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第一章 结构与设计
结构的概念及分类
结构与力
结构的稳定性及影响结构稳定性的因素有哪些？
结构的强度及影响结构强度的因素有哪些？
经典结构的欣赏
知识点一：结构与构件
结构：是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。
结构的本质：结构的本质是结构为了承受力和抵抗变形。
形形色色的结构不仅给人以美的享受，而且还可以给人创造的灵感和启示。你知道生产生活中有哪些产品的结构是受到自然界事物结构启发而产生的呢？（利用仿生学技术发明 ）：
苍耳子——尼龙搭扣
鸟——飞机
鹰眼——导弹跟踪系统 海豚-----潜水艇
鱼类——潜水艇的流线设计
蝙蝠——声呐
老鹰——风筝
构件：一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，各个组成部分我们称为构件。
知识点二：结构与力
从力学角度来说，结构是指可承受一定力的架构形态，它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。
内力：当一个结构受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变，产生一种抵抗的力，称为内力。
应力：是构件的单位横截面所产生的内力。当应力达到某一极限时，结构就会遭到破坏
内力与应力的关系：δ=F/S （F：内力 S：受力面积 δ：应力）单位：米/平方米
构件的受力形式多种多样，基本的受力形式有：拉力、压力、剪切力、扭转力、弯曲力
拉力：物体所承受的拉拽力；
压力：挤压物体的力；
剪切力：两个距离近、大小相等、方向相反且作用于同一物体上的平行力；
扭转力：反方向对物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。
弯曲力：作用于物体，使物体产生弯曲的力。
【练1】下图所示的是某农村小型水库大坝的俯视图，设计比较合理的是（ ）
A． B． C． D．
B
知识点三：常见结构的类型（从力学的架构与形态考虑）
⒈实体结构·——通常是指结构体本身是实心的结构。
·房屋的墙体、水库的大坝、古代的城墙等，都属于实体结构。
·受力特点：外力分布在整个体积中，能承受较大的压力，一般是外形简单。
⒉框架结构· 通常是指结构体由细长的构件组成的结构，支撑空间却不充满空间。
· 如窗户、画框和房子的架构、埃菲尔铁塔、建筑框架、脚手架等。
·受力特点：是几何外形较为复杂，能承受垂直和水平载荷，依据功能和使用条件的不同，可以设置成不同的框架组合。
⒊壳体结构· 通常是指层状的结构。壳体内空，受力合理，形态稳定。
·饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、西瓜、汽车飞机的外壳、国家大剧院、悉尼歌剧院、帐篷、安全帽和灯泡……
·受力特点：是外力作用在结构体的表面上。
【2009年高考真题】
42、（5分）2009年4月25日，第十九届全国书交易博览会在山东举行。开幕式上由10部巨型“书”拼接而成的背景墙给人留下了深刻印象。 （1）这些书籍造型最宜采用_______
（①框架②壳体③实体或实心）结构（填序号）
①
练2.城市居民用水多数通过市政的输水管道输送，水管的结构类型属于（ ）
A．框架 B．壳体 C．实心 D．桁架结构
练3.如图所示多功能椅子，平时可以当椅子使用，还可以用来搬运小物品。从力学架构与形态方面考虑，该椅子的结构属于（ ）
A．实体结构 B．框架结构
C．壳体结构 D．桁架结构
B
B
知识点四：稳定及影响稳定性的因素
稳定指的不是状态绝对不变，而是指受干扰后，允许状态有所波动，但当扰动消失后，能重新返回到原来平衡状态，则为稳定；不能回到原平衡状态，为不稳定。
结构的稳定性是指结构在负载的作用下维持其原有平衡状态的能力。
影响结构稳定性的因素
结构的形状
重心的位置
尽可能降低结构的整体重心位置，相对稳定。
重心所在点的垂线落在结构底面的范围内，则稳定。
长细比
支撑面的大小
支撑面
三角形支架
减小长细比增加结构稳定性
尽可能增大结构的底面面积
练4. 如图所示的一个咖啡桌，在不影响其实用性的情况下，增加桌子的稳定性，下列做法中最优的方法是（ ）
A．减小桌面的面积 　B．降低桌面的高度
C．增大桌面的质量 　D．增大三角支架的质量
D
练5. 可以用受力结构的稳定性来解释的事实是（ ）
　A、 拔河的绳子断裂
B、广告牌被台风吹倒
C、鸡蛋在某种情况下可以承受很大的外力
D、 耳机与电脑主机的插口接触不良，听不到音乐
B
【2009年高考真题】
34、（2分）小华喜欢做家务，他发现传统长臂式晾衣架不方便撑起挂圆领衣物，于是尝试对衣架进行改造并制作出木制可变形衣架（右图）。
（1）改造后他发现衣架出现了结构不稳定的问题。为此他设计了4种改进方案，其中最稳定的是
知识点五：结构的强度
强度问题是指结构或者单个构件在稳定平衡状态下由荷载所引起地最大应力（或内力）是否超过建筑材料的极限强度，因此是一个应力问题。
结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力
影响结构强度的主要因素
① 结构的形状、② 使用的材料、③ 构件之间的连接方式
结构构件的连接通常有两类：
铰连接——被连接的构件在连接处不能相对移动，但可相对转动。如：门与门框的连接
刚连接——被连接的构件在连接处既不能相对移动，也不能相对转动。如：榫接、胶接、焊接
练6：下列构件连接方式属于不可相对运动连接的是（ ）
A.合页连接 B. 轴承连接
C. 销钉 D. 捆绑
结构的功能：明确事物的不同功能是由事物的不同结构决定的。
D
知识点六：简单结构的设计及经典结构的欣赏
结构设计应考虑的因素：
符合使用者对设计对象的稳定性和强度的要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命。
经典结构的欣赏：尽量了解对象的背景、特色，从_________与__________的角度去欣赏和评价。
技术 文化
技术角度：结构的使用功能实现，结构的稳固耐用，结构造型设计的创意和表现力，材料使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。
文化角度：结构的文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映时代、民族、习俗方面特征，结构个性特征等。
练习：
1、分析下列物体的结构类型，判断哪个不属于壳体结构。 　　A、西瓜 B、圆形陶瓷饰品 C、贝类 D、金字塔 2、吊兰支撑架使用三角形支架结构，而不用由一根直杆挑起的结构，这说明以下哪个因素（ ）影响着结构强度？ 　　A、材料 B、形状 C、构件 D、连接方式 3、走钢丝的人手上拿着一条长棒的目的是（ ） 　　A、美观 B、重心低 C、保护 D、支撑 4 下列结构是受自然界事物结构启发而产生的（　） 　　A、口杯 B、衣服 C、飞机 D、手表 5、可以用受力结构的稳定性来解释的事实是( ) 　　A 拔河的绳子断裂
B 广告牌被台风吹倒
C 鸡蛋在某种情况下可以承受很大的外 力
D 耳机与电脑主机的插口接触不良，听不到音乐 　　
6、在日常生活中，你所见到的以下哪一个结构是不属于利用不稳定的结构实现某些功能的。（ ） 　A、游乐设施的跷跷板功能结构；
B、房间门口的活页功能结构； 　C、学校运动场的篮球架结构；
D、圆珠笔的笔嘴结构。
7、钻石有令人难以置信的强度，就是因为它的分子结构为四面体，每个面都是三角形，这说明了结构的强度与下面那个因素有关。（ ）
A、重点位置 B、结构的材料
C、结构的形状 D、综合利用以上各因素
8、赏析结构设计作品，可从技术角度和文化角度进行，下面不属于技术角度的是（ ）
A、结构的稳固耐用 B、材料的使用
C、工艺的精湛程度 D、公众认可的美学原则
1、时序：
时间上的先后顺序就是时序。体现了具体活动内容的先后关系
在这种先后关系中，有些步骤之间的时序是不可颠倒的，有些步骤之间的时序是可以颠倒的。
2、环节
完成某一个具体目标、组成某项生产或某个活动过程的若干阶段或小的过程。（事项的各个阶段）
环节是一个相对的概念，环节的划分依据不同人和事物性质不同可能会有所不同。
环节中又包含若干可以分解的、目标更具体的事项。在某项生产或某个活动中，环节是不可缺少的。
知识点七：流程
3、流程
是一项活动或一系列连续有规律的事项或行为进行的程序。（为了一定的目的去做事情的顺序。）
任何流程都反映一定的时序，体现出一定的环节。
4、流程的表达----流程图
流程图有文字表达、表格表达、图示表达、模型表达、动画演示等。
流程图中用箭头、用数字序号、用时间等表达时序。流程图的序号或方框反映了环节、工序的具体情况。
5、流程对生产、生活的意义
生活：提高生活的效率和质量，使生活变得有序、合理、为我们的安全提供保障。
生产：有效的组织生产，提高生产效率，降低成本，保证产品质量，保证安全生产，保护环境。
练1. 使用高压锅时要先放汽再开锅盖，否则有可能引发爆炸。从流程的角度来说，下列观点错误的是（ ）。
A、任何流程的时序都是不可以更改的
B、不可颠倒的时序往往反映了事物的内在规律
C、合理正确的流程引导我们正确做事
D、生活中处处有流程
练2.下列关于流程的叙述，错误的是（ ）
A.任何流程都反映了一定的时序，体现出一定的环节
B.环节是相对的概念，有些环节还可以再细分为许多子环节
C.两个或两个以上的环节就能构成流程
D.在生产活动中，针对不同的生产过程和工艺要求，往往会有相应的流程
A
C
【2008年高考真题】
12.（1分）4×100米接力比赛是运动会上最激动人心的项目之一，团队合作是取胜的重要因素。参赛选手除应具备娴熟的传接棒技术外，一般情况下，第一棒还应具备良好的起跑和弯道跑技术；第二棒应具备较好的速度耐力；第三棒除具备第二棒的优点外，还要善跑弯道；第四棒应短跑成绩最好、冲刺力最强。现有四名同学：①小马，校运动会800米亚军；②小李，校足球队主力前锋；③小王，校运动会100米冠军；④小刘，校运动会200米冠军。据此判断下列最合理的接力顺序是（ ）
A．③①②④ B．①②④③
C．④③①② D．④②①③
流程设计应考虑的基本因素：
材料、工艺、设备、人员和资金、环境
流程设计的基本步骤
注：流程设计的基本要素是环节和时序；对于有严格时间的时序，要标注时间。
流程优化的目的
提高工作效率、降低成本、降低劳动强度、节约能耗、减少环境污染、保证安全生产等。
流程优化的内容
工期优化（节约时间）、工艺优化（节约材料）、成本优化（节约资金）、技术优化（添加新设备、改进设备）、质量优化（提高产品质量）等
流程优化的依据
以某一个指标的优化为主，结合考虑其他指标。
流程优化的条件
建立在设备和工艺水平提高的基础上，建立在对流程内在机理进一步研究的基础上。
练3、炼乳生产需要经过一个环节，蒸发浓缩。即将原料奶中大部分的水分蒸发。原始的方法是在锅里直接给原料乳加热，使其中的水分蒸发，由于常压下，水沸腾的温度在100°C左右，即造成原料奶中的营养成分破坏，会使部分炼乳颜色发生褐变．又会造成炼乳制造成本居高不下(要消耗大量煤)。随着科学技术的发展，人们利用真空罐，在45～60°C，将原料奶的水蒸发，提离效率和质量。针对上述案例，下述说法错误的是( )
A．炼乳流程的优化建立在对生产工艺进一步认识的基础上
B．炼乳设备的改进，导致流程工艺的优化
C．炼乳流程的优化，综合考虑到浓缩、保持营养成分、降低成本等多种目的
D．炼乳流程的优化，主要表现在环节的减少
D
系统的定义：系统是由相互依存的若干要素或部分组成的、 具有特定功能的有机整体。
知识点八：系统及构成系统的条件
构成系统，必须具备三个条件：（怎样判断构成一个系统？）
至少有两个或两个以上的要素（部分）才能组成系统；
要素（部分）之间相互联系、相互作用，按照一定的方式形成一个整体；
这个整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的
系统的分类：
（1）自然系统和人造系统； （2）实体系统和抽象系统：
（3）静态系统和动态系统； （4）开放系统和封闭系统；
人体系统、生态系统是自然系统；城市系统、计算机系统和机械传动系统是人造系统
生物系统、机械系统是实体系统；哲学系统、计算机的操作系统是抽象系统
自然系统
人造系统
实体系统
抽象系统
静态系统
动态系统
开放系统
封闭系统
简单系统
复杂系统
人体系统
知识点九：系统的特性
整体性 相关性 目的性 动态性 环境适应性
⑴整体性：
是系统最基本的特性，也是观察和分析系统最基本的思想和方法。系统是一个整体，它不是各个要素（部分）的简单相加，系统的整体功能是各要素（部分）在孤立状态下所没有的。系统的任何一个要素（部分）发生变化或出现故障时，都会影响其他要素（部分）或整体的功能的发挥。系统的整体功能大于组成系统的各部分的功能之和。
⑵相关性：
是指组成系统的各要素之间或系统整体与部分之间的相互作用、相互联系、相互依赖、相互影响的关系，是彼此相关的。
⑶目的性：
任何系统都具有某种目的，都要实现一定的功能，这正是区别不同系统的标志。
⑷ 动态性：
物质都是不断变化的，因此系统是一个动态系统，处在运动变化和发展之中。
⑸ 环境适应性：
系统都存在于一定的环境之中，并不断的与外界环境进行物质的、能量的和信息的交换，系统必须适应外部环境的变化。
【练1】2007年10月我国自行研制的嫦娥一号上搭载了8种24台件科学探测仪器，重130千克，即微波探测仪系统、γ射线谱仪、X射线谱仪、激光高度计、太阳高能粒子探测器、太阳风离子探测器、CCD立体相机、干涉成像光谱仪。这些仪器共有几百万个零部位，这些零部件本身都很一般，但是它们按照一定的结构组合在一起就构成了性能优异的探月卫星，从而体现了系统的（ ）
A．动态性 B．目的性 C．整体性 D．相关性
【练2】生物链最大的价值在于形成互相保护的网络，也正是这个完整强大的生态网络保护着人类。研究发现，世界鸟类95%以上是以昆虫为食，它们是害虫和鼠类的天敌。一只猫头鹰一夜可以吃掉5~6只老鼠，一个夏季能捕食1000多只老鼠，一只灰喜鹊一年能消灭18000多条松毛虫、金龟子、避债蛾和蝇等。这说明系统具有（ ）
【练3】医生根据病人的症状确诊病症，对症下药，进行治疗，当病人的病状一时难以确定时，医生就要跟踪病人病情的发展，预测并及时判断病因，进行治疗。生病看病的过程体现了系统的（ ）。
C
相关性
动态性
黑色系统——信息完全不明确的系统。如宇宙星球。
白色系统——信息完全明确的系统。如学校系统，学生数、教职工数等。
灰色系统——信息部分明确、部分未知的系统。如城市系统，对其经济发展和交通规划，与环境保护之间的关系等尚未完全搞清，为灰色系统 。
知识点十：系统分析的基本方法
【练4】在比较水稻一年种两季还是三季产量才会高时，有人说三三进九不如二五一十，这体现了系统的（ ）分析方法，也体现了系统分析中的整体性原则。
A 、目标分析 B、任务分析 C、定性分析 D、定量分析
系统的思想——系统的整体性、相关性、目的性、动态性、环境适应性这些基本特性构成了系统思想。
系统分析的基本方法——系统的思想和定性定量相结合的方法。
【练5】丁谓修复皇宫，把烧砖、运输建筑材料和处理废墟三项繁重的工程任务看成一个整体中的相关部分，加以协调处理，从而找到获得最佳效果的方案，节省了大量劳力、费用和时间，一举三得。丁谓实际上是运用了（ ）。
A、系统分析的基本方法 B、系统设计的基本方法
C、收集资料的方法 D、调查研究的方法
D
A
知识点十一：系统分析的一般步骤
明确问题，设立目标
收集资料，制定方案
分析计算，评价比较
检验核实，作出决策
系统优化
系统优化——在给定条件下使系统达到更理想、更优效果的过程。
知识点十二：系统分析的主要原则
① 整体性原则：系统分析要着眼于系统整体，先分析整体再分析局部。
② 综合性原则：利用子系统间的关联关系，合理解决子系统的冲突，综合处理的原则。
③ 科学性原则：尽可能运用科学方法和数学工具进行定量分析。
【例17】赵明同学家所在街道的人行道路在一年内进行了铺设通讯线路、煤气管道、下水管道修理三次施工，给市民带来了生活的不便，这说明对于道路的改造不符合系统设计的（ ）原则。
A、整体性原则 B、动态性原则
C、综合处理的原则 D、人性化设计的原则
A
知识点十三：控制及控制系统
控制——人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物朝期望的目标发展。
控制技术
控制系统——完成控制的若干环节构成一个系统。
控制系统
开环系统
闭环系统
控制
人工控制
自动控制
：眼睛起传感器作用，大脑和手起控制器作用
知识点十四：开环控制系统——输出量不对系统的控制产生任何影响。
控制框图：
工作过程：当某一信号作用于传感器，给系统以输入，系统在输入信号的作用下，被控对象对输入产生相应的响应。产生输出信号、实现控制作用。
特点：开环控制系统的结构和原理简单，信息从输入端传到输出端仅有一条路径。但控制精度不高。
输入
控制器
执行器
被控对象
输出
控制量
控制量
单向、无回路、输入量控制输出量、输出量不影响整个系统
闭环控制系统——系统的输出量返回输入端并对控制过程产生影响的控制系统。
控制器
执行器
被控对象
比较器
（输入量）
（输出量）
+
-
检测装置
控制量
输入量
控制器
执行器
被控对象
输出量
控制量
开环系统：
反馈环节
开闭环系统区别：1、有无反馈 2、信息流的传递方向
给定量
被控量
在控制系统中，除输入量（给定量）以外，引起被控量变化的各种因素称为干扰因素。
在控制系统中，将输出量通过适当的检测装置返回到输入端并与输出量进行比较的过程，就是反馈。
1、由于干扰因素的存在，系统的被控量偏离给定值时；
2、闭环控制系统中的反馈环节能及时检测出被控量的值，并迅速反馈到输入端，与给定值进行比较；
3、控制器根据比较得到的偏差信号进行调节，从而使系统的被控量接近给定值，达到精确控制的目的。
知识点十五：控制系统的干扰因素及反馈
功能模拟方法：以功能和行为的相似性为基础，用“模型”模拟“原型”的功能和行为的方法，就是功能模拟方法。
例：在国际象棋的人机对弈中，计算机具有与人脑类似的逻辑判断功能，能模拟棋手的思维与人下棋。
黑箱方法：把将要研究的系统作为黑箱，通过对系统输入与输出关系的研究，进而推断出系统内部结构及其功能的方法，就是黑箱方法。
例：通过输入图像、电或声音信号，观测、分析脑电波的输出反应，研究人脑对视觉或听觉信息的传递、变换和处理功能，得知人脑内部结构的细节，就是黑箱方法的运用。
功能模拟方法和黑箱方法
李明制作了方便小动物喝水的自动加
水器，结构如图。工作过程是当水龙头打
开，水就流入碗内，碗内的水位逐渐升高，
浸没到塑料管管口时，没有空气进入密封
的铁桶，水龙头停止出水；当碗内水位降
低至塑料管管口以下，空气从塑料管进入
铁桶内，水又流出来，使碗内实际水位控
制在管口位置。试分析其控制过程，完成
下列问题：
（1）该控制系统是开环控制系统还是闭环
控制系统，分析工作原理？
（2）请完成控制系统方框图。
铁桶
圆木塞
铁桶
硬塑料管
搪瓷碗
水龙头
5cm
闭环控制系统
水龙头
实际水位
闭环控制
输入量：给定水位 输出量：实际水位
检测输入量与输出量差值的作用。（反馈作用）

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