木工程系的何岸老师说:“赛题难度大,所需的专业知识远超土木工程专业本科生水平。因此,要求学生不仅仅满足于课本知识,也要能够主动学习和自主探索,勇于尝试新思路、新方法去设计结构模型,通过实践将设计转化为实物,并持续改进。ob体育app”
本届赛题的一大难点在于:参赛队员在两个月的备赛期间,仅能拿到多项重要参数的待定选项,最终比赛参数将从中抽取。因此,备赛期间,团队成员将待定参数组成的324种组合,归纳优化设计为36种主要工况,使一种结构可以兼容多种工况,并对结构进行一一测试以确定解决方案,确保在最终比赛时能够直接选用设计好的并且经过实验检验的结构方案。
今年比赛的另一难点是加载振动频率由1Hz逐渐增加到5Hz,而有关抗震结构的知识是本科高年级和研究生阶段才会学习的内容,这对于初入大三的几位参赛队员而言是一个不小的挑战。在队伍指导老师的帮助下,同学们逐渐克服了理论难点,并在不断迭代与优化中,明确了要给结构引入“非线性构件”以使其拥有变刚度的能力,起到避免共振的效果。
团队先后实验了“缝单元梁”“弹性柱脚”“钩单元拉带”等多种非线性构件的效果,最终选择了双层拉带的构造方法:在地震波加载的特点时刻,拉带会断开改变结构刚度,避开共振频率。
此外,团队还在材料的使用上进行了大胆的创新。ob体育app他们创新的利用材料各项异性的特点,采取不同于以往使用竹材的顺纹路方向受力,在本次作品中首次在局部使用横纹路方向受力。这一创新举措不仅便于他们更精确地控制构件的强度,还能够在设定的时刻使构件断裂,从而调整结构的自振频率,进一步增强了结构的稳定性和抗震性能。
总决赛模型制作开始前,团队同学们抽到了准备最充分的一种参数组合(5kg,3kg,25mm,1000mm,2.5Hz)。“我们参加校赛省赛选拔时,模型高度也是1000mm,工作起来不仅更加熟练,也很有信心。”团队成员苏纯说。
赛事当日,121只队伍齐聚在广州大学何世杰体育馆,偌大的场馆中整齐地排列着蓝色的工作台,参赛队员们在各自的位置上缜密思索、各司其职。12个小时的总制作时间划分在两天,如何合理分配时间也是一个需要规划的问题。
“做得太快可能会忽视了一些手工的细节,但是太慢会占据其他环节的时间,安装也不从容,现场就有一个队伍在模型安装时损坏模型,丧失比赛资格,前功尽弃。” 团队成员夏严回忆说,“我们的时间安排的很合理,节奏也比较好,在规定时间内,将已经设计好的方案尽力作出了最好的呈现。”
模型制作结束后,就是称重、加载、答辩等一系列评分赛程,在三天紧锣密鼓的工作后,“拨云”团队制作出的模型质量仅为52g,却能承受顶部最大7kg的荷载。在抗震性能方面,模型在地震最大加速度约为0.1g,地震波频率范围为1Hz到5Hz的条件下,展现出了良好的结构隔振效果,最大加速度被有效地控制在2m/s²以内。最终成功摘得了华南理工大学暌违六年的全国大学生结构设计竞赛一等奖。
作品名 “拨云”,不仅形象描述了塔式结构模型高耸入云的造型特点,也是团队成员“拨云见日”的参赛过程的具象化表征。
全国大学生结构设计竞赛每年在华南理工大学校内进行两轮选拔,几十支队伍仅有三支获得参加省赛资格,最终选出一支最优秀的队伍参与国赛比拼。想要拿到参与国赛的资格,就需要拿出冲锋的姿态,因此团队三人决定以“拨云”为名,冀以“守得云开见月明”之意。
一路冲入国赛后,解决“加载振动频率”的过程又是一次“拨云”的过程,备赛期间云雾重重,但在不厌其烦的计算和实验优化下,团队终于成功地拨云见日,收获曙光。
在获奖之旅中,学院的帮助也不可或缺。“在备赛过程中,土木与交通学院为同学们提供了必要的实验材料和设备,以及专用的实验室和工作空间。除了指导老师团队,土木工程系王湛教授、季静教授、陈庆军教授、陈太聪副教授等多位老师也为比赛模型提出了宝贵的意见。同时,华南理工大学结构协会社团邀请往届参赛队员,分享比赛经验和心得,为本次参赛队伍提供实战指导。通过这些全方位的支持,学院为学生提供了一个良好的备赛环境,帮助他们在比赛中取得优异的成绩。”本次结构大赛领队、土木与交通学院团委书记连维越说。
对于未来,团队成员表示,希望可以向结构竞赛中表现一贯优异的学校团队学习,“虽然我们明年可能不会再次参赛,但要把更多的经验传授给学弟学妹们,在不断的学习中增强自己的能力和团队的水平,创造出更加优异的成绩。ob体育app”
团队指导教师、土木与交通学院副院长胡楠在受访时表示:“学院将进一步深化本科教育教学改革,在竞教融合方面,进一步拓展专业竞赛与教学实践的深度融合,积极动员各专业学生参加学科竞赛,培养学生创新思维和实践能力。同时,激发学生跨年级、跨专业组队,着力提升学生的跨学科创新能力、团队挑战精神、协作能力和工程实践能力。通过招生、培养和就业的全链条改革,最终为社会输送既有扎实专业基础,又具备跨学科知识和创新能力的卓越工程师。”
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