资源简介

(共34张PPT)
第一单元　结构及其
设计
必修　技术与设计2
知识体系
一、常见结构 的认识
教材解读
一、常见结构的认识
1.结构的含义:结构是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。
2.结构存在于自然界、技术领域和社会领域,结构多种多样且决定着事物存在的性质。
3.结构的受力形式
从力学角度分析,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。结构受力(外力)的实质是构件受力,根据构件的受力和变形的形式,可分为以下五种基本形式。
(1)受拉:构件两端承受沿轴线方向的拉力。
(2)受压:构件两端承受沿轴线方向的压力。
(3)受剪切:构件承受两个作用线相距很近、大小相等、方向相反的力。
(4)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。
(5)受扭转:构件两端受到两个在垂直于轴线平面内的力偶作用,两力偶大小相等,转向相反。
力偶:作用于同一物体上的一对大小相等、方向相反、但不共线的一对平行力。
4.结构的类型
(1)实体结构:结构体本身是实心的结构,如实心墙、大坝等。
(2)框架结构:结构体由细长的构件组成的结构,如铁架塔、建筑用脚手架等。
(3)壳体结构:层状的结构,如头盔、飞机外壳等。
(4)组合结构:由两种或两种以上的基本结构类型组合而成,如埃菲尔铁塔等。
二、稳固结构的探析
1.结构的稳定性
(1)荷载:指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其他因素。
(2)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。
(3)影响结构稳定性的主要因素
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面积的大小;
③结构的形状。
2.结构强度
(1)结构的强度:是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。
(2)内力:当结构构件受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用发生改变,产生一种抵抗外力与形变的力。
(4)影响结构强度的主要因素
①结构的形状;
②结构的材料;
③结构的连接方式。
(5)结构的连接方式
按构件之间能否转动来分类,可分为铰连接和刚连接。
①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,如松螺栓连接、铰链连接等;
②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,主要有榫接、胶接、焊接、紧固螺栓连接等。　
三、结构功能的实现
1.感悟结构与功能的关系
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。
(1)事物的结构决定了其功能。
(2)功能的实现需要相应的结构来保证。
(3)结构与功能的关系往往还需要考虑使用的环境、时间等因素。
(4)结构在规定的使用期限内和规定的条件下,完成预定功能的能力,称为可靠性。它是安全性、适用性和耐久性的总称。安全性指结构在正常使用时能承受可能出现的各种荷载;适用性指结构在正常使用时具有良好的工作性能;耐久性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。
2.欣赏经典结构的案例
赏析结构设计作品时,可以从两个角度来进行。
(1)技术角度:①结构的使用功能的实现;②结构的稳固耐用;③结构造型设计的创意和表现力;④材料使用的合理性;⑤工艺制造的精湛程度等。
(2)文化角度:①结构的文化寓意与传达;②公众认可的美学原则;③反映时代、民族、习俗方面的特征;④结构的个性特征等。
四、简单结构的设计
1.结构设计应考虑的主要因素
结构设计应考虑的主要因素:稳定性、强度、安全性、适用性、耐久性和成本控制要求等。
2.设计并制作站立式办公桌
在充分考虑结构设计的目标及要求、结构设计的主要因素的基础上,进行综合设计。
典例变式
[典例1] (2025·浙江6月选考)如图所示的刹车装置,刹车盘通过转轴安装在机架上,刹车臂、手柄通过销轴安装在机架上。手柄在力F的作用下转动,通过杆1和杆2带动上、下刹车臂抱紧刹车盘,从而实现刹车。撤去力F后,弹簧使装置复位。下列关于该刹车装置的分析,不正确的是(　 　)
A.刹车盘属于实体结构
B.刹车臂与机架之间的连接属于铰连接
C.刹车时,弹簧处于压缩状态
D.刹车时,杆2受压
D
解析:本题考查结构的类型。结构的受力形式和结构的连接方式。选项A,实体结构通常是指结构体本身是实心的结构,刹车盘符合其描述。选项B,上、下刹车臂相对车架转动,才能夹紧刹车盘,因此属于铰连接。选项C,刹车时,上、下刹车臂向中间聚拢夹紧刹车盘,弹簧处于压缩状态,松开后,弹簧向外弹开复位,所以这个弹簧属于压缩弹簧,刹车时处于压缩状态。选项D,在力F的作用下,手柄顺时针转动,杆2上原先的两点相互远离,使杆2产生拉伸的效果,所以该选项是错误的。
[变式1] (2024·浙江6月选考)如图所示是小明在通用技术实践课上制作的自行车驱动系统的结构模型,F1 为施加在踏板轴上的驱动力,F2 为链条施加在链轮上的阻力。在图示状态,下列对各个构件主要受力形式分析中正确的是(　 　)
A.踏板轴受弯曲,曲柄受弯曲和受扭转,主轴受弯曲和受扭转
B.踏板轴受压和受弯曲,曲柄受弯曲,主轴受弯曲
C.踏板轴受压和受弯曲,曲柄受弯曲和受扭转,主轴受扭转
D.踏板轴受弯曲,曲柄受扭转,主轴受弯曲和受扭转
A
解析:主轴由于受F1和F2这对反向周向的作用力,受扭转是比较明显的,又因为F1是通过曲柄传递到主轴的,与中间的支撑套有些距离,所以主轴还会受弯曲;由于F1的作用,踏板轴受弯曲,曲柄也受弯曲,原理跟悬臂梁受弯曲类似,同时由于F1的作用点距离曲柄有些距离,也使得曲柄产生扭转变形,故应选A。
[典例2] (2023·浙江1月选考)如图所示是两根传动轴连接结构的示意图,Md为驱动力矩,Mr为阻力矩。下列对工作时各个零件主要受力形式的分析中正确的是(　 　)
A.轴1受剪切、套筒受压、圆锥销1受弯曲
B.轴1受扭转、套筒受扭转、圆锥销1受剪切
C.套筒受压、圆锥销2受剪切、轴2受扭转
D.套筒受扭转、圆锥销2受弯曲、轴2受剪切
B
解析:本题考查简单的受力分析。受扭转是指构件两端受到两个在垂直于轴线平面内的力偶作用,两力偶大小相等,转向相反。按照示意图,套筒、轴1和轴2都受扭转。受剪切是指构件承受两个作用线相距很近、大小相等、方向相反的力。按照示意图,圆锥销1和圆锥销2受剪切。故选B。
[变式2] (2025·浙江1月选考)如图所示的夹紧机构,在气缸的作用下叉杆向左水平移动,通过滚轮带动压杆夹紧工件。工件被夹紧时,下列对构件主要受力形式分析正确的是(　 　)
A.杆1受拉,杆2受压 B.杆1受压,杆2受压
C.杆1受拉,杆2受拉 D.杆1受压,杆2受拉
A
解析:本题考查受力分析。工件被夹紧时,对压杆产生向上方的反作用力,所以杆1受拉、杆2受压。
[典例3] (浙江选考真题)如图所示的木制售货亭,窗台板和三角架固定在墙板上,窗板向上翻转后用木棍支撑。下列关于该售货亭结构的分析中不正确的是(　 　)
A.窗板与墙板之间的连接属于铰连接
B.窗台板与墙板之间的连接属于刚连接
C.木棍和三角架都是为了提高强度
D.售货亭下方中间的支撑脚主要是为了提高结构的强度
C
解析:根据题目描述,窗板可以向上翻转,可知窗板与墙板之间的连接属于铰连接,故A选项正确;根据题目描述,窗台板和三角架固定在墙板上,可知窗台板与墙板之间的连接属于刚连接,故B选项正确;根据题目描述,结合生活实际可知,木棍用于支撑窗板,防止窗板翻转下来,提高结构的稳定性,而不是提高强度,故C选项不正确;根据图示,结合生活实际可知,支撑脚使售货亭中间部分有了受力点,可以确保售货亭的底部不至于受压过度变形而损坏,提高了结构的强度,故D选项正确。
[变式3] 如图所示,针对图甲桌子结构的不足之处,现改进成图乙结构。下列关于该结构改进的说法中正确的是(　 　)
A.主要目的是通过改变结构形状来提高强度
B.主要目的是通过改变结构形状来提高稳定性
C.主要目的是通过改变与地面接触面来提高强度
D.主要目的是通过改变支撑面大小提高稳定性
A
1.构件的五种基本受力形式如下图所示
重难拓展
2.强度和稳定性对比分析
特性 影响因素 常见措施
稳定性 结构重心的位置 加重底座,外壳轻便,对称结构;与外力作用方向匹配的偏心结构
结构与地面形成的支撑面大小 支撑脚伸展、外张
结构的形状 三角形稳定性好,不易变形
强度 材料 (1)不同材料能承受不同形式的受力作用,如混凝土抗压性能好;钢筋抗拉性能好;某些新型复合材料,性能优良。
(2)构件的横截面积越大,其能产生的内力越大。
(3)材料弯曲时,外弧受拉、内弧受压,外弧加钢筋、内弧用混凝土
形状 构件的横截面形状
构件组成整体的 结构形状 三角形、拱形
构件的形状 直条形、弧形
构件的粗细 粗的、细的
连接 方式 刚连接 榫接、胶接、焊接、铆接、紧固螺栓连接、插接、铆焊连接等
铰连接 松螺栓连接、松铆、合页连接、车轮与车轴、轴承等
3.设计并制作站立式办公桌
(1)设计的一般步骤
根据问题确定具体的设计项目→明确设计目标及要求→进行设计分析(重点分析结构的功能、结构的稳定性和强度、结构的连接方式)→形成初步设计方案→模型或者原型制作→检测、优化和改进设计→设计评价。
(2)简单结构草图的设计是历年来考试中必考的设计大题,主要设计的是连接件,做题的关键是审题,重点关注设计要求,然后结合平时积累的一些常见连接件模型作图。草图的绘制没有固定的方法,一般可按照以下步骤进行:
①厘清问题或故障,圈出题干中涉及的尺寸和要实现的功能。
②重点关注设计要求,看清给定材料,整理出大致思路。
③结合平时积累的常见模型(可折叠、可伸缩、可转动、角度可调节、机械传动装置、功能装置)及其画法,画出设计草图。
④标注主要的尺寸,将现有的尺寸及需要实现的功能的相关尺寸都标注在草图上,注意可能会涉及简单计算。
⑤画图要有立体感,注意整体效果。
⑥写上必要的文字说明,文字不要太多,表达要恰当,语言要简练。
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