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專題五 結(jié)構(gòu)與設(shè)計
知識框架
結(jié)構(gòu)與設(shè)計
認(rèn)識結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)的含義
結(jié)構(gòu)的類型
結(jié)構(gòu)的受力
探析穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性
結(jié)構(gòu)與強度
結(jié)構(gòu)與功能
設(shè)計簡單的結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)設(shè)計案例
結(jié)構(gòu)模型或原型的制作
欣賞經(jīng)典的結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)設(shè)計案例的評價
復(fù)習(xí)要點
1.能從力學(xué)角度了解結(jié)構(gòu)的概念,能對簡單的結(jié)構(gòu)實例進行分類。
2.能結(jié)合簡單的結(jié)構(gòu)案例,分析結(jié)構(gòu)是如何承受力的。
3.理解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)
2、定性的主要因素。
4.將結(jié)構(gòu)的形狀、材料、連接方式等方面對結(jié)構(gòu)強度的影響運用到常見的設(shè)計,并對不同領(lǐng)域中的一些案例進行分析、優(yōu)化和改進。
5.理解結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,能對一個簡單的對象進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,繪出簡單的設(shè)計圖紙。
6.學(xué)會對結(jié)構(gòu)的設(shè)計案例進行評價。
重點提示
1.結(jié)構(gòu)與設(shè)計從空間和力的角度來考慮設(shè)計。從力學(xué)角度看,結(jié)構(gòu)是指可承受一定應(yīng)力的架構(gòu)形態(tài),結(jié)構(gòu)可以抵抗能引起形狀和大小改變的力。
每個物體都有其特定的架構(gòu)形態(tài),一個較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)由許多不同的部分組成、這些組成部分通常稱為構(gòu)件。當(dāng)構(gòu)件受到外力作用時,內(nèi)部各質(zhì)點之間的相互作用會發(fā)生改變.產(chǎn)生
3、一種抵抗的力,稱為內(nèi)力。應(yīng)力是構(gòu)件的單位橫截面上所產(chǎn)生的內(nèi)力,當(dāng)應(yīng)力達到某一極限值時.結(jié)構(gòu)就會遭到破壞。
構(gòu)件的基本受力形式有拉力、壓力、剪切力、扭轉(zhuǎn)力、彎曲力。有時,構(gòu)件可能同時受到幾種不同形式的力的作用。
要注意各種實體、殼體、框架結(jié)構(gòu)的受力特點,及其在設(shè)計中的仿生作用。
2.結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是指結(jié)構(gòu)在外力的作用下維持其原有平衡狀態(tài)的能力。它是結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì)之一,如果一個物體的結(jié)構(gòu)不能有效地抵御常見外力的作用,那么該物體是很難承受負(fù)載而保持平衡的。影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素有多種,對于一個在地面可移動的物體來說,主要是重心位置的高低、結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐而的大小、
4、結(jié)構(gòu)的形狀等。
結(jié)構(gòu)的強度是指結(jié)構(gòu)具有的抵抗被外力破壞的能力。影響結(jié)構(gòu)強度的主要因素是結(jié)構(gòu)的形狀、結(jié)構(gòu)的材料、構(gòu)件之問的連接方式等因素有關(guān)。
3.結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的主要因素有:符合使用者對設(shè)計對象的穩(wěn)定性和強度的要求,安全因素,公眾和使用者的審美需求,使用者的個性化需要,對設(shè)計對象的成本控制要求和一定的使用壽命。
無論是機械產(chǎn)品的設(shè)計還是建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計,人們總是在滿足功能要求的情況下,追求用最少(或最輕)的材料組成結(jié)構(gòu),同時追求結(jié)構(gòu)的剛度或強度的最大化。
不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計.應(yīng)考慮的因素各有側(cè)重,但無論在哪一類用途的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,安全都是至關(guān)重要的因素。
5、 4.結(jié)構(gòu)欣賞主要從兩個方面來考慮。從技術(shù)的角度:結(jié)構(gòu)的使用功能實現(xiàn),結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固耐用.結(jié)構(gòu)造型設(shè)計的創(chuàng)意和表現(xiàn)力,材料的使用的合理性,工藝制造的精湛程度等。從文化角度:結(jié)構(gòu)的文化寓意與傳達,公眾認(rèn)可的美學(xué)原則,反映時代、民族、習(xí)俗方面特征,結(jié)構(gòu)個性特征等。
例題解析
【例l】 吊扇在啟動瞬間,吊桿的主要受力形式有( )
①拉力 ②壓力 ③剪切力 ④扭轉(zhuǎn)力
A.①④ B.①② C.①③ D.②③
(分析) 本題考查“構(gòu)件受力的形式”。構(gòu)件基本受力形式主要有拉力、壓力、剪切力和扭轉(zhuǎn)力等。拉力:物體所承受的拉拽力;壓力
6、:擠壓物體的力;剪切力:兩個距離近、大小相等、方向相反且作用于同一物體上的平行力;扭轉(zhuǎn)力:反方向?qū)ξ矬w兩端均勻施力,使物體發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變的力。很多時候,構(gòu)件可能同時受到幾種不同形式的力的作用,吊扇在剛剛啟動的過程中,吊桿要克服吊扇的拉力、電扇啟動時產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力。 答案:A
【例2】如圖是錢塘江大橋,從結(jié)構(gòu)的形態(tài)來看,橫跨于兩個橋墩之間的橋梁所屬的結(jié)構(gòu)類型是( )
A.實體結(jié)構(gòu) B.框架結(jié)構(gòu)
C.殼體結(jié)構(gòu) D.組合結(jié)構(gòu)
(分析)本題考查“結(jié)構(gòu)的類型”。結(jié)構(gòu)一般分為三種基本類型:實體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、殼體結(jié)構(gòu)。大多數(shù)現(xiàn)代建筑物
7、的結(jié)構(gòu)是由若干種基本結(jié)構(gòu)類型組合而成的。錢塘江大橋的橋墩是實體結(jié)構(gòu),橫跨橋墩之間的橋梁是框架結(jié)構(gòu)。答案:B
【例3】 如圖所示為一張學(xué)生制作的小木凳。小木凳腳架之間采用的連接方式是( )
A.鉚接 B.鉸連接
C.榫接 D.焊接
答案:C
(分析)本題考查“構(gòu)件連接的類型”。構(gòu)件的連接類型比較多,金工有鉚接、焊接、膠接等;木工有榫接、釘接等;按連接后的活動效果.可分為鋼連接、鉸連接。小木凳的四支腳架由幾根橫木段通過榫接而成。
【例4】案例分析題 如圖Z-5-3,從結(jié)構(gòu)強度的角度分析塑料板凳的凳腳設(shè)計成凹凸形狀而不是簡單的平直形狀。
8、
[提示] 塑料板凳的凳腳設(shè)計成半凹凸形,主要是為了提高凳腳強度。
(分析) 本題考查“構(gòu)件的強度與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)”。設(shè)計成凹凸形狀.抗壓強度提高。
自主練習(xí)
一、基本題
1.如圖所示是竹、木混合材質(zhì)的躺椅,其結(jié)構(gòu)類型主要體現(xiàn)為( )
A.殼體結(jié)構(gòu) B.實體結(jié)構(gòu)
C.框架結(jié)構(gòu) D.其他結(jié)構(gòu)
2.一輛汽車停在一座橋上,橋梁承受來自汽車的( )
A.壓力 B.拉力 C.扭轉(zhuǎn)力 D.剪切力
3.一根材質(zhì)勻稱的木質(zhì)橫梁,長2.5m,截面規(guī)格為30cm20cm,兩端架在相距為2m的支撐墻上.如按豎
9、擺和橫擺兩種方式(如圖Z-5-5所示)擺放,則木質(zhì)橫梁的承重(上往下壓)能力( )
A.如甲圖所示豎擺方式承重大
B.如乙圖所示橫擺方式承重大
C.一樣大
D.不確定
4.“康師傅”礦泉水的瓶子外形結(jié)構(gòu)如圖甲所示,A、B兩處是礦泉水瓶殼的不同結(jié)構(gòu).A處有內(nèi)環(huán)圈,B處沒有。則A、B兩處抵抗外界向內(nèi)擠壓(如圖乙)的能力( )
A.A處比B處大
B.B處比A處大
C.不能確定
D.一樣大
5.一顆高4m、樹干直徑約10cm的樹移植到另一處,為了抵消外力對樹的影響,采用細鋼絲或竹竿固定,下列方法最不能達到目的是( )
A.用單根竹竿固定 B
10、.用三根竹竿固定 C.用兩根鋼絲固定 D.用三根鋼絲固定
6. 如圖Z-5-7所示為可移動的籃球架,為了使籃球架前運動員更加安全,現(xiàn)需要增加穩(wěn)定性,實施有效穩(wěn)定性的方法有( )
A.增加底座后部面積
C. 底座后部加重
B. 減輕底座后部質(zhì)量
D.減少底面積
7.古塔一般為磚木結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不是由下列因素決定的( )
A.塔基的面積 B.塔身高度
C.建造塔所用的材料 D.塔周圍風(fēng)的大小
8.評價題 小明設(shè)計了一種日光燈的安裝方案,由于房間層高比較高.為安裝方便,小明采用懸吊方案,設(shè)計圖如右下圖所示.只用一個掛鉤,再通過
11、尼龍繩與日光燈架連接。請指出該設(shè)計的不足之處.并提出改進方案。
9.試驗題 如下圖是學(xué)生用木材制作的衣帽架,連接方式有榫接、釘。根據(jù)設(shè)計要求,高度不低于lm,至少能掛四件衣服(每件約1kg)。現(xiàn)在要測試其穩(wěn)定性,請設(shè)計一個測試方案。
10.分析題 過去農(nóng)村地區(qū)人們用木制水桶在深井打水,常常要在水桶口的邊緣綁上一個小重物,水桶降到水面時能自動側(cè)翻,方便水桶進水.請根據(jù)所學(xué)的知識從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析這一做法。
11.分析題 如圖所示是意大利比薩斜塔。該塔向南傾斜大約5.5.這意味著斜塔第七層的柱子比第一層
12、要探出大約4.5m,但它沒有倒塌。請分析比薩斜塔沒有倒塌的主要原因.
二、拓展題
12.農(nóng)用三輪車在轉(zhuǎn)彎時,由于支撐面積小,比四輪車更易側(cè)翻,為了保證行車安全,一般行駛中應(yīng)該注意的是( )
A.盡量將物品放在兩側(cè)
B.盡量將重物擱在后面
C.彎道上快速行駛
D.彎道上放慢速度
13.材質(zhì)相同、長度相同、截面積相同,但截面形狀不同的直桿件,在桿件兩端分別施加拉力和壓力,則下列說法正確的是( )
A.抗拉能力一定不同,抗壓能力有可能不同
B.抗拉能力一定相同,抗壓能力有可能不同
C.抗拉能力一定不同,抗壓能力有可能相同
D.抗拉
13、能力一定相同,抗壓能力一定相同
14.如圖為一衛(wèi)星整流罩的主視圖。衛(wèi)星整流罩的主要作用是保護衛(wèi)星不受外界影響.免受各種氣動力、氣動加熱的作用。從結(jié)構(gòu)的類型來看,整流罩屬于( )
A.實體結(jié)構(gòu) B.殼體結(jié)構(gòu)
C.框架結(jié)構(gòu) D.組合結(jié)構(gòu)
15.如下靠上邊圖是一張四腳小方凳的直觀圖及視圖,由于天氣干燥,榫接部位松動,出現(xiàn)左右擺動,小明準(zhǔn)備用方木條、鐵釘為原材料.進行加固.如下靠下邊圖所示,效果最好的方法是( )
16.如右圖.椅子的腳粗細不一,一個人坐上去之后,關(guān)于A、B兩處應(yīng)力的
大小,下列說法正確的是( )
A. A處
14、應(yīng)力大.B處應(yīng)力小
B.A處應(yīng)力小,B處應(yīng)力大
C. A、B兩處的應(yīng)力一樣大
D.A、B兩處的應(yīng)力大小不能比較
17.下列因素對鋼筋混凝土電線桿的穩(wěn)定性影響最大的是( )
A.電線桿的直徑 B.電線桿在地面處的截面積
C.電線桿周邊風(fēng)的大小 D.電線桿地下的深度
18.懸索橋上的繩索除了承受自身的重力外,主要是承受( )
A.壓力 B.扭轉(zhuǎn)力 C.剪切力 D.拉力
19.設(shè)計題 如圖所示,一個廠家生產(chǎn)的鐵質(zhì)軸承座的模型,該產(chǎn)品在工作時.軸承座上方圓柱孔受力較小,且孔的內(nèi)壁各處受力
15、最大值相近。由于近年來鋼材價格猛漲,為降低原材料成本,請你對軸承座的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,并將優(yōu)化的方案用草圖表達。
20.分析題 大跨度承受壓力一般用“人”字形梁,其結(jié)構(gòu)形狀如圖所示,主要由四個桿件AB、AC、BC和AD組成,A、B、C為結(jié)點。AD為鋼筋,桿件AB下方由螺栓擰緊。當(dāng)A點承受向下的壓力時,分析“人”字形梁構(gòu)件AB、BC所受的主要外力,說明哪個構(gòu)件更適合用鋼筋。
21.分析題 如圖,路燈立柱與底盤接頭,試分析三角狀筋板的作用。
22.分析題 如圖.馬達通過皮帶帶動軸轉(zhuǎn)動,從力的角度.分析軸AB的主要作用。
專題五
16、 結(jié)構(gòu)與設(shè)計
1.C 2.A 3.A 4.A 5. A 6.C 7.D
8.由于日光燈與掛鉤之間不是采用鋼連接.且只有一個掛鉤,日光燈容易轉(zhuǎn)動,改進方案見右圖。
9.試驗方案可設(shè)計兩塊內(nèi)容:
(1)測試能否達到設(shè)計要求。,根據(jù)設(shè)計要求,衣帽架至少能掛四件衣服(約1 kg),那么在各橫架外側(cè)至少應(yīng)能掛上l kg以上的重物。在衣帽架上方各橫架外側(cè)掛
l kg重物,若翻倒,穩(wěn)定性差,達不到設(shè)計要求。
(2)測試衣帽架能否達到較高要求。如果測試能達到設(shè)計要求,那么可測試衣帽架能否達到更
高的穩(wěn)定性要求,如在各橫架外側(cè)掛5 kg的重物,看結(jié)果能否翻倒。
17、
試驗內(nèi)容
試驗結(jié)果
穩(wěn)定性
1
在上方各橫架外側(cè)掛 l kg重物
2
在上方各橫架外側(cè)掛 5 kg重物
10在水桶口的邊緣綁上一重物,改變水桶重心,降低穩(wěn)定性,使水桶在水面易側(cè)翻。
11比薩斜塔不倒的主要原因是其重心的投影點還落在支撐面內(nèi).其次斜塔本身具有一定的結(jié)構(gòu)強度.可以抵抗因傾斜而造成的彎曲應(yīng)力,
12 D 13.B 14.B 15.C 16 B 17 D 18 D
19.用最少的原材料.并達到設(shè)計要求,這是結(jié)構(gòu)設(shè)計追求的日標(biāo)。對軸承座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有多種方案,右圖是其中一例。
20.構(gòu)件AB所受的主要外力是壓力,構(gòu)件BC所受的主要外力是拉力;鋼筋抗拉能力強,大跨度抗壓能力差,故構(gòu)件BC更適合用鋼筋。
21.電線桿與底盤采用剛連接,由于連接面積小,應(yīng)力大,連接處容易斷裂。加三角狀筋板,主要是提高連接處的強度,更好地抵抗外力。
22.抵抗彎曲(抵抗皮帶上的拉力);傳送扭轉(zhuǎn)力。
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