高一通用技术《结构与强度》典型案例分析

1 / 11高一通用技术结构与强度典型案例分析本资料为 WoRD 文档，请点击下载地址下载全文下载地址 高一通用技术结构与强度典型案例分析结构与强度-从实际走向教学彭 xx（xx 第二师范学院，副教授）本讲座首先通过一些典型的事例，载人潜水器“蛟龙号”入海挑战新突破、建筑预制件抗形变特性、各种大型纸结构，承重测试来了解在具体实际技术活动中，和结构与强度有关的知识。然后，再通过若干教学实录片段，考察在通用技术课堂教学中，学生是如何开展与“结构与强度”相关的试验探究和制作活动的。首先，让我们看看大抢风头的中国载人潜水器。载人潜水器“蛟龙号”入海挑战新突破，对未来“蛟龙号”运载工程技术人员进入深海工作提供了可能。例如，在海山、洋脊、盆地等复杂海底进行有效海洋科学考察任务，开展深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测、深海海底施工和打捞等。现在中国深海载人潜水器虽然在试验阶段，但是它显示了有向海洋进军、向远海进军、向深海进军的实力。蛟龙号新突破：在今天的凌晨 3 点，中国载人深潜进行了 5000 米海试，蛟龙号成功下潜。5 点 26 分左右，蛟龙号成功实现深潜深度米，平均下潜速度达到每分钟 32 米。期间蛟龙号传回了2 / 11深海的画面以及舱内三名乘员的合影等照片。今天凌晨 3点，中国载人深潜进行 5000 米海试。蛟龙号成功下潜。凌晨 5 点 26 分左右蛟龙号到达今天最大深潜深度米，平均下潜速度达每分钟 32 米，一举突破去年创造的 3759 米记录。期间蛟龙号传来了深海的画面，及舱内三名乘员的合影等照片。7 点 45 分，蛟龙号成功浮出水面。8 点 10 分左右，蛟龙号搭载的 3 名乘员顺利出仓，返回向阳红 9 号母船。这也意味着经过 5 个多小时的作业，蛟龙号 5000 米首次试水的圆满成功。按计划，在此次为期 47 天的 5000 米海试任务中，蛟龙号将执行 4 次下潜，预计在接下来的第二次下潜中，蛟龙号将冲击 5000 米深海。第三次下潜将执行海底作业任务，第四次再次冲击 5000 米。蛟龙号是我国第一台自行设计，自主研制的载人潜水器。7 月 1 号，蛟龙号伴随向阳红 9 号母船从江阴启航，奔赴东太平洋执行此次5000 级海上深潜试验任务，为下一步 7000 米试验奠定坚实的基础。彭 xx：如果到达 7000 米深度，潜水器手掌大小的面积将承受 70 多吨的压力，这对潜水器抗压是一种考验。 “潜水器大部分结构由钛合金构成，在潜水器外表加装的是 70 多毫米的钛合金壁，能够抵挡住超高压。耐高压结构是载人潜水器上的一个关键核心技术。蛟龙号演示动画：3 / 11对于在深海作业的蛟龙号来说，蓄电池即便没电，还可以通过无动力的方式上浮。而真正可怕的是来自深海的巨大压力所带来的危险。在海中，每下降 10 米，压力会增加一个大气压。这个到 6000 米的时候身上就等于有 600 个大气压，就相当于 1 平方米的面积上有 600 吨的压力。你想想在这个上头的压力有多大。这是一种怎样的力量？它可以迅速将我们常见的东西切断，压扁。蛟龙号必须保证在这样特殊的环境下还能正常作业。而在驾驶舱里还有 3 名工作人员。如果舱里面有一点进水，巨大的压力就会迅速威胁到 3 个人的生命安全。那么，蛟龙号是用什么办法来解决抗压的问题的呢？所以一般来说深潜器的耐压艇体都做成球形的。这样各方面的压力是均匀的，能使深潜器下潜到比较深的深度。而且要采用高强度的钢来制作，这样能够经受住比较高的高压。除了高强度的钢，蛟龙号还采用了钛合金材料。钛合金独特的抗压性成为了蛟龙号外衣的首选。除此之外，蛟龙号很多零部件都需要安装在体外。工程技术人员要把蛟龙号所有的设备放在压力桶里反复加压试验，模拟深海中的外压环境，以确保所有设备工作正常。最后所选的材料才能接受深海的检验。彭 xx：我们关心结构与强度问题时，往往关心结构材料抗形变特性：结构的强度与结构采用的什么材料制作密切相关。在这里我们看看两个典型材料及其强度的关系事例。4 / 11第一个事例是抗震建筑预制件，属于钢筋混泥土结构。第二个事例是玻璃显示屏抗弯曲变形特性是试验。通过这两个具体的事例，理解结构与强度的关系都与所使用的材料有密切的关系。新型多螺箍筋工艺是台大尹衍梁教授于2002 年所发明的，故又名尹氏螺箍(yinSpiral),适用于建筑物机构柱。其优异的设计效果不论是在轴压或反复载重下，都可获得较传统方柱箍更佳的抗压性和韧性。台湾的经验表明，这种工艺最多可较传统方箍减少 51%之箍筋费用(工料)，整体而言最多可节省 25%柱筋费用(工料)。因此通过此项开发，不仅使材料的成本费用降低，而且提升了建筑物整体的质量。XX 年台湾润泰集团宣布：将新型多螺箍筋专利工艺无偿提供给大陆建筑业同行使用。抗震建筑预制件：这里经常被自然界最具破坏性的力量袭击，那就是地震。我们每年有 200 次左右的 5 级地震。至于 6 级地震，根据我们的记录，每年也有 3 到 4 次。台湾在地质上的不稳定性源于它在地壳上的位置。它正好位于欧亚板块和菲律宾海板块之间的断层线上。这两大板块间的相互作用造成巨大的冲击波，引发台湾地区的多次地震。地震可怕的威力直接威胁到人口稠密的城市。许多建筑物的牢固程度是不足以抵挡地震的。横梁或者立柱会断裂，甚至会导致建筑垮塌，造成人员伤亡。1999 年 9 月 21 日，台湾最可怕的噩5 / 11梦变为现实。一场超过里氏 7 级的大地震袭击了集集镇，甚至连台北也有震感。结果有两千多人丧生。这场被称为集集大地震的灾难给台湾的基础设施造成了近 100 亿美元的损失。建造结实的建筑物如今在台湾成了当务之急。政府部门和高等学府开始寻求加固建筑物的办法。造价数百万美元的标志性建筑如台北 101 大厦不惜工本要以最先进的抗震设施加以保护。大家都在研究独特的解决方案。其中一位是尹衍梁博士。 “921”当然非常非常震撼人。我觉得很悲哀。如果选一个好的工防，好的材料，好的管理，地震来的话，学校的损失可以降到最低。尹博士很快找出了建筑物面对地震时不堪一击的源头。那就是立柱与横梁。地震中它们遭到横波袭击发生位移，钢骨架发生严重变形，导致混凝土主体四分五裂。一旦立柱与横梁垮塌，它们所支撑的建筑物也就完了。你看这里面这个，它这是传统的箍筋，压的时候它整个都弯折、变形、爆开来了。这样的话房子就要垮了，它的腿骨都断掉了。尹博士的办法是用独特的环状结构取代传统的换装箍筋。他把它称为尹氏螺箍。在地震中，螺旋箍筋要比方形的结实一倍。同时它更能均匀地分散能量，保护周围的混凝土，支撑建筑物，防止垮塌。圆的东西的维数强度是方的东西的维数强度的两倍。用量可以减少一半，少用钢就等于节能省碳。然而要把设计转变成现实就没那么容易。通常工程需要露天作业，6 / 11受到反复无常的天气影响，还容易造成认为疏忽。尹博士只能求助于神奇的预制件，一种更快捷更精准的替代手段。跟传统的工程不一样，预置安装在室内进行，不受天气影响，工程因而更快更有效率。预置结构件完成之后，再进行实地快速安装，就好比用快动作拼装一套巨型乐高积木一样。它这个过程就是一些列地分割开，然后再组合起来。尹博士认为他已经找到了最佳的方案，他建起了台湾最大最先进的预制件工厂。占地相当于 10 个足球场，效率非常高，工厂一年能生产 10 万立方米的混凝土预制件。让任何人盖都需要一整年的时间，但是我们只花了 108 天。工厂最大的挑战是什么？就是为形状结构不同的建筑物度身订做不同的预制件。一座造价 10 亿美元的高科技工厂，一座能容纳 22000 人的体育馆，以及一幢 38 楼的住宅楼。彭 xx：iPad2 代的玻璃厚度比 iPad1 代减少了 27%，这让人很当心其强度。这里的玻璃指的不是液晶显示屏，而是覆盖 iPad 显示屏外层的玻璃触控面板，一代 iPad 掉到地板上的时候，这块玻璃经常会破碎。对比测试表明，较厚的玻璃反而会脆弱一些。这是为什么呢？这与玻璃的材料和加工工艺有关。一般来说，玻璃破损主要是张力破坏，不是压力破损，所以弯曲是主要矛盾方面。弯曲导致平板玻璃较大的变形。刚性结构的变形量可用“扰度”来衡量，如果扰度过大，将导致平板玻璃破坏。平板玻璃能忍受的7 / 11扰度大小，与平板玻璃承载状态有关。平板玻璃承载状态一般有两种：一是四边支承，适用于有框门窗、幕墙。第二种是二对边支承，如玻璃门等。iPad 显示屏玻璃的承载状态属于第一种：四边支承，其能忍受的扰度会比二对边支承好。此外，平板玻璃能忍受的扰度大小还与玻璃热应力和玻璃间隙等因素相关。iPad 玻璃对比：iPad1 和 iPad2 对比测试。彭 xx：作为日常经验，我们对纸张性能的认识是柔弱。如何想到用纸张来做承重结构？纸质承重结构有何用途？这种结构能承受多重？如何来设计承重纸结构？这些都是越来越引起人们的关注的问题。讲到纸结构，先讲一个“纸筒建筑材料”的故事：一次，一个年轻人为一位现代建筑大师布展。大师喜欢使用木头，这是大师展会的一个特色。可是年青人发现，大量使用木头，成本高，且浪费。有什么材料可以代替木头，又有木头的温馨感呢？年轻人坐在办公室冥思苦想。房间墙角堆放的废弃绘图纸和传真纸的纸筒芯，吸引了他。 “这正是我想要的，它们无毒、便宜、可循环使用，我要用它来代替木头。 ”从那以后，年青人开始对纸的强度进行研究，将纸筒作防水、防火处理，并进行加固。在严格的强度测试之后，纸筒解决了耐久性等问题，完全可以替代钢筋水泥。1993 年， “纸筒建筑材料”被正式认定为建筑物的构件。8 / 11世博会上的纸建筑：在汉诺威世博会，以可持续发展理念为特色的一批生态型展馆脱颖而出，其中日本馆是建筑史上规模最大，重量最轻的纸造建筑。它的骨架全部由再生纸管构成，而覆盖墙面和屋顶的是一层半透明的再生纸膜。主厅圆拱形结构，由 440 根直径厘米纸筒呈网状交织而成，体现了日本传统住宅中的障子，即木格纸窗的形象。屋顶与墙身浑然一体，顶棚表面是由织物和纸塑料材料制成的半透明薄膜，可以经受各种天气的考验，同时又能让自然光进入室内，形成柔和的室内环境。这个纸本身就是利用再生纸做的，然后在世博会之后纸还全部运回日本，再生作为日本学生教科书的材料。这等于是在世博会上没有产生任何不可再生的东西。日本馆的设计师阪茂给我印象很深。他有一个基本的理念，就是建筑师要对世界负责。1995 年日本神户大地震的时候，阪茂仅仅用了 1 天的时间就用失去了家园的灾民盖了一座纸筒教堂。他说，地震本身不杀伤人，但是建筑物的倒塌会造成伤亡。由于不同的人为因素使得灾害变得更大更多。在建筑界，阪茂以敢大胆地使用最廉价和最脆弱的材料而闻名。他提出来要用传真纸筒芯来代替钢筋混凝土的想法。对于阪茂来说，像硬纸管、竹子、泥砖和橡胶树全部都可以用来盖房子。这些材料不但便宜，而且容易得到，也可以反复用。XX 年他用中国竹编帽子设计的9 / 11法国蓬皮杜中心新馆从 153 名竞争对手当中脱颖而出。XX年 48 岁的阪茂获得了第 40 届托马斯杰弗逊建筑奖章，这个奖项的委员会主席赞扬阪茂说他用最廉价的原料和最简单的样式给与了穷人尊严和希望。彭 xx：既然纸结构有这么多的优点，作为学生，有必要了解这种建筑材料。了解纸结构的一种方法是通过制作纸结构的活动，认识纸结构。纸桥过车：12 天内，用 6 吨报纸和 8 桶胶建起一座真正的纸桥，并尝试将汽车开过桥。彭 xx：许多实用结构的用途都是用于承重的。结构的生产厂家和顾客都关心结构的承重是否可靠，这涉及到结构、材料和使用条件的问题。一种常用的方法就是用过负荷的承重试验来说明问题。第一只购物用牛皮纸袋，那是一种预制好的袋子，成本低廉，且具有一定的承重能力。在下面播放视频中，牛皮纸袋的提手部分也是纸袋的加强筋。纸袋能否承重 8 瓶矿泉水的重量呢？也就是约 5kg 的重量，就用试验来检测吧。 （纸袋承重试验）彭 xx：家具厂生产一张塑料凳子，能承重多少呢？也来做一个试验。凳子承重测试：试验员 A：会不会太快？还是再用力一点？10 / 11试验员 B：再用力一点。试验员 A：这样就很用力了。试验员 B：好，那我就再量一下外面先。先看一下外观，没有变化过啊。试验员 A：应该是不会有什么很大的变化。试验员 B：你帮我打开一下看看，谢谢。彭 xx：1 平方米的竹胶板，承重最大还不是重要的，重要的是要知道能否承受一定的重量，比如说，能否承重1100kg，这也要用试验数据来说话。胶版承重测试彭 xx：刚才看过了大学生制作纸结构的活动，现在，回到中学教学，看看通用技术的教学活动，看看与纸结构相关的一些教学场景。与纸结构相关的教学活动通常有：“纸结构承重试验”和“纸桥设计与制作” 。前者由于着重于操作学习，用的材料和工具是学生熟悉的，试验步骤往往又是事先安排好的，于是，成功率高。而后者虽然使用的材料和工具与前者相同，但着重于设计，或者说鼓励学生采用有特色的方法制作纸结构，后者的课堂实验成功率低于前者，应适当安排课