淺談一種優秀的木質承重結構設計

秦浩凱

山東省實驗中學高三 250001

此承重結構是為DI 2013-2014全球總決賽所設計。DI 全稱是Destination Imagination，是全球最大的青少年創新思維大賽，每年5月在美國田納西州州立大學舉辦全球總決賽。每年有ABCDE 五個賽題，分別為科技類，科學類，表演類，即興類以及結構類。我們參加的為E組的結構類，即制作一個結構來承重。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克一下的承重結構；結構會放在一個金字塔形底座上（底部必須壓在金字塔斜面上），并在結構上放啞鈴片來承重。結構重于啞鈴重比值越高分數越高。

我最初的設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，達到結構最簡化。

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，但不敢保證大質量的情況，尤其是當木頭材料變輕以后，精確度就更為重要。經過一段時間的摸索，我們發現底部為圓木的時候對斜面的變化適應性更強，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生影響。

對于結構外翻的角度，經過多次實驗發現，在命題中的斜面上，15°的外翻為最最佳，可達到最大承重質量。在材料沒有改變的情況下，可以在40公斤啞鈴基礎上再站兩個成年人。

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，但質量也是非常的足，在結構最簡單的情況下質量竟達到了接近200克，無法達到要求。后來找到了普通檀香木，一種質地堅硬且密度稍小的木材，但最終發現質量也超過了70克。經過一段時間的調查研究發現，最普通不過的梧桐木以及一種經常用作裝飾的超輕木材巴爾沙輕木能夠理想地實現小于40克的目標。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，導致最后啞鈴將整個結構壓塌。經過這次實驗，我們將整個結構改為梧桐木，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克的結構。

但新結構的第一次實驗就出了問題：木頭沒有斷裂，但粘結處卻被撕裂。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點，最后用502封住接口。這樣的設計使得我們最后這個連接處的張力達到了50KG，完全能夠承受結構對連接點的撕扯。

最后成品結構的總重為35.86克。在五月全球比賽中承重環節承重達到了800磅，折合為千克約為362.87千克，為E組第二名。