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第一章 结构及其设计
《技术与设计2》
一、常见结构的认识
1.感知结构的丰富内涵
结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。从力的角度看，结构是指可承受一定力的架构形态。
2.辨析结构的一般类型
结构的类型主要有实体结构、框架结构和壳体结构。
一、常见结构的认识
①实体结构
概念：指结构体本身是实心的结构。
受力特点：外力分布在整个体积中。
案例：实心墙、冰山、大坝等。
②框架结构
概念：指结构体由细长的构件组成的结构。
受力特点：既能承受竖向重力荷载，也能承受水平方向的荷载。
案例：栅栏、建筑用的脚手架、自行车架等。
一、常见结构的认识
③壳体结构
概念：指层状的结构。
受力特点：外力作用在结构体的表面上。
案例：飞机外壳、水立方、安全帽、贝壳、鸡蛋、西瓜等。
(3)构件
一个较复杂的结构由许多不同的部分组成，这些组成部分通常称为构件。
一、常见结构的认识
3.认识结构的常见受力形式
结构构件的基本受力形式有受拉、受压、受剪切、受弯曲和受扭转。
①受拉
　
受力特点：构件承受拉拽力。
案例：①用绳子绑着桶在井中打水时，绳子受拉；②荡秋千时，吊索受拉。
②受压
　
受力特点：构件承受使之被挤压的力。
案例：①造房子打地基时，地桩受压；②桥梁的桥墩受压。
一、常见结构的认识
①受扭转
　
受力特点：构件两端承受方向相反的均匀的力，使它发生扭转形变。
案例：①拿钥匙旋转开门时，钥匙受扭转；
②汽车方向盘的轴受扭转。
一、常见结构的认识
④受弯曲
　
受力特点：构件承受使之产生弯曲的力。
案例：体操运动员在做引体向上时，横杆受弯曲。
⑤受剪切
　
受力特点：构件承受两个距离很近、大小相等、方向相反、且作用于同一物体上的平行力。
案例：①用剪刀剪纸时，纸受剪切；
②理发师剪头发时，头发受剪切。
一、常见结构的认识
①生活中的结构往往不是单一结构类型，而是混合的结构体。
②受力形式指结构在力的作用下形变的趋势。
③受力的分析技巧
a．方向背向在同一直线的为受拉。
b．方向相向的，同一直线的为受压，
不在同一直线稍微错开一点点的为受剪切，
不在同一直线，错开距离较大的为受弯曲。
c．有360度旋转的为受扭转。
d．绳类结构一般都受拉，杆类结构可以受拉、受压、受弯曲、受剪切、受扭转。
④横梁钢筋置放分析
混凝土擅长抗压力；钢筋擅长抗拉力。
一、常见结构的认识
练习
1.下列家居用品的结构类型，有别于其他三项的是(　　)
C
练习
2.如图所示是一种压紧机构。推杆的移动通过连杆带动摆杆摆动，可将物体压紧或松开。图示位置为摆杆与物体刚好接触，此时在力F作用下，下列分析正确的是(　　)
B
A．连杆受拉、物体被压紧
B．连杆受压、物体被压紧
C．连杆受拉、物体被松开
D．连杆受压、物体被松开
练习
3.如图所示为钢筋混凝土横梁的受力变形示意图。由于混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，为了合理利用钢筋，下列对横梁的分析中正确的是(　　)
A．上部弯曲的程度比下部大，应在上部布置粗钢筋，下部布置细钢筋
B．上、下都受弯曲，应在上部和下部布置相同的钢筋
C．上部受压，下部受拉，应在上部布置细钢筋，下部布置粗钢筋
D．上部受拉，下部受压，应在上部布置粗钢筋，下部布置细钢筋
C
二、稳固结构的探析
1.探析影响结构稳定性的主要因素
结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。
影响结构稳定性的主要因素有：
①结构重心位置的高低；
②结构与地面接触所形成的支撑面的大小(对于静止状态的结构，其重心垂线落在结构的支撑面范围内时是稳定的)；
③结构的形状(三角形构成稳定的几何结构，三角形桁架为几何不变体系)。
二、稳固结构的探析
2.探析影响结构强度的主要因素
结构的强度是指结构具有的抵抗外力破坏的能力。
应力是结构在单位横截面积上产生的内力，可以作为表示结构强度的基本指标，关系式是σ=F/S
影响结构强度的主要因素有：
结构的形状（框架结构中三角形的应用和构件的横截面形状）；
使用的材料（单一材料和组合材料）；
构件的连接方式（刚连接和铰连接）。
二、稳固结构的探析
铰连接
被连接的构件在连接处不能相对移动，但可以相对转动。
案例：松螺栓、松铆、合页等，如门与门框的连接、剪刀上的连接等。
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。
案例：榫接、胶接、焊接等，如固定铁床架的连接。
三、结构功能的实现
1.探析结构与功能的关系
结构对事物的功能和作用产生直接影响。事物的结构决定了其功能。
2.欣赏经典结构案例
可从技术和文化的角度欣赏经典结构。
技术的角度主要包括结构功能的实现、结构的稳固、结构设计的创意和表现力、材料的使用、工艺等方面；
文化的角度主要包括结构的文化寓意与传达，美学原则，反映时代、民族、习俗等特征。
三、结构功能的实现
注：同时可能影响结构稳定性和强度的因素是形状。
辨析稳定性、强度
a．结构遭到破坏的是强度；结构完好，只是平衡问题的是稳定性。
b．改变截面形状只影响强度。
c．材料加厚加粗只影响强度。
d．底面支撑面增大影响稳定性。
e．换材料影响强度，但将底部换更重的材料影响稳定性。
f．结构能够稳定并不是表示结构稳定性好，只说明重心投影落在支撑面内。
练习
1.如图所示是一种手动冲压机，扳动手柄，通过连杆带动压杆运动。下列关于该冲压机的分析中，正确的是(　　)
C
A．压杆只能上下移动，不能转动，压杆与机座之间的连接属于刚连接
B．冲压时连杆受压
C．冲压机重心的垂线偏离支撑面中心，提高了冲压时的稳定性
D．手柄上施加力F时，压杆向上运动
练习
2.小明尝试设计一款可折叠餐桌，从结构强度和稳定性的角度分析，下列设计方案中最合理的是(　　)
C
练习
3.如图所示是一款手摇打蛋器，一手握住打蛋器手柄，一手摇动摇柄，打蛋头高速转动。从结构的角度分析，下列说法中错误的是(　　)
B
A．转动轴与支架的连接为铰连接，转动轴与曲柄的连接为刚连接
B．为提高整个打蛋器的稳定性，可以增加两个打蛋头之间的距离，从而增加支撑面积
C．打蛋过程中，曲柄主要受弯曲，齿轮主要受扭转
D．为提高产品的强度，可以把支架的塑料换成不锈钢材料
四、简单结构的设计
1.分析结构设计的目标及其要求
结构设计应以基本功能的实现为基本目标，应符合设计规范，满足使用者的基本需要。
2.分析结构设计应考虑的主要因素
结构设计应考虑的主要因素：符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需求，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命要求等。
四、简单结构的设计
小明构思了下列悬吊式抓取机构的方案，其中在力F作用下，不能将工件夹紧的是(　　)
C
案例赏析
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小结
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