结构与设计复习

一 、常见结构的认识

1.无处不在的结构

世界上任何事物都存在结构,结构多种多样且决定着事物存在的性质。 结构(structure):是指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。 通过对自然界中形形色色的结构的分析和研究，给了人们无限的创造灵感和启示。

案例分析:?苍耳子与尼龙搭扣 P3 ? 鸟与飞机 P3

?鹰眼与导弹跟踪系统 P3

根据鹰眼的结构,人们正在研制“ 鹰眼”导弹系统。这种导弹系统能自动寻找、识别目标并跟踪攻击。

阅读案例:魁北克大桥的坍塌。P4 大桥坍塌的原因是什么,擅自改变桥的结构。 在社会领域,也普遍存在着结构现象。

一篇文章的内容结构影响文章的表达与质量, 一家企业的人员结构关乎企业的运行与效率。

2.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。

每个物体都有它的特定的架构形态，这种架构形态体现着它的结构。 物理学与通用技术研究力的角度不同,物理学往往研究外力,把物体当质点,哪怕是地球,在研究它绕太阳转动时,仍把它当作质点。

而技术学则关注一个物体内部受力情况。

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上所产生的内力。当应力达到某一极限值时，结构就会遭到破坏。用公式表示应力为:σ=F/s，其中F是内力，S是受力面积，σ是应力。

构件的基本受力形式:拉力、压力、剪切力、扭转力和弯曲力。

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拉 力 物体所承受的拉拽力

压 力 挤压物体的力

两个距离很近 ,大小相等,方向相反,且作用于同一物体上的剪切力 平行力

扭转力 反方向向物体两端均匀施力 ,使物体发生扭转形变的力 弯曲力 作用于物体 ,使它产生弯曲的力

案例分析: 探究:看右图说明石磨的推杆为什么要用一根绳子吊起来, ,.结构的类型: 实体结构、框架结构、壳体结构

实体结构:结构体本身是实心的。它的受力特点是:外力分布在整个体积中，如实心墙，大坝。

框架结构:结构体由细长的构件组成的结构。受力特点:支撑空间而不充满空间。如铁架塔，建筑用脚手架，厂房的框架。

壳体结构:通常是指层状的结构。受力特点是:外力作用在结构体的表面上，如摩托车手的头盔，飞机的外壳，贝壳。

二、稳定结构的探析

1.结构与稳定性

(1)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。 例如:台风过后，东倒西歪的广告牌或标牌;因货物堆得过高而弯道处返倒的三轮车;路边倒地的自行车等。(因为当物体受到外力作用时，原有的平衡状态被打破而出现的不稳定现象。)

结构的稳定性是结构的重要性质之一。如果一个物体的结构不能有效地抵御常见外力的作用，那么该物体是很难承受负载而保持平衡的。

(2)影响结构稳定性的主要因素

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和结构的形状等。

1.重心位置的高低

重心越低,稳定性越好;重心越高,稳定性越差。

结构重心所在点的垂线是否落在结构底面的范围内，落在就是稳定的，没有就是不稳定的。

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,.结构的底座，结构与地面接触所形成的支撑面的大小。

支撑面越大越稳定，越小越不稳定。如:高塔的共同特点都是上端小而下端大。 ,.结构的形状

结构的形状不同，其稳定性也不同，如板凳只有两条腿就不稳定，而有不在同一条直线上的三条腿就有比较好的稳定性。

往往，影响结构稳定性的因素是相互关联的，需要综合考虑各种因素来讨论结构的稳定性。

案例分析:看右图比萨斜塔，他为什么斜而不倒,,

注意:

?运动状态下与静止状态下物体的稳定条件有所不同。如:自行车，高空走钢丝手持长杆。

案例分析:静态的自行车是如何保持稳定的,

?材料也是影响结构稳定性的因素。如:汽车的车体采用壳体结构和薄钢板材料制造，是因为壳体结构表面能分散所受的力，薄钢板使车体质量较小 探究:

?自行车骑起来时，只有两个支撑点，为什么不会倒下呢,

?静止状态下陀螺会倾倒，而当它高速旋转时却可以立起来, 结构的稳定性在日常生活中有着广泛的应用，一方面人们利用稳定的结构抵抗外力、承受负载，另一方面又利用不稳定的结构实现某些功能。 如:倒置的啤酒瓶可以预报地震:在打水的桶口边挂一重物，在水面时能自动翻倒打水。

2.结构与强度

(1)结构的强度:是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。

如:在拔河比赛中，绳子被拉断了，说明绳子不具有抵抗两队拉力的能力;6级地震中一幢小楼倒塌了，说明这座小楼不具有抵抗6级地震的能力。 (2)影响结构强度的主要因素:

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结构的强度与结构的形状、使用的材料、构件之间的连接方式等因素有密切的关系。

案例分析:强度

不同形状的结构有着不同的强度。例如:吊兰支撑架使用三角支架结构，而不使用由一根直杆挑起的结构;在建筑物两根平行支撑柱之间增加一根斜柱;A字形梯子不采用铝合金薄片，而采用长方形截面的构件。这些都是为了增加结构的强度。

材料方面:吊兰的三角形支架使用的是钢管而不是木条或塑料，是因为钢管抗拉力性能好。

连接方式:吊兰的三角形支架的构件是焊接的而不是捆绑的，是因为这种连接方式更牢固。

?结构的形状: 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。

?结构的材料与连接:不同材料构成的结构，其强度各不相同。 一个坚固的梁的材料必须具有好的抗拉力、压力、剪切力和扭曲力的性能，所以，梁通常由不止一种材料制成。如一根混凝土梁含有加固钢筋，混凝土擅长抗压力，而钢筋擅长抗拉力，它们共同形成了非常牢固的结构。

结构构件的连接通常有两种:

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，具体有松螺栓、松铆等。如:折叠伞伞骨间的连接、门与门框的连接等。 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，具体有榫接、胶接、焊接等，如:固定铁床架的连接、不可移动的桌腿与桌面的连接等。 3.结构与功能

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。结构的变化可能导致功能的变化。

案例分析:伞与拐杖 多用起子 案例分析:自行车的结构与功能 P21 三、简单结构的设计

结构设计对于我们的日常生活、对于各种各样的生产活动都非常重要。日常生活中，没有丰富的结构设计，产品将会造型单一、功能单调, 那些大型建筑物、交通运输工具等更是无法产生，生产活动中，产品制造技术、结构安全性及耐久性评估、维修加固技术等，都离不开结构的设计和研究。

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1.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

结构设计应考虑的主要因素有: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等。

在工程的结构设计中，应考虑结构的安全性、适用性和耐久性。在考虑结构的稳定性和强度，使结构在规定的条件下和规定的使用期限内，能实现一定的功能的同时，还要考虑经济因素，如做到用料省、成本低等，也就是说，力求以最低的成本使所建造的结构达到预定的要求。

不同的结构设计，应考虑的因素各有侧重，但无论在哪一类用途的结构设计中，安全都是至关重要的因素。在结构设计中还有一些需要考虑的因素，如材料、民俗文化、地域特点等。

案例分析:户外广告牌结构设计中的抗风问题 P25

2.简单结构的设计案例

以简易相片架为例说明简单结构的设计过程与方法。案例分析:简易相片架的设计

四、经典结构的欣赏

1.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。古今中外许多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起来，形成了一些经典的结构。

2.赏析结构设计作品,可从技术与文化两个角度进行。

(1)技术的角度主要有:结构功能、稳固耐用、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)文化的角度主要有:文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征、结构的个性特征等。

案例分析:赵州桥 P30 案例分析:飞檐 P31 案例分析:蛋形椅 P32 技术角度:1.功能:2.结构设计:3.技术施工:

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