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(共46张PPT)
第一单元 结构及其设计
课标导引
考点 课标要求 学业水平要求
常见结构的认识 (1)感知丰富的结构 (2)认识结构的受力 (3)辨析结构的类型 从力学的角度理解结构对技术产品及其功能实现的独特价值,了解结构的一般分类和简单的受力分析
水平一
水平二
水平二
稳固结构的探析 (1)探析结构稳定性 (2)探析结构强度 通过技术试验或技术探究分析影响结构的强度和稳定性的因素,并写出试验报告
水平三
水平三
结构功能的实现 (1)感悟结构与功能的关系 (2)欣赏经典结构的案例 能从技术和文化的角度赏析经典结构案例
水平二
水平二
简单结构的设计 (1)分析结构设计应考虑的主要因素 (2)设计并制作站立式办公桌 结合生活中的实际需求进行简单的结构设计,并绘制设计图样,做出模型或原型
水平一
水平二
教材研析
知识点一　结构的受力形式
基本受 力形式 图示 特点
受拉 构件两端承受沿轴线方向的拉力,大小相等,方向相反。构件沿外力的作用方向伸长,截面变细
受压 构件两端承受沿轴线方向的压力,大小相等,方向相反。构件沿外力的作用方向缩短,截面变粗
受剪切 构件承受两个作用线相距很近、大小相等、方向相反、且作用于同一物体上的平行力,构件的相邻两截面沿外力的作用方向产生错位(例:连接件中的螺栓受力后的变形)
受弯曲 在通过构件轴线的平面内,承受垂直于构件轴线的外力或外力偶的作用,在受力面内构件轴线由直线变为曲线
受扭转 构件两端受到两个垂直于轴线平面内的力偶作用,两力偶大小相等、转向相反,构件的任意两个横截面发生绕轴线的相对转动
知识点二　结构的类型
结构的分类多种多样,从形态方面考虑,通常有实体结构、框架结构和壳体结构等基本类型。在生产和生活实际中,很多物体的结构是由两种或两种以上的基本结构类型组合而成的。
结构的 类型 概念 受力特点 举例
实体结构 结构体本身是实心的结构 外力分布在整个体积中 实心墙、大坝
框架结构 结构体由细长的构件组成的结构 支撑空间而不充满空间,能承受垂直和水平荷载 铁架塔、建筑用脚手架
壳体结构 结构体是层状的结构 外力作用在结构体的表面上 头盔、飞机外壳
知识点三　结构稳定性
1.含义
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。
2.影响结构稳定性的主要因素
(1)重心的位置
结构体稳定的基本条件:处于静止状态的结构,重心的垂足落在结构支撑面的范围内,就是稳定的。重心越低,越稳定。
(2)结构与地面接触所形成的支撑面积的大小。
(3)结构的形状
三角形的稳定性相对较好,既节省了材料,还减轻了结构体的质量。
影响结构稳定性的因素是相互联系的,需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定性。物体在静止状态与运动状态下的稳定性条件也是不同的。
结构的稳定性分析
特性 影响因素 常见措施
稳定性 重心 加重底座,外壳轻便
支撑面 支撑脚伸展、外张
形状 桁架结构
3.不稳定结构的应用
倒置的啤酒瓶可以预报地震等。
知识点四　结构强度
1.含义
结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。
2.影响结构强度的主要因素
(1)结构的形状
对强度的影响有两方面:一是结构体的形状,二是构件截面形状。不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。
相同材料,相同截面积,不同形状的构件强度也不相同。
(2)结构的材料
不同材料构成的结构,其强度各不相同。一个坚固的梁必须具有良好的抗拉、抗压、抗剪切和抗扭转的性能,所以梁通常由不止一种材料制成。由于材料与结构强度具有密切的关系,因此在设计过程中应注意挖掘材料特性所带来的新结构的可能。
(3)结构的连接方式
结构由若干个构件通过不同的连接方式组合而成。结构的连接方式直接影响结构的强度。结构构件的连接方式按构件之间能否转动来分,通常有两类:铰连接和刚连接。
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(例: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(例:榫接、胶接、焊接)。
结构的强度分析
特性 影响 因素 常见措施
强度 材料 1.不同材料能承受不同形式的作用力,如:混凝土抗压性能好;钢筋抗拉性能好;绳索可受拉,不可受压、受弯曲
2.构件的横截面积越大,其能产生的内力越大
形状 1.外部形状:三角形、拱形
2.截面形状:圆形、工字形
连接方式 1.铰连接:松螺栓、松铆、合页连接
2.刚连接:榫接、胶接、焊接
知识点五　结构与功能的关系
结构不仅是事物存在的一种形式,而且对事物的功能和作用产生着直接影响。结构的改变可以导致事物功能的变化,即事物的结构决定了其功能。设计中,往往通过改变结构实现不同的功能,具体的设计中还需要考虑使用的环境、时间等因素。
结构在规定的使用期限内和规定的条件下,完成预定功能的可能性,称为可靠性。它是安全性、适用性和耐久性的总称。安全性是指结构在正常使用时能承受可能出现的各种荷载;适用性是指结构在正常使用时具有良好的工作性能;耐久性是指结构在规定环境条件下和预定的设计使用年限内,能保持结构正常使用。
知识点六　欣赏经典结构
赏析结构设计作品,可以从技术与文化两个角度进行。
1.技术角度
技术角度:侧重结构的使用功能的实现,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。
2.文化角度
文化角度:侧重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、习俗方面的特征,结构的个性特征等。
知识点七　结构设计应考虑的主要因素
1.结构设计的目标及要求
结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标,应满足设计规范,满足使用者的基本需要。
2.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,使用者的个性化需要,对设计对象的成本控制要求和一定的使用
寿命。
结构设计师应具有全方位和多目标的空间想象力,并具有跨领域的协调整合能力,根据各种要求与限制条件寻求对立中的统一。
问题详解
典例1 含滚轮挤压结构
典例2 不含滚轮构件传递力
典例3 结构稳固和受力等混合型
典例4 分析稳定性和强度的影响因素
典例5 简单结构方案构思选择题
典 例 1
(2023年浙江7月学考)如图所示,一种通过旋紧螺母来夹紧工件的结构。工件10被夹紧时,螺母5、圆柱推杆4和压杆9的主要受力形式是(　　)
A.螺母受拉、圆柱推杆受压、压杆受弯曲
B.螺母受压、圆柱推杆受弯曲、压杆受压
C.螺母受压、圆柱推杆受压、压杆受弯曲
D.螺母受拉、圆柱推杆受弯曲、压杆受压
C
解析 螺母受到挤压的力,所以受压;圆柱推杆被顶过来,所以受压;压杆由于受到三个力的作用形成杠杆,所以受弯曲。
变式训练
1.(2023年浙江6月选考)如图所示,一种楔块结构的
结构示意图,楔块在机座槽内滑动,其中Fr为驱动力,
Fd为工作阻力。下列对工作时各个构件主要受力
形式的分析,正确的是(　　)
A.楔块受压、滚子受压、推杆受压受弯曲
B.楔块受压、滚子受压、推杆受压
C.楔块受弯曲、滚子受剪切、推杆受压受弯曲
D.楔块受弯曲、滚子受剪切、推杆受弯曲
解析 推杆受到横向和纵向作用力,所以受压受弯曲,楔块和滚子都是受到挤压的力,所以受压。
A
2.(2021年浙江1月学考)如图所示的压紧结构,在力F的作用下,驱动杆通过连杆、摆杆、滚子将工件压紧。压紧时,连杆、摆杆的主要受力形式是 (　　)
A.连杆受弯曲、摆杆受压
B.连杆受扭转、摆杆受压
C.连杆受扭转、摆杆受拉
D.连杆受弯曲、摆杆受拉
D
解析 从压紧结构的工作原理来看,结构在力F的作用下,连杆左端受到向上的力,中端受到向下的力,右端受到向上的力,故连杆受弯曲。摆杆由于连杆向上运动,摆杆与连杆的销轴也有向上运动的趋势,带动摆杆向上,摆杆受到来自销轴向上的力,同时机座给予摆杆一个向下的反作用力,符合受拉的特性,所以摆杆受拉。
典 例 2
(2022年浙江1月学考)如图所示,一种复式杠杆起重器示意图,在力F的作用下,手柄通过连杆带动摆杆将吸盘上的重物轻松平稳提起。图示位置摆杆和手柄均处于水平位置,连杆与手柄垂直,下列受力分析正确的是(　　)
A.手柄受弯曲 B.连杆受压 C.摆杆受拉 D.吸盘受扭转
解析 手柄3个受力点,受弯曲。连杆受拉,摆杆受弯曲,吸盘受拉。
A
变式训练
1.一种压紧结构如图所示。在力F的作用下,推杆通过摆杆、连杆带动压杆向左运动,将工件压紧。此时推杆、连杆、压杆的主要受力形式是(　　)
A.推杆受压、连杆受弯曲、压杆受剪切
B.推杆受剪切与受弯曲、连杆受压、压杆受压
C.推杆受压与受弯曲、连杆受压、压杆受压与受弯曲
D.推杆受剪切、连杆受剪切、压杆受弯曲
C
解析 连杆是二力杆所以受压,推杆和压杆受压与受弯曲,因为有个向上和向下的分力。
2.一辆简易吊车,正在起吊重物,如图所示。以下
关于构件的受力形式,说法不正确的是(　　)
A.支柱主要受剪切
B.横梁主要受弯曲
C.活塞杆主要受压
D.钢索主要受拉
解析 支柱主要受弯曲。
A
典 例 3
一款硬纸板插接而成的可拆卸式桌子如图所示,关于
该桌子的结构分析不合理的是(　　)
A.采用插接方式,连接牢固
B.桌子与地面接触形成较大的支撑面,稳定性好
C.桌面采用两层纸板,增加强度
D.中间的支撑板将侧板连在一起,使结构具有较好的稳定性
解析 插接方式的强度中等。
A
变式训练
1.一款挂式晾晒架如图所示,用于悬挂在窗台框
上晾晒衣物,可折叠,方便收纳。下列关于该晾
晒架的说法不正确的是(　　)
A.该晾晒架属于框架结构
B.挂杆A处的主要受力形式是受拉
C.挂杆与底部的连接方式属于铰连接
D.底部细杆的主要受力形式是受压
解析 底部细杆的主要受力形式是受弯曲。
D
2.(2022年浙江7月学考)如图a所示的行李箱,需要时拉开支撑腿,人就可坐在座位上;把箱体拆下,也可单独作为手推车使用,如图b所示。下列分析正确的是(　　)
D
A.支撑腿能拉开和收拢,是由于支撑腿与箱体之间采用了刚连接
B.推拉行李箱时,推拉杆的受力形式为仅受压或仅受拉
C.推拉杆设计成可伸缩结构,是为了提高推拉杆强度
D.横杆的设计,提高了手推车的稳固程度
解析 支撑腿能拉开和收拢,是由于支撑腿与箱体之间采用了铰连接,A错误;推拉行李箱时,推拉杆的受力形式主要是受压或受拉,B错误;推拉杆设计成可伸缩结构,是为了适用于不同身高的使用人群,更好地实现人机关系的舒适目标等,C错误。
典 例 4
一款交叉折叠式升降车如图所示。以下措施可以
增加其稳定性的是(　　)
A.减小底座的面积
B.底座加装轮子
C.增大底座的质量
D.增加承载筐的高度
解析 底座加装轮子只会增加结构的强度。
C
变式训练
1.小明同学设计了一个带有收纳空间的木桌,如图所示,经历了从方案一到方案二的改进,下列说法不正确的是(　　)
A.方案二的桌子采用人造免漆板替代方案一中的松木板,可降低加工难度
B.方案二在收纳空间加了分隔板,实现分类收纳,属于功能优化
C.方案二将方案一中的两个桌脚底边切割出凹型槽,改进的主要目的是节省材料
D.方案二在两桌脚间增加一块横板能使桌子更加稳固
C
解析 方案二将方案一中的两个桌脚底边切割出凹型槽,改进的主要目的是提高结构的稳固性。
2.一款健身器械如图所示。以下关于它的说法正确的是(　　)
A.该健身器械属于实体结构
B.底座前端的Y形设计,提高了结构的稳定性
C.支撑杆的主要受力形式是受弯曲
D.斜杆长度可调的设计,提高了结构的强度
B
解析 该健身器械属于框架结构;支撑杆的主要受力形式是受压;斜杆长度可调的设计,是为了适用于不同身高的使用人群,更好地实现人机关系的舒适目标等。
3.为探究影响结构稳定性的因素,小明设计了如图a所示的实验装置。其中竖直细杆和底座由轻质材料制成,一个小钢球可以套在竖直杆上任何一个位置。小明用此装置做了如下实验:
(1)如图a所示,先将小钢球置于杆的下端,电吹风与小钢球在同一高度并保持一定距离,用低挡风吹小钢球,装置不发生倾倒;再逐步上移小钢球在竖直杆上的位置,保持电吹风的风力、方向以及电吹风与小钢球的水平距离不变,观察装置是否发生倾倒,并在竖直杆上标记装置发生倾倒时钢球的位置A。从这个实验可以得出:结构的重心位置越高,稳定性越___________
______。
(2)如图b所示,小明在底座下面粘上两根细木条(质量可不计),小钢球套在A位置,用低挡风吹小钢球,装置不发生倾倒;继续保持电吹风与小钢球的水平距离不变,改用强挡风吹,装置仍然不发生倾倒。从这个实验可以得出:结构与地面接触所形成的_________越大,结构的稳定性越好。
弱)
差(或低、
支撑面
(3)如图c所示,小明用手向右轻推细杆,装置倾斜一小角度,松手后装置不发生倾倒;再次轻推细杆,装置倾斜到一定角度时发生倾倒。通过对这个实验进行分析,可以得出:结构重心的垂足落在结构的支撑面范围内,结构是___
___的。
稳
定
典 例 5
(2022年浙江7月学考)如图所示的金属材质椅子,在使用过程中椅脚发生明显变形,下列小明提出的改进方案,较优的是(　　)
B
解析 在使用过程中椅脚发生明显变形,说明这个结构稳固性一般,而B选项的设计增加了结构的前后和左右的稳固性。
变式训练
1.如图所示,四个完全相同的圆台,质量均匀分布,按下列方式叠放在同一水平面上,其中三个圆台边沿两两相切,另一个圆台放在三个圆台的正上方。则叠放方式最稳定的是(　　)
解析 与地面接触面积大的是选项A、C,而重心相对较低的是选项C。
C
2.(2023年浙江6月选考)小明发现家中方凳的榫接松动,设计了下列四种加固方案,其中不合理的是(　　)
解析 D方案中的木楔加固方式,容易引发竖直方向上凳腿的顺纹开裂,故不合理。
D
3.用一块80 mm×60 mm×20 mm的木块制作一个简易的手机支架,从结构的稳定性和方便使用的角度分析,以下四种设计方案最为合理的是(　　)
解析 A选项的设计方案,放上手机后,重心的水平投影位置处于支撑面内。
A

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