淺談一種優(yōu)秀的木質(zhì)承重結(jié)構(gòu)設(shè)計

秦浩凱

山東省實驗中學(xué)高三 250001

此承重結(jié)構(gòu)是為DI 2013-2014全球總決賽所設(shè)計。DI 全稱是Destination Imagination，是全球最大的青少年創(chuàng)新思維大賽，每年5月在美國田納西州州立大學(xué)舉辦全球總決賽。每年有ABCDE 五個賽題，分別為科技類，科學(xué)類，表演類，即興類以及結(jié)構(gòu)類。我們參加的為E組的結(jié)構(gòu)類，即制作一個結(jié)構(gòu)來承重。而2013年的賽題為用木頭（不包括竹子），魚線以及膠做一個重量在40克一下的承重結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)會放在一個金字塔形底座上（底部必須壓在金字塔斜面上），并在結(jié)構(gòu)上放啞鈴片來承重。結(jié)構(gòu)重于啞鈴重比值越高分?jǐn)?shù)越高。

我最初的設(shè)計是一個扭曲的長方體，將支撐柱與兩底面相連形成三角形，且下窄上寬，斜壓在金字塔面上，以最大限度的使用斜面。總共由16根木頭組成，達(dá)到結(jié)構(gòu)最簡化。

一開始的制作并沒有考慮重量，最大的問題是底面斜面的制作問題，因為需要同時考慮底面傾斜角度以及與臨邊粘合時的45°角的問題。一開始的解決方法是將木頭比到斜面上，但角度很不精確因為木頭會在斜面上滑動。雖然制作出來的成品小重量承重還是可以，但不敢保證大質(zhì)量的情況，尤其是當(dāng)木頭材料變輕以后，精確度就更為重要。經(jīng)過一段時間的摸索，我們發(fā)現(xiàn)底部為圓木的時候?qū)π泵娴淖兓m應(yīng)性更強，于是將方木改為圓木，并在接觸面部分稍加打磨以增加貼合度。當(dāng)使用較輕的木材時，底部的貼合度會隨著重量增加而增加，又不會對整體精確度產(chǎn)生影響。

對于結(jié)構(gòu)外翻的角度，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，在命題中的斜面上，15°的外翻為最最佳，可達(dá)到最大承重質(zhì)量。在材料沒有改變的情況下，可以在40公斤啞鈴基礎(chǔ)上再站兩個成年人。

接下來是材料問題。一開始選用的材料為普通的建筑木材，雖然強度足夠，但質(zhì)量也是非常的足，在結(jié)構(gòu)最簡單的情況下質(zhì)量竟達(dá)到了接近200克，無法達(dá)到要求。后來找到了普通檀香木，一種質(zhì)地堅硬且密度稍小的木材，但最終發(fā)現(xiàn)質(zhì)量也超過了70克。經(jīng)過一段時間的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，最普通不過的梧桐木以及一種經(jīng)常用作裝飾的超輕木材巴爾沙輕木能夠理想地實現(xiàn)小于40克的目標(biāo)。更改材料后，我們用縱向受力較強的檀香木做主要的八根支撐柱，并用巴爾沙輕木作為兩底，效果比較理想。在自身重量41.75克的情況下測得最大承重為200KG左右。然而，第四次實驗發(fā)生了意想不到的狀況：在承重230KG的時候底面的輕木條橫向撕裂，導(dǎo)致最后啞鈴將整個結(jié)構(gòu)壓塌。經(jīng)過這次實驗，我們將整個結(jié)構(gòu)改為梧桐木，并盡量降低高度以及周長以減少材料的使用。最后得到了一個重量36.25克的結(jié)構(gòu)。

但新結(jié)構(gòu)的第一次實驗就出了問題：木頭沒有斷裂，但粘結(jié)處卻被撕裂。我們一直用的都是熱熔膠，但為了降低重量，并沒有用膠把整個連接處包裹完整，導(dǎo)致膠開裂。但事實上我們早就用過諸如502一樣的速干膠來粘接，效果完全無法與熱熔膠相比。后來我們想到了復(fù)合材料：先用將少量熱熔膠擠到接縫處，然后用無紡布連接結(jié)點，最后用502封住接口。這樣的設(shè)計使得我們最后這個連接處的張力達(dá)到了50KG，完全能夠承受結(jié)構(gòu)對連接點的撕扯。

最后成品結(jié)構(gòu)的總重為35.86克。在五月全球比賽中承重環(huán)節(jié)承重達(dá)到了800磅，折合為千克約為362.87千克，為E組第二名。