第一章《结构与设计》520

1第一章《结构与设计》学习材料学习目标①了解结构的含义，掌握常见结构的类型、受力特点、应用场合；②理解结构是为了承受力和抵抗变形的本质，能概括分析结构受力的方法，知道基本构件的特点，理解荷载与结构受力间的关系；③理解应力和强度的概念，知道应力和强度的关系，掌握影响结构强度的因素，理解稳定和结构稳定的概念，掌握影响结构稳定的因素；④掌握结构设计的基本思路，学会简单结构的设计；⑤在掌握典型结构与设计的基础上，了解典型结构设计的欣赏与评价；⑥了解典型结构，能从科学、艺术、环境、民俗角度加以欣赏，从而提高鉴赏能力，培养科学的审美观。学习内容一、初识结构：⒈结构的含义结构是指事物内部的组成、排列及其相互之间的关系。在技术领域，结构是指物体的各组成部分之间的搭配和排列，确定的搭配和排列决定了物体的性质和形态。结构的各组成部分，通常称为构件。例：人体结构，分子结构，阶级结构，文章的结构，汽车结构，桌子结构，地球结构等。结构的本质：物体会受到各种各样的力，结构是可承受一定力的架构形态，可用来抵抗引起形态和大小改变的力。简单地说，结构是为了承受力和抵抗变形，这便是结构的本质。⒉为什么要学习结构？系统的功能对其结构有着绝对的依赖性。所以有人说，结构不仅是事物存在的形式，更是事物特性的依据。在自然界，相同的物质，不同的结构，表现出不同特性的现象处处可见。⑴同样是的水，有液态、气态、固态。⑵同样是碳，但有最硬的固体金刚石和最软的固体石墨存在；⑶化学有机物结构不同性质不同（色素）；⑷同样的六个字“这个人表现好”“这个人好表现”，但因排列不同，就形成了一褒一贬；⑸用同样的材料，做出的结构不同的小板凳就会有不同的特性，有的稳，有的不稳；⑹各种材料组成结构可以使“死的”材料变成“活的”机器。如：发动机、电子计算机……结构不合理就会产生严重的后果，如桥断、屋塌……所以我们应学习结构，将来去创造结构。⒊什么是工程结构？工程结构是指能承受和传递外加载荷的承力系统，包括杆、板、壳等构件及其组合体。也就是说，工程结构可以是单个的构件，如：一根杆，一块板，一条绳，也可以是一个由不同构件组合起来的组合体。如：一座桥，一张桌子，一架飞机等，它们都可以叫做工程结构。技术课主要研究工程结构，简称结构。⒋几个重要概念⑴铰接：桁架全由三角形组成，接头全为旋转接头，称为铰接。⑵架构：物体的主体框架与构造形式。⑶构件：组成结构的各组成部分。可以是一个零件，也可以是多个零件的组合。二、常见结构的类型（从力学的架构与形态考虑）⒈实心结构⑴实心结构通常是指结构体本身是实心的结构。房屋的墙体、水库的大坝、古代的城墙等，都属于实心结构。⑵几何特征及受力：几何外形简单，通常有杆（柱）、板、体等之分。它的受力特点是能承受较大的力，外力分布在整个体积中。⒉框架结构⑴框架结构通常是指结构体由细长的构件组成的结构。教室的门窗常用木框架，蔬菜大棚的棚体、建筑用脚手架、输电铁塔等都是框架结构。⑵组成：由梁、柱、杆、管等组成，也有用板件组成的。这里的杆或板，可以是实心的，也可以是管材。⑶几何特征及受力：几何外形较为复杂，其特点是支撑空间而不充满空间，能承受垂直和水平荷载。依据功能和使用条件的不同，可以设置成不同框架的组合。⒊壳体结构⑴常见物品：饮水杯、文具盒、装甲车、油罐、鸡蛋、西瓜……⑵结构特征：壳体内空时，受力合理、形态稳定。壳的几何形状有折线式（方形、长方形、多边形）的、圆弧形的和拱形的等。⑶受力特点：壳受冲击力时，外力由弧面整体分担承受，抵抗变形。⒋组合结构⑴在日常生活中我们常见的结构大部分都是组合结构，如：大坝都是拱形和实心结构的组合体；圆顶大厦的顶部都是框架结构和壳体结构的组合（又叫球形空间桁架结构）。⑵结构的类型种种：缆索结构、桁架结构、空间桁架结构、球形空间桁架结构等。⑶组合结构的受力：复杂（这是大学结构力学将要学习的）。三、结构的受力㈠作用在结构上的载荷（力）工程结构承受的外力有各种各样，但以它们对结构的影响来说，主要有以下几种。⒈拉力：结构承受拉伸时，作用在结构（经常称为拉杆）上的力是一对方向相反，作用线与拉杆轴线重合的集中力，方向背离杆的底面。其受力实例是吊车的吊绳。G(拉力受力模型)⒉压力：结构承受压缩时，作用在结构（习惯上称为压杆）上的力是一对方向相反，作用线与压杆轴线重合的集中力，方向指向杆的底面。如液压机的顶杆工作时就是受压。⒊剪力：结构在受剪切时，结构所承受的力是分别作用在构件相对的两个面上，方向相反，作用线错开微小距离的两个平行力。连接剪刀两个部分的销钉在剪刀工作时就是承受的剪切力，其受2力模型如图。⒋扭转力：承受扭转的构件一般都称为轴。它承受的外力是一对作用在轴两端面内，转向相反的力偶矩，其受力实例和力学模型如图。⒌弯曲力：承受弯曲载荷的构件，一般称为梁。梁在承受弯曲时，受力情况比较复杂，其中一种载荷叫做弯矩。它是作用在过梁的轴线且与横截面垂直的平面内的力偶矩。其作用力是使梁产生弯曲变形。㈡结构受载荷实例任何结构承受的外载荷，都是拉、压、剪、扭、弯中的一种或几种的组合。工程结构的主要功能就是承受和传递各种形式的外载荷，保证结构的可靠工作。⒈秋千的吊索，主要承受拉力；⒉桥梁的桥墩，主要承受压力；⒊连接齿轮和轴的键，主要承受剪力；⒋汽车方向盘的轴，主要承受扭力；⒌单杠的杠体（上面的横杠），主要受弯力；⒍吊扇旋转，吊杆主要受扭力和拉力；为了保证结构的正常工作，这些构件必须有对于主要载荷的足够的承载能力。这是结构设计中必须考虑的重要问题。㈢典型结构分析⒈单杠结构分析⑴各部分名称：杠体，立柱和拉杆。（为什么做成这样的结构？）⑵杠体的受力与变形：杠体总是朝着人体所在的瞬间位置的方向上发生弯曲。——弯曲力⑶立柱、拉杆的受力与变形：立柱：静止时受压力；当人在运动时，对立柱产生弯矩M，使立柱弯曲变形。——怎样做才能保持单杠稳定？拉杆：人在运动时，拉杆起到辅助立柱抗变形作用。⒉棚室屋架结构分析⑴棚室荷载与立柱受力：永久性荷载（不随时间变化而变化的荷载）和可变性荷载（随情况变化而变化的荷载）。⑵梁的受力：梁的上部，受压力，材料被挤压；下部，受张力，材料被拉伸。防止弯曲变形大的方法：增加支撑点。⑶拱结构的应用拱结构：中间高四周低，呈弧形的曲面。应用：在跨度较大的情况下，建筑物多采用拱结构。这样的结构既有利于承载，又美观。三、结构的强度与稳定性㈠结构的强度⒈应力与强度⑴内力：外力使构件发生变形的同时，构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力。⑵应力：作用在单位面积上的内力称为应力。σ=N/S式中，N为内力，单位为牛，S为构件截面积，单位为平方米。应力σ的计量单位为Pa，通常用MPa。⑶通常，物体结构抵抗变形的能力，都以强度表示。而用应力来衡量强度，即科学又准确。⒉影响结构强度的因素：①形状；②材料；③材料的连接方式。㈡结构的稳定性⒈什么是稳定？稳定指的不是状态绝对不变，而是指受扰后，允许状态有所波动，但当扰动消失后，能重新返回到原平衡状态，则为稳定。不能回到原有平衡状态，为不稳定。⒉结构稳定的含义稳定性和强度一样，也是物体结构的重要性质。结构具有阻碍翻倒或移动的特性，就是结构稳定性。（如不倒翁、大坝等）⒊影响稳定性的因素⑴结构的形状：结构形状不同，其稳定性也不同（“A”字型金字塔、堤坝等）。物体的重心若超出其支撑面，则要翻倒，即失稳。⑵重心的位置：作用在物体重心上的重力，总有将物体的重心尽量拉近（吸向）地面的趋势。所以重心越低越稳。⑶结构的底座：结构与地面接触所形成的支撑面越大越稳定。⑷材料：材料也会影响结构的稳定性。㈢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。结构的改变可能导致功能的变化。不同结构的物体其功能不同，这是我们认识结构的关键。事实上，物体的结构是由物体的功能和需要决定的，而物体的结构又决定了物体的性质和形态。认识几种工具的结构：活口扳手，手锤，管钳，喝水杯，书本……四、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。3⒈结构设计应考虑的主要因素人们设计结构是为了完成某种任务或满足特定的需要。在进行结构设计时，必须明确设计的目标和要求，必须抓住主要因素展开工作。⑴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。⑵结构设计应考虑的主要因素：①符合使用者对设计对象的稳定性和强度要求；②安全因素；③公众和使用者的审美需求；④使用者的个性化需要；⑤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。⒉简单结构的实际案例⑴结构的设计一般有以下步骤①设计项目；②设计要求：达到什么样的功能，具有一定的稳定性和强度，装饰性，尺寸要求等；③设计分析：分析结构的组成部分、连接方式等；④设计准备：所用材料、工具等；⑤设计方案：可形成几种方案。⑵几种典型案例①简易相片架的设计。②壁挂式简易衣帽架原型设计与制作。③秋千模型结构设计。五、欣赏和评价典型结构设计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。赏析结构设计作品，可以从技术与文化两个角度进行。技术角度主要有：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。文化角度主要有：结构的文化寓意与传达；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。六、热点问题⒈北京奥运主会场结构设计，各种体育场馆的结构设计。⒉三峡工程结构设计。⒊现代家具结构的设计。七、练习题目⒈填空：在工程中，结构分为________、_______、_______三种最基本的类型；影响结构强度的主要因素有__________、_________、__________；影响结构稳定性的主要因素有__________、_________、____________________、结构的底面积。⒉分析下列物体的结构类型，判断哪一个不属于壳体结构。A．西瓜B．圆形陶瓷饰品C．贝类D．金字塔E．椰子⒊我们常用的“A”形梯不采用铝合金片状构件，而采用长方形截面的构件。这说明下列哪个因素影响着结构强度？（）A．材料B．形状C．构件D．连接方式⒋空间桁架结构又叫（）结构。A．缆索B．铰接C．球形空间D．立体桁架⒌空间桁架由大量三角形构成，这是利用了三角形的（）。A．稳定性B．材料C．强度大D．面积大⒍以下哪种结构是受自然界对结构设计形状的启发而产生的？（）A．电灯泡B．乒乓球C．飞机的机翼D．篮球架E．钢笔F．潜艇G．课桌H．桥梁⒎分别在一根竹竿和一根同样尺寸的脆性塑料杆子上不断加挂相同质量的重物，竹竿比脆性塑料杆能挂更多重物而不会断裂，说明了（）影响结构的强度。A．材料B．结构的形状C．构件横截面形状D．构件的连接方式⒏在自行车家族中，有性能各异的不同车型。如装有辅助小轮的童车，双梁载重车，弯梁女式车，双座双蹬的双人车等，这些特殊功能的实现，是因为设计者改变了（）A．车的自重B．车的材料C．车的结构D．车的大小⒐家用落地风扇的底座一般做的比较重，这是为了（）A．增加风扇的强度B．增加风扇的稳定性C．安装电线的需要D．更加美观⒑某些支撑阳台的梁做成如下图标所示形状，这主要是出于对（）的考虑。A.美观B.强度C.安装D.稳定性⒒在日常生活中，你所见到的以下哪一个结构是