浅谈一种优秀的木质承重结构设计

秦浩凯

山东省实验中学高三 250001

此承重结构是为DI 2013-2014全球总决赛所设计。DI 全称是Destination Imagination，是全球最大的青少年创新思维大赛，每年5月在美国田纳西州州立大学举办全球总决赛。每年有ABCDE 五个赛题，分别为科技类，科学类，表演类，即兴类以及结构类。我们参加的为E组的结构类，即制作一个结构来承重。而2013年的赛题为用木头（不包括竹子），鱼线以及胶做一个重量在40克一下的承重结构；结构会放在一个金字塔形底座上（底部必须压在金字塔斜面上），并在结构上放哑铃片来承重。结构重于哑铃重比值越高分数越高。

我最初的设计是一个扭曲的长方体，将支撑柱与两底面相连形成三角形，且下窄上宽，斜压在金字塔面上，以最大限度的使用斜面。总共由16根木头组成，达到结构最简化。

一开始的制作并没有考虑重量，最大的问题是底面斜面的制作问题，因为需要同时考虑底面倾斜角度以及与临边粘合时的45°角的问题。一开始的解决方法是将木头比到斜面上，但角度很不精确因为木头会在斜面上滑动。虽然制作出来的成品小重量承重还是可以，但不敢保证大质量的情况，尤其是当木头材料变轻以后，精确度就更为重要。经过一段时间的摸索，我们发现底部为圆木的时候对斜面的变化适应性更强，于是将方木改为圆木，并在接触面部分稍加打磨以增加贴合度。当使用较轻的木材时，底部的贴合度会随着重量增加而增加，又不会对整体精确度产生影响。

对于结构外翻的角度，经过多次实验发现，在命题中的斜面上，15°的外翻为最最佳，可达到最大承重质量。在材料没有改变的情况下，可以在40公斤哑铃基础上再站两个成年人。

接下来是材料问题。一开始选用的材料为普通的建筑木材，虽然强度足够，但质量也是非常的足，在结构最简单的情况下质量竟达到了接近200克，无法达到要求。后来找到了普通檀香木，一种质地坚硬且密度稍小的木材，但最终发现质量也超过了70克。经过一段时间的调查研究发现，最普通不过的梧桐木以及一种经常用作装饰的超轻木材巴尔沙轻木能够理想地实现小于40克的目标。更改材料后，我们用纵向受力较强的檀香木做主要的八根支撑柱，并用巴尔沙轻木作为两底，效果比较理想。在自身重量41.75克的情况下測得最大承重为200KG左右。然而，第四次实验发生了意想不到的状况：在承重230KG的时候底面的轻木条横向撕裂，导致最后哑铃将整个结构压塌。经过这次实验，我们将整个结构改为梧桐木，并尽量降低高度以及周长以减少材料的使用。最后得到了一个重量36.25克的结构。

但新结构的第一次实验就出了问题：木头没有断裂，但粘结处却被撕裂。我们一直用的都是热熔胶，但为了降低重量，并没有用胶把整个连接处包裹完整，导致胶开裂。但事实上我们早就用过诸如502一样的速干胶来粘接，效果完全无法与热熔胶相比。后来我们想到了复合材料：先用将少量热熔胶挤到接缝处，然后用无纺布连接结点，最后用502封住接口。这样的设计使得我们最后这个连接处的张力达到了50KG，完全能够承受结构对连接点的撕扯。

最后成品结构的总重为35.86克。在五月全球比赛中承重环节承重达到了800磅，折合为千克约为362.87千克，为E组第二名。