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技术与设计2第一单元结构与设计
一、常见结构的认识
一）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。世界上任何事物都存在结构，包括自然界、技术领域和社会领域等各层面。结构的多样性决定着事物存在的性质，如金刚石和石墨的巨大差异就是相同的碳元素的不同结构所决定的。
（力学角度）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。
构件：结构的组成部分通常称为构件。例如，一盏普通的台灯由底座、支架、灯罩、灯泡、灯头、开关、电线插头等构件组成。
二）结构与力
1、内力和应力
内力：结构受到外力的作用时，结构内部产生的大小和外力相同的一种抵抗外力的力。
应力：是构件的单位横截面上所产生的内力。
公式： o=F／S。如果应力达到某一极限值时，结构就会遭到破坏。
2、构件的基本受力形式
(1)拉力：拉力是指物体所承受的拉拽力。例如，秋千的吊索主要承受的力是拉力。
(2)压力：压力是指挤压物体的力。例如，桥梁的桥墩主要承受的力是压力。
(3)扭转力：扭转力是指反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。例如，汽车方向盘的轴和正在开门的钥匙主要承受的力是扭转力。
(4)弯曲力：弯曲力是指作用于物体，使它产生弯曲的力，即一个物体承受与之作用面垂直的负荷时，受此负荷后，该物体必定会产生弯曲现象，此时构件受到弯曲力的作用。弯曲力其实可以看作是压力的一种形式。例如，单杠的横杠上有重物时，横杠主要承受弯曲力的作用。
(5)剪切力：剪切力是指两个距离很近、大小相等、方向相反、且作用于同一物体上的平行力。
判断构件是否受到剪切力的作用的关键是受力构件的横截面是否发生相对错动。
材料力学中剪切力的定义：“剪切”是指在(1)两个(2)距离很近、(3)大小相同、(4)方向相反、(5)作用在同一物体上的(6)横向外力(即垂直于作用面的力)作用下，(7)材料的横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象。能够使材料产生剪切变形的力称为剪力或剪切力。例如，大坝侧面在不同的水压作用下，是受到剪切力作用的结果；脆弱的山体在自重的影响下发生滑坡现象也是受到剪切力作用的结果。
练习： 2008年1～2月，我国很多省份都下了很大的雪。室外到处都是厚厚的积雪，当我们穿上靴子出门时，每一步都会陷入深深的积雪里。但是，如果我们使用雪橇，就不会陷进积雪中。其实我们的体重并没有改变，那么穿靴子和使用雪橇的不同之处在于 ( D )
A、使用雪橇时，积雪受到的外力更小 B、使用雪橇时，积雪的内力更小
C、穿靴子时，积雪的内力更小 D、穿靴子时，积雪承受的应力更大
练习：用指甲钳及用剪刀剪指甲时。指甲分别受到的力是 ( A )
A、压力和剪切力 B、都是剪切力
C、剪切力和压力 D、都是压力
练习：截面粗细不同的两根实心直杆件，在相同的拉力作用下，遭受破坏的程序不一样，粗截面的杆件先被破坏，其根本原因与（ D ）
A、外力无关 B、内力无关 C、应力有关 D、材料有关
练习：固定空调室外机铁架的镙钉受到的外力叫（ C ）
A、重力 B、扭转力 C、剪切力 D、弯曲力
练习：用打气筒给自行车打气时，打气筒活塞杆的受力形式是（ C ）。
A、始终承受拉力 B、始终承受压力
C、下压时承受压力 D、上提时承受压力
3、结构的类型
根据物体的结构形态，可以分为实体结构、框架结构、壳体结构这三种基本类型。
(1)实体结构：实体结构通常是指本身是实心的结构。
其受力特点：是外力分布在整个体积中，利用自身来承受外力，主要承受较大的压力。如实心的墙或者塔等。
(2)框架结构：框架结构通常是由梁、柱、杆、管等细长的构件组成的结构。
其受力特点：就是支撑空间而不充满空间，能够承受垂直和水平方向的力，但承重力和刚
度相对较低。如铁架塔、建筑用脚手架、厂房的框架等。
(3)壳体结构： 壳体结构通常是指由曲面型板与梁、柱、桁架等边缘构件所组成的结构。
其受力特点：外力作用在结构体的表面上，能够通过壳形将力均匀扩散，以此来传递和承受外力，如建筑工人的安全帽、飞机和潜艇的外壳等。
组合结构：在实际的生产、生活中，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。
练习：赵州桥，桥长64．40米，跨径37．02米，是当今世界上跨径最大、建造最早的单孔敞肩型石拱桥。因桥两端肩部各有二个小孔，不是实的，故称敞肩型，这是世界造桥史的一个创造。按结构形态分类，该桥应为( D )结构。
A、壳体结构 B、实体结构 C、框架结构 D、组合结构
二、稳固结构的探究
一）结构与稳定性
1、稳定性：是指结构在外力的作用下维持其原有平衡状态的能力。它是结构的重要性质之一。
2、影响结构稳定性的因素：
主要有重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑面的大小、结构的形状等。
①重心位置越低，结构越稳定。
②结构的支撑面越大，结构就越稳定。
③结构的支撑面不是指结构与地面所有接触面积的总和，而是指结构与地面各接触点所围成的区域。
④结构的形状不同，其稳定性也不同。
影响结构稳定性的三个主要因素之间是相互关联的，需要综合考虑。我们在分析注意稳定性的核心就是该结构的重心进入支撑面。降低重心是为了使重心垂线容易进入支撑面；扩大支撑面也是这个原因；改变结构的形状是为了让重心尽可能地位于结构支撑面的中心。
二）结构与强度
1、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：
主要有结构的形状、结构的材料、构件之间的连接方式等因素有关。
①结构的形状对强度的影响
一是结构的外部形状，如三角形是框架结构中最基本的形状之一。它结实、稳定，所用材料最少。
二是组成结构的构件的截面形状，不同横截面形状的构件所能承受力的程度是不一样的。
结构的外形和构件的截面只要有一点不一样，其强度也会有差异。
②结构的连接方式通常有两种。
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，包括松螺栓、松铆等。例如，大门的合叶、翻盖手机等都使用铰连接这样的连接方式。
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，具体有榫接、胶接、焊接等。例如，粘在一起的模型部件、不可拆卸的桌椅等。
练习：在2008年北京奥运会比赛中，以下哪一个结构是属于利用不稳定的结构实现某些功能的（ C ）
A、乒乓球桌 B、羽毛球拍 C、跨 栏 D、单杠
练习：如图，在直边的纸杯中部添置了两道折叠圈，这项改进主要是针对纸杯的：（ A ）
A、结构强度 B、结构稳定性；
C、整体重心 D、结构功能。
练习：开发区某厂内的车棚的一根钢管做支柱受今年大雪影响后有点变弯了，但好几个工人用工具想把弯出来的地方弄进都很难，其中有人说，这柱子雪天过后反倒变牢了，这好象是弯曲后变壳体结构的功劳。你认为呢？（ B ）
A、 重心低了点会稳固点 B、 强度低了
C 、稳定性和强度都与原来一样 D 、由于有点象壳体了，所以稳固性更优
练习：以如下方式放置的并注入不同数量水的，稳定性最差的是：（D ）
练习：把同一块砖头用竖放、侧放、平放三种方法放在地上。你认为哪种放法最稳定？为什么？
答：平放最稳定。因为平放时重心最低，支撑面最大，所以平放最稳定。
练习：山西应县木塔是当今世界现存最高的木结构建筑。它处于大同盆地地震带上，在近千年的历史中，木塔经历了多次大地震的考验安然无恙。木塔之所以有如此杰出的抗震能力，原因是：木塔平面是规则的正八角形，利于抵抗地震波产生的扭曲力；木塔高达4．4 m的砖石基座坚实、稳定，承载着全塔的重量(约1 300吨)；木塔内梁与柱的连接完全通过斗拱完成．各种构件则通过榫卯连接，全塔的主要构件不用一钉一铆，却能承受较大的弯矩；所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架，保证了构架的稳定性；柱子之间砌筑有厚实的墙体，牢牢地“抱"住各柱子，增加了构架的整体强度；立柱侧脚、平面逐层缩小，有效地降低了塔的重心，并使整体结构重心向内倾斜…… 阅读材料，分析应县木塔的结构具有很好的强度和稳定性的原因。
答：影响结构稳定性的要素：木塔高达4．4 m的砖石基座坚实、稳定，不仅降低了重心，还增大了结构的支撑面；立柱侧脚、平面逐层缩小，同样降低了结构的重心和增大了结构的支撑面，并且使结构重心所在点的垂线尽可能进入底面支撑面的中心；所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架，具备了稳定性很好的结构形状。
影响结构强度的要素：木塔内梁与柱的连接完全通过斗拱完成，各种构件则通过榫卯连接，具有很好的连接方式；木塔平面是规则的正八角形、木塔内梁与柱的连接通过斗拱完成、柱子之间砌筑有厚实的墙体，这都说明木塔具有高强度的结构形状；另外木制材料的弹性较好，配合我国特有的榫卯技术，抗震能力极为优秀。
练习：如图所示，某村庄旁边的小河上原有一座限重1．5吨的简易梁式桥。桥下的河水较浅，不能通航。现在由于经济的发展．运输量有了极大的增加．必须使桥梁的承重能力加以提高。但是又不能把桥拆掉后重新再建．因为这是该村唯一的公路桥。那么我们应该如何进行改进，设计出符合要求的桥梁结构呢 请同学们设计出3种以上的改良方案。
答：(1)由于小河不能通航，所以可以增加一个或几个桥墩来加大承重。
(2)在桥面下增加拱形结构，在不影响桥面通行的情况下，可以增加桥梁的承重。
(3)在桥的两侧增加钢制的三角形桁架结构。
(4)选择合适的材料制作斜拉索，并在桥两侧安装足够强度的立柱。
三）结构与功能
结构决定着事物的性质，也直接影响事物的功能。
三、简单结构的设计
一）结构设计应考虑的主要因素
1、结构设计的目标及要求
人们设计结构是为了完成某种任务或满足特定的需要，所以结构设计应当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
①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。不同的结构设计，应考虑的因素各有侧重，但无论在何种用途的结构设计中，安全都是至关重要的因素。
②现阶段结构设计应考虑的因素：
在工程产品的结构设计上，人们总是在满足功能要求的情况下，追求用最少(或最便宜)的材料组成结构，同时追求结构的稳定性、强度的最大化。现阶段，在进行结构设计时，应该重点考虑结构的强度、稳定性、所要实现的功能、外形和尺寸、作品和制作过程的安全性、材料的获取和加工难度这几个因素。
二）简单结构的设计案例
①设计项目——②设计要求——③设计分析——④设计方案——⑤呈现草图
（如：设计相框、雨伞架、垃圾桶、鞋柜、衣架、笔桶等）
附设计项目： 立体可移动式衣帽架的设计
[设计要求]
1．能方便人们取放各种衣物。
2．具有一定的强度和稳定性，最低限度是可以挂4件校服，且整个结构保持稳定，各个构件之间的连接没有被破坏。
3．可以方便地在不同的房间之间移动。
4．具有一定的美观性和装饰性。
5．尺寸要适当，不能比房间门大或高，也不能比一件衣服还短。
6．材料应容易取得、加工难度要低。
[设计分析]
立体可移动式衣帽架一般可以分为底座、支架、挂钩3个部分。
1．底座的结构设计应考虑的因素
(1)不能与墙体和地面有任何形式的固定，最好在底座上设计滑轮，以方便移动。
(2)底座与地面的接触面要比较粗糙，用此来增大摩擦力；底座与地面的接触面所围成的支撑面也要大，这样可以增加结构的稳定性。
(3)底座要相对重一些，以降低整体结构的重心，从而增加结构的稳定性。
2．支架的结构设计应考虑的因素
(1)要适合使用者的身高和使用习惯，不能过高，也不能过低。
(2)注意安放位置应尽可能使支架结构的重心接近衣帽架的结构支撑面的中央，以增加结构的稳定性。
(3)制作支架的材料不能太重，太重不仅不利于移动，也会抬高重心；也不能太轻，太轻不利于安装承受重物的挂钩。
3．挂钩的结构设计所需要考虑的因素
(1)挂钩形式可以多样，以能悬挂衣物，不损坏衣物、不伤害使用者为准。
(2)要有足够的强度，挂上衣服后不破坏、不脱落。
(3)挂钩安装的位置要适当，过高、过低都不方便使用。
4．底座、支架、挂钩之间的连接方式所需要考虑的因素
(1)底座与支架的连接应尽量牢固，最好使用支撑结构。
(2)挂钩与支架的连接能承受一件厚衣服的重量，用胶水连接一般并不可行。
[设计准备]
1．材料：由于工具、成本和加工难度的限制，一般使用五夹板、竹竿、塑料杆、铁管、钢丝、杉木档、空饮料瓶、挂钩、大号透明胶带纸、玻璃绳、各种规格的普通螺钉和铁钉等材料进行加工。根据自己的设计方案，从中任意选择。
2．工具：剪刀、美工刀、刻度尺、螺丝刀、尖嘴钳、钢丝钳、手锤、木工锉、木工锯、手摇钻。
[设计方案]
在设计衣帽架的主体支撑结构和底座时，一般会使用竹、木料、金属、塑料或者泡沫；在设计衣帽架中用来悬挂衣物的结构时，一般会使用钢丝、绳子、挂钩、钉子、木条或者夹子等。设计方案最好是两种或两种以上，并绘制结构草图(此处略)。
每种设计方案都应注意以下几点。
(1)结构对称性、垂直度好。
(2)结构的强度和稳定性达到较高要求。
(3)设计结构新颖。
(4)尽量使用家中已有的或容易获得的废旧物品作为材料。
(5)外形较美观。
[优化设计方案]
在几种设计方案中，根据结构的强度、稳定性、功能选择最合适的方案，并对其进行优化。
[制作模型]
模型的制作除结构稳固、外观美观、形式创新外，还应重点关注模型与设计方案是否一致，使用工具是否安全、正确、合理，制作工艺是否精良(连接稳固、表面光洁)。图5—1是利用废旧材料制作完成的立体可移动式衣帽架模型。
[结构试验]
模型制作完成后，我们应将一件件校服挂到衣帽架的结构模型上，来测试结构的功能、强度和稳定性是否达到要求。如果没有达到设计要求，则应查找原因。然后对原方案重新修正及优化。一般来说，常见的问题有两类。一类问题是：挂钩类悬挂结构出现问题，主要是因为结构的连接处强度不够。可以更换挂钩类悬挂结构的材料或者对连接处进行必要的加固来解决这个问题。另一类问题是：结构的稳定性不足，整个倾斜甚至翻倒；或对称地挂2件、4件衣服，但是不能挂1件或3件衣服。遇到这些情况，修正方案时既可以增加结构底部的支撑面，还可以通过增加整体或者底部的重量，来降低重心的位置，以达到更好的稳定性。
四、结构的欣赏：
1、结构的实用性：
优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功能上，也表现在形式上，特别是功能与形式的统一上。
2、经典结构设计的欣赏与评价：
从技术与文化两个角度进行。
技术角度：使用功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料合理性、工艺精湛程度等。
文化角度：文化寓意与传达，美学原则，反映时代、民族、习俗方面特征，个性特征等。
练习：古建筑中的斗拱的作用是为了（ C ）
A、美观 B、个性化 C、承托飞檐 D、承托屋面
练习：这款音乐座椅是一个内置多个扬声器的半封闭式音响系统，里面的卫星音箱以精确的角度嵌入座椅的四周，并且能够通过双向声学阻隔技术将听音者与附近的其他人有效地隔开。躺在里面边听音乐边看书，是一种美妙的享受。请你从功能、结构设计和审美等角度对该椅子进行简单分析

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