工业设计 设计材料基础

1、 材料与结构 学习目标： 1. 材料是形态的基本保证，同时它也在一定程 度上制约着形态。利用材料在材形和材性等方 面的特征，充分协调好材料与形态的关系。 2. 从形态的结构出发，熟练掌握形态与结构的 构性和节点之间的内在关系。 主要内容： 1 材料的种类与材性 1 材料与结构 2 材料的材形 2 材料与节点 3 合理用材 3 结构与构性 5.1 材料的种类与材性 5.1.1 材料的分类 按照材料的形状，分为线材、面材和块材。 按照材料的性能，分为木材、石材、金属、塑料、皮革等。 材料 金属材料 非金属材料 有色金属：铜、铝、镁、镍等，以及它们的合金 黑色金属：铁、锰、铬、钢等，以及铁的合金 有

2、机材料：木材、竹藤、织物、塑料、橡胶等 无机材料：混凝土、玻璃、陶瓷等 5.1.2 材料的材性 材料的材性指材料的物理性能、化学性能以及给人的 心理感受。 5.1.3 金属 1.金属的特性 比重较大，常温下为固态，高温能溶解成液态。具 有较好的延展性和加工性,是电和热的良好导体。 2.金属的心理特性 坚硬、沉稳、冷漠、精密、富贵感。 不锈钢材料 3.金属结构 （1）钢铁结构 稳定性好，抗拉伸、弯曲能力强，加工方便，价格低 廉。在建筑、桥梁、交通工具方面被大规模使用。 埃菲尔铁塔跨海大桥 武汉长江大桥 3.金属结构 （2）轻质金属结构 主要指铝结构、铝合金结构和钛合金结构，质量轻、 牢固、比强度

3、高，被广泛用于飞机、导弹、航天器材、支 架、医疗器械等。 3.金属结构 （3）复合金属结构 金属结构和其他材料结构结合的结构，取长补短，更 具有优势。 5.1.4 木材 1.木材的特性 木材分为边材（周边部分）和心材（中心部位）。 心材材质硬而重，耐朽性好。木材的纹理有粗纹理和细纹 理。木材的颜色多种多样。 木材的纵切面抗冲击力较小，容易变形，韧性较好。 横切面抗冲击力较大，不易变形，但易劈裂。 木材与水的关系。 3.木材的结构 （1）木结构 3.木材的结构 （2）钢木结构 钢木结构可以使两种材料优势互补，通过铰接或铆接的 方式连接。 3.木材的结构 （3）弯曲木结构 利用木材在高温下、高压下

4、可以变形，冷却、减压后可 以定形的特性。具有较好的弹性和韧性，因而称为弹性结构。 5.1.5 塑料 1.塑料的组成和分类 塑料由树脂和其他添加剂共同组成。分为热塑性和 热固性材料。 2.塑料的特性 比强度高，常温及低温均无脆性。弹性和柔韧性好， 耐磨损，抗腐蚀能力强，不受气候变化的影响。 易老化，产生蠕变。 3.塑料的结构 （1）型材结构 塑料型材（或管材）构筑的结构，常用于建筑工程的 管道系统、门窗结构、货柜、楼梯扶手等。造价低廉、安 装方便、材质较轻且有较好的耐蚀性。 （2）模具成型结构 由于塑料的熔点低，液态流动性好，易于模具加工成型。 提高强度，需增加适当的加强筋或凹凸面。 加工成壳体

5、结构，增强其抗冲击能力。 （3）塑料膜结构 将塑料膜热压后，加工而成的结构。占空间小，弹性、 韧性好，质轻，强度高且有不透气性。 承载的力量较小， 易破损，不够牢固，但价格低廉、使用方便，很受欢迎。 5.1.6 橡胶 1. 橡胶的组成和分类 主要原料是生胶。分为合成橡胶和特种橡胶。 2. 橡胶的特性 较好的弹性、伸长性和不透气性、耐热、耐腐蚀、 耐摩擦。但易老化，燃烧时有毒气。 5.1.7 陶瓷和玻璃 1. 陶瓷的分类 陶瓷（广义） 混凝土（水泥、沙子、碎石） 砖及耐火材料 玻璃 陶瓷（狭义） 普通：陶器、日用、建筑陶瓷等。 特种：导电、复合、高温陶瓷等。 2. 陶瓷的特性 耐腐蚀性强，硬度较

6、好，耐磨。但易碎，韧性极差。熔 点高，耐热性好。常用于原子反应堆、火箭堆进器、高温 模具等。 3. 玻璃的特性 分为普通玻璃、加工玻璃和特种玻璃。 透光性好，硬度高，抗弯曲能力差，易碎。经过钢化、 加胶、加丝处理，其抗弯性、易碎性会有很大改善。 5.1.8 织物、皮革的特性 1. 织物、皮革的组成和种类 织物 天然织物：棉、麻、蚕丝等 化纤织物：尼龙布、保鲜膜、化纤地毯等。 混纺织物 皮革 皮草 人造革 2. 弹性织物结构 弹性织物拉伸后产生的结构。质轻、能折叠、便于携带、 张力强。能产生有张力感的曲面或直面，有较强的视觉美感， 可用于建筑屋顶、雕塑和舞美造型。 对支撑的骨架有较高要求，安装时

7、要注意风向。不适合做永久 性结构，但是作为临时结构是非常优秀的。 5.2 材料的材形 5.2.1 材形的含义及分类 材料的可视形态称之为材形。 分为线材（长度非常长，呈线状）、面材（相对于面积 截面很薄的材料）和块材（具有一定体量的材料）。 5.2.2 材形的特性 （1）线材的特性 具有很好的抗拉性能，弹性和韧性，导向性和延伸性。 线材往往以群体的形式出现，受力增强。 线材在造型中起到骨架的作用。 5.2.2 材形的特性 （2）面材的特性 通常具有很好的弹性和柔韧性。立面承受力较大，平面 承受较小的力，但是如果加工成壳体构造或折板构造，其 承受力将会大大增加。 5.2.2 材形的特性 （3）块

8、材的特性 承载能力和抗冲击能力都很强，弹性和韧性较差。常用 作建筑的底座和梁柱，机械设备的底座和汽车的底盘。 5.3 合理用材 （1）因“材”施用 （2）经济用材 （3）加工便利 （4）选用环保材料 5.4 材料与节点 5.4.1 节点的类型 （1）滑接 靠部件的自重和相互摩擦力相互连接，可在水平方向 滑动或滚动。 螺纹连接、滑轨连接、磁性连接、真空压力连接是滑接 的变异方式。 （2）铰接 部件可以绕着节点改变方向，但不能移动的方式。将铰节 点增加一定的活动范围，部件的活动性可以进一步提高。 （3）刚接 完全固定死的连接，牢固性很强，用于永久性建筑和设 施的连接。焊接是刚接的最主要形式。刚接需

9、要部件有一 定的刚性和耐热性。 5.4.2 节点与材料的关系 （1）材性对节点的影响 （2）材形对节点的影响 5.4.3 节点与结构的关系 （1）不同结构其节点也不同。（固定结构采用刚节点， 可移动结构采用铰节点。） （2）合理的节点有助于结构的实施。 （3）节点与加工工艺有关。 5.5 结构与构性 5.5.1 构性 指结构对受力的抵御形式和能力，是结构中起决定性作 用的因素。 （1）结构与自重 为克服自重，结构需要有从下向上承托或从上向下牵拉的 功能，都直接或间接与地面发生联系。 （2）结构与荷载力 荷载力指来源于自重之外的受力。包括承载物的重量，外 界的冲击力，运动产生的惯性及因干湿、冷热

10、变化产生的变形 力等。 5.5.2 结构与形态 （1）框架结构 5.5.2 结构与形态 （2）壳体结构 通过面材表面变形后产生的内应力来增加表面的强度和抗 冲击性，是造型经常使用的结构。 壳体结构被用于汽车、建筑、日用品的外观造型。根据造 型需要，可以加工成半开敞式和封闭式。 5.5.2 结构与形态 （3）配合结构 往往是可开启或拆装的结构，常采用螺扣连接、卡接、磁 性连接、齿接、栓接等方式。 5.5.2 结构与形态 （4）拉伸结构 并非只适用于线材，也适用于面材。被拉伸的材料要具 有较强的韧性和强度，一般与质量较重或完全固定的形态 配合。是一种省材、省力的结构，很受人们青睐。 5.5.3 结

11、构的合理性 （1）必须充分体现构性的作用 一个结构是否合理，关键看是否有效地解决受力问题。 （2）结构与材料的合理匹配 1）结构必须充分考虑材料的材性。 2）结构还需要特别关注材料的材形，不同的材形对 结构有重大的影响。 （3）结构与工艺的相互协调 作业-形态的连接 通过观察和分析不同连接方式的人工形态，创造三种新的连 接方式。 要求： 1. A4纸草绘2至3个方案，取其一作为主选方案，进行模型 制作。 2.连接方式要表现出材料与节点的关系，连接方式新颖、 巧妙、合理，且易于加工。 3. 线材、面材和板材都要涉及到。 4. 一个同种材料，两种不同材料。 最终作业1鸡蛋的包装设计训练 作业内容：

12、选择适当的材料和结构设计一组（两至三种）鸡 蛋的包装造型，画于A4图纸上，并制作出实物。 规 格：形态的尺寸范围不限。 要 求： 1.包装的结构和材料不限，但用料越少越好（质量越轻越 好）； 2.鸡蛋必须能看得见，不能将其全部遮挡； 3.被包装的鸡蛋必须从15米高处自由坠落而不破碎； 4.鸡蛋坠落时速度要快，坠落姿态要美观； 最终作业2纸板椅设计训练 作业内容：充分利用纸板（瓦楞纸）的特性制作一纸扳椅。 作业规格：自定尺寸。 作业要求: 1. A4纸草绘2至3个方案，取其一作为主体作业。 2. 方案设计参考教材192页，每个设计方案都要写设计 说明，表达折弯和结构方法等，造型特点等； 3. 材料合理，能尽量节省材料。 4. 纸板椅必须承受设计者自身的重量。 5. 造型新颖、美观，加工便利，工艺精良。 最终作业3一种用于特殊用途的工具 作业内容：设想你要通过一间地上聚满毒蛇的房间，总之，必须使你的 身体在离地面5cm的高度上安全通过。