垂直条与交叉斜条的焊接钢制门的强度

寻找有关如何为以下问题创建粗略估计的提示。

给定两个具有相同尺寸的钢制闸门，相同的材料-例如，一切都相同。唯一的区别是中间部分具有不同的结构。

当在顶部施加一些力时，大门将开始越来越变形，并且以某种力，大门将在蓝色箭头指向的位置接触地面。

我正在寻找第二个闸门需要更多力的粗略估计，即第二个闸门需要更多“坚固”。

我确实不需要任何精确的计算，但是可能需要一些材料数据，因此：

• 普通钢薄壁梁（壁厚25mm x 25mm x 2mm）
• 每个连接点都被焊接，我们可以简化并假设焊接强度与材料本身一样强
• 悬挂点可以承受无限力
• 以及其他任何可能的简化-这个问题不是针对任何火箭科学，而是解决与朋友的晚间谈话。

正如grfrazee所说，在进行有限元分析之前，您将无法确定。作为同事，这个问题让我很感兴趣，因此我开始进行讨论。虽然我们都同意对角撑杆会更好地抵抗挠曲，但我们想知道哪种因素会更好。

我们真的很好奇，所以我们解决了辩论，对SkyCiv Structural 3D进行了快速结构分析（如果有人想知道，可以免费试用一个月）。设置两个门并分析它们大约需要一个小时，主要是因为我们必须从头开始生成节点位置。无论如何，这里是线性静态分析的结果，其中考虑了您所做的假设和简化。我们在F1和F2上都施加了5 kN的点负载，并在您指定的位置分别为每个引脚提供了引脚支撑。请注意，在3D彩色结果中，两种情况下的偏转都比浇口的实际偏转大12倍-放大了它，因此您可以看到浇口的偏转形状。

1号登机口

$\text{y-deflection at the bottom-left of the gate} = 31.74\text{ mm}$

$\text{Max total deflection} = 32.10\text{ mm}$

2号登机口

$\text{y-deflection at the bottom-left of the gate} = 7.84\text{ mm}$

$\text{Max total deflection} = 7.55\text{ mm}$

对角撑杆（2号门）显然是赢家。因此，当两个浇口都承受相同的负载时，看起来2号浇口抵抗变形的能力更好（即更坚硬）达4.25倍。

一些更有趣的观点：

• 在这两种情况下，右上方的支撑处都有相当高的弯曲应力，约为350 MPa。
• 该分析未考虑闸门的自重。

还让我补充一点，您绘制的对角网格似乎存在缩放问题，因为在对它进行建模时，我发现其点远少于您的图表所建议的点。我确保每个菱形之间的平行间距为300mm。这意味着每个菱形的对角线大约为424mm。您的大门的长度为3300mm，这意味着在x方向上大约有8个菱形适合您的大门-但是您已经拉了大约12个菱形。只是想让我知道。

假定接头是焊接的，为了使顶部浇口在您绘制时变形，垂直杆将必须弯曲成“ S”形。如果其他所有条件都相同，则弯曲的灵活性将与长度的立方成正比。

$1/1^3 = 1$$1/0.6^3 = 4.6$$1/0.4^3 = 15.6$

在底门中，对角杆（垂直近似）的刚度将无限大（垂直近似），因为它们在对角线张力和压缩力而不是弯曲力方面承受剪切力。整体刚度大约为4或5倍（基于上述4.6）。

您可能会减少对角线条中的材料（更细的条线或更少的条形）的浪费，但是，进行更详细的分析需要手动进行大量工作，而且是免费的！

只要对角线的强度足以在它们之间重新分配载荷，对角线的间距是否与垂直方向的间距无关紧要。

如果仅以刚度为标准，则可能还需要一个外部矩形框架和对角撑杆，根本没有“竖条”的任何部分。

尽管您已经很好地描述了问题，但我认为您不必在两个结构上都进行相当复杂的有限元分析，就不会找到满意的答案。

第一个浇口结构的行为与Vierendeel桁架相似，因为您基本上将所有零件瞬间连接在一起。

第二个门的结构可能会落在Vierendeel和传统的桁架之间的某个地方，尽管在大多数情况下，第二个门仍然保持连接，并且工作点没有真正对齐。

通常，桁架的细节应使它们的工作点（即，构件中轴向力的作用中心）在大致相同的点上重合。由于偏心率近似为零，这将减少任何单个构件的弯曲。

由于中间的菱形截面，第二个门具有一些桁架作用。不幸的是，由于菱形截面的工作点无法与垂直/水平截面相遇，因此您失去了桁架动作的某些优势。