结构与设计-唐

1、普通高中通用技术课程必修普通高中通用技术课程必修第一章第一章渝中区普通高中通用技术实训中心渝中区普通高中通用技术实训中心一、认识结构一、认识结构 结构普遍存在于自然界的物体中，也存结构普遍存在于自然界的物体中，也存在于人类创造的各种物体中，形式多种多样。在于人类创造的各种物体中，形式多种多样。 结构：指事物的各个组成部分之间的有结构：指事物的各个组成部分之间的有序搭配和排列。序搭配和排列。( (广义广义) ) 结构给人们无限的创造灵感和启示结构给人们无限的创造灵感和启示, ,通过对自通过对自然界中结构的分析和研究然界中结构的分析和研究, , 人们将其成果应用到技人们将其成果应用到技术领域术领域

2、, , 更好地服务于人类。更好地服务于人类。 苍耳子与尼龙搭扣苍耳子与尼龙搭扣自然界结构给人的启示自然界结构给人的启示鸟与飞机鸟与飞机鹰眼与导弹跟踪系统鹰眼与导弹跟踪系统 生产生活中还有哪些产品的结构是受到自然界生产生活中还有哪些产品的结构是受到自然界事物结构的启发而设计出来的事物结构的启发而设计出来的呢呢？潜水艇潜水艇、蜂巢轮胎蜂巢轮胎蜂巢轮胎蜂巢轮胎蜂巢轮胎蜂巢轮胎、城市交通网络、城市交通网络技术领域各种各样的结构二、结构与力二、结构与力都有一定形状都有一定形状2.2.都承受外力作用都承受外力作用3.3.都具有抵抗形变的能力都具有抵抗形变的能力分析椅子和桥的共同之处分析椅子和桥的共同之处:

3、 : 从力学角度来说从力学角度来说, , 结构结构是指可承是指可承受一定应力的受一定应力的架构形态架构形态, , 它可以抵它可以抵抗能引起形状和大小改变的力。抗能引起形状和大小改变的力。 用工具：（用工具：（1）刀切开）刀切开 （2）剪刀剪开）剪刀剪开 空手：空手： （3）掰弯）掰弯 （4）扭断）扭断 （5）拉断）拉断物体的受力1.1.拉力拉力2.2.压力压力3.3.剪切力剪切力4.4.扭转力扭转力5.5.弯曲力弯曲力A A. .作用于物体，使它产生弯曲作用于物体，使它产生弯曲的力的力B B. .两个矩离很近，大小相等，两个矩离很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物体方向相反，且作用于同一物

4、体上的平行力上的平行力C C. .挤压物体的力挤压物体的力D D. .物体所承受的向外拉拽的力物体所承受的向外拉拽的力E E. .反方向向物体两端均匀施力，反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力使物体发生扭转形变的力 按物体的结构形态在受力时按物体的结构形态在受力时承受力承受力和和传递力传递力的方式的差别可以分为：的方式的差别可以分为：三、结构的分类三、结构的分类实体结构实体结构壳形结构壳形结构框架结构框架结构实体结构实体结构 结构体本身是实心的结构。其受力特点是外力分结构体本身是实心的结构。其受力特点是外力分布在整个体积中，如墙壁、柱子、实心球等等。布在整个体积中，如墙壁、柱子、实

5、心球等等。 结构体由细长的构件组成，其特点是支撑空结构体由细长的构件组成，其特点是支撑空间却不充满空间间却不充满空间，如窗户、画框、房子的架构，如窗户、画框、房子的架构、建筑用脚手架、厂房的框架等等。建筑用脚手架、厂房的框架等等。框架结构框架结构 壳壳形形结构是指层状曲面的结构结构是指层状曲面的结构。壳形结构通过壳形结构通过壳形来传递力和承受荷载，特别是当壳形顶部爱到壳形来传递力和承受荷载，特别是当壳形顶部爱到压力时，它能将力均匀压力时，它能将力均匀扩散扩散。壳形结构壳形结构物体结构物体结构实体实体结构结构框架框架结构结构壳体壳体结构结构组合组合结构结构栅栏栅栏圆形陶瓷装饰品圆形陶瓷装饰品冰山

6、冰山高层建筑的穹顶高层建筑的穹顶钢化玻璃锅盖钢化玻璃锅盖竹排竹排水库大坝水库大坝人的头盖骨人的头盖骨古罗马斗兽场古罗马斗兽场四、结构的稳定性四、结构的稳定性探究：哪种状态探究：哪种状态下的矿泉水瓶更下的矿泉水瓶更稳定？稳定？定义：结构的稳定性是指结构在定义：结构的稳定性是指结构在荷载荷载的作的作用下用下维持其原有维持其原有平衡状态平衡状态的能力。的能力。 静止或匀速运动静止或匀速运动外力外力探究活动探究活动1 1：A A形梯形梯A形梯为什么能够保持稳定？形梯为什么能够保持稳定？如果没有梯子中间的拉杆将会怎么样？如果没有梯子中间的拉杆将会怎么样？ 结论结论1 1：结构的稳定性与结构：结构的稳定性

7、与结构的几何形状有关（三角形结的几何形状有关（三角形结构使支架更容易稳定）。构使支架更容易稳定）。影响结构稳定性的主要因素影响结构稳定性的主要因素三角形的稳定性在生活中有哪些应用？三角形的稳定性在生活中有哪些应用？重庆嘉陵江大桥重庆嘉陵江大桥主桁梁呈三角形主桁梁呈三角形空调室外机脚架空调室外机脚架呈三角形呈三角形静止状态的单车如何保持稳定？摄像机脚架常用三脚架？为什么大坝的横截面为什么大坝的横截面总是建成梯形的？总是建成梯形的？为什么许多课桌椅的为什么许多课桌椅的支撑脚要做成往外倾支撑脚要做成往外倾斜的？斜的？探究活动2：搭桌子分别搭建ABC三种类形的桌子，比较它们的稳定性，观察并分析A-B-

8、C的变化结论结论2 2：结构的稳定性与结构和地面接触：结构的稳定性与结构和地面接触所形成的支撑面的大小有关。所形成的支撑面的大小有关。试一试，一本书如何才能竖立起来？试一试，一本书如何才能竖立起来？支撑面支撑面注意注意接触面接触面支撑面支撑面接触面接触面接触面：是物体与地面接触形成的面接触面：是物体与地面接触形成的面支撑面：是物体与地面接触形成支撑点的支撑面：是物体与地面接触形成支撑点的连线与地面构成的面连线与地面构成的面 这是为了进一步增大与地面接触所形成这是为了进一步增大与地面接触所形成的支撑面积，从而增加稳定性。的支撑面积，从而增加稳定性。探究活动探究活动3 3：在不破坏鸡蛋结构不借助外

9、物的前：在不破坏鸡蛋结构不借助外物的前提下，能让一个的鸡蛋竖立在光滑的桌面上吗提下，能让一个的鸡蛋竖立在光滑的桌面上吗? ?探究活动4：不倒翁观察不倒翁，思考它为什么不会倒地？怎样才能够使不倒翁倒下？结论结论3 3：结构的稳定：结构的稳定性与重心位置的高低性与重心位置的高低有关。有关。比萨斜塔为何斜而不倒？结论结论4 4：对于一个结构而言，如果：对于一个结构而言，如果重心所在的垂线落在结构的支撑重心所在的垂线落在结构的支撑面范围内，就是稳定的。面范围内，就是稳定的。下面是一个结构不稳定的台灯，你能通过改下面是一个结构不稳定的台灯，你能通过改进设计使它的结构变稳定吗？你能找到多少进设计使它的结构

10、变稳定吗？你能找到多少种方法？种方法？货车超高载物货车超高载物为了您和家人的幸福，为了您和家人的幸福，请勿超高超重超速行驶！请勿超高超重超速行驶！因超高超载引发因超高超载引发的交通事故的交通事故 并不是不稳定的结构都是不好的，在并不是不稳定的结构都是不好的，在有些领域，人们利用不稳定的结构来实有些领域，人们利用不稳定的结构来实现某些功能。现某些功能。 请列举出生产和生活中哪些地方运用请列举出生产和生活中哪些地方运用到了不稳定的结构？到了不稳定的结构？不稳不稳定的结构一定不好吗？定的结构一定不好吗？飞飞人人归归来来结构的结构的稳定性稳定性重心位置重心位置几何形状几何形状支撑面积支撑面积结构的整体

11、几何结构必须科学合理重心越低稳定性越好支撑面积越大稳定性越好重心所在的垂线落在结构的支撑面范围内小结：结构的稳定性受那些因素影响？小结：结构的稳定性受那些因素影响？结构的强度：结构具有的抵抗被外力破坏的能力。结构的强度：结构具有的抵抗被外力破坏的能力。抗压强度、抗拉强度、抗弯强度抗压强度、抗拉强度、抗弯强度五、结构的强度五、结构的强度四川省彭州市白鹿镇中心校四川省彭州市白鹿镇中心校 粗细相同的一根木棍与一根铁棍，哪个更容易折断？粗细相同的一根木棍与一根铁棍，哪个更容易折断？ 粗细相同的一根木棍与一把木棍，哪个更容易折断？粗细相同的一根木棍与一把木棍，哪个更容易折断？ 横截面积相同的一根圆形木棍

12、与一跟三棱柱木棍，哪横截面积相同的一根圆形木棍与一跟三棱柱木棍，哪个更容易折断？个更容易折断？影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素1 1、结构的材料、结构的材料 不同材料构成的结构，其强度各不相同。有抗不同材料构成的结构，其强度各不相同。有抗拉力、压力、剪切力和扭曲力性能的，所以在不拉力、压力、剪切力和扭曲力性能的，所以在不同结构不同要求中，选择不同特性的材料。同结构不同要求中，选择不同特性的材料。梁的示意图压力压力拉力拉力材 质 轻 、 韧 性材 质 轻 、 韧 性高、易加工。木高、易加工。木材的强度不及钢材的强度不及钢材。材。 强度和刚性较强度和刚性较高，塑性好高，塑性好 合成材料

13、合成材料 尼龙丝是一种合成纤维，其尼龙丝是一种合成纤维，其纤维方向的拉伸强度与结构纤维方向的拉伸强度与结构钢丝的强度相当，所以降落钢丝的强度相当，所以降落伞的绳索就可以用尼龙纤维伞的绳索就可以用尼龙纤维来制作来制作 。扭绞的绳子扭绞的绳子为什么不容为什么不容易拉断？易拉断？ 多股细绳绞合在一起，可以防止它们之间的相对移动，多股细绳绞合在一起，可以防止它们之间的相对移动，保证各股细绳同时受力，实际上也就是有效地增大了绳保证各股细绳同时受力，实际上也就是有效地增大了绳子的横截面积，减少了绳子的应力。子的横截面积，减少了绳子的应力。2 2、结构的横截面积、结构的横截面积衡量强度衡量强度应力应力N N

14、S SN N是内力，是受力面是内力，是受力面积，积，是应力。是应力。应力是结构的应力是结构的单位横截单位横截面上产生的内力面上产生的内力，当内，当内力达到某一极限时，结力达到某一极限时，结构就会遭到破坏。构就会遭到破坏。 外力外力 内力内力 应力（内力应力（内力 /横截面积）横截面积）许用应力许用应力3 3、结构的形状、结构的形状 各种形状的横截面构件，所承受力的程度是各种形状的横截面构件，所承受力的程度是不一样的。不一样的。三角形是框架结构最基本的形状三角形是框架结构最基本的形状之一，结实、稳定、材料最少。之一，结实、稳定、材料最少。在四边形、六边形构件中，加上在四边形、六边形构件中，加上三

15、角形支撑件，就可大大增加构三角形支撑件，就可大大增加构件的牢固程度。件的牢固程度。你能举出生活中结构的强度大或者小的例子吗？你能举出生活中结构的强度大或者小的例子吗？ 即通过一定的连接物将构件组成整体结构。即通过一定的连接物将构件组成整体结构。 构件连接处的强度是影响整个结构强度和稳定性的重构件连接处的强度是影响整个结构强度和稳定性的重要因素。要因素。 构件连接处的强度取决于它的构件连接处的强度取决于它的连接方式连接方式、连接技术连接技术和和连接处的牢固程度连接处的牢固程度等。等。常见连接方式：常见连接方式：钉接、胶粘、榫接、螺栓连接、绳系、焊接、铆接等钉接、胶粘、榫接、螺栓连接、绳系、焊接、

16、铆接等六、结构的连接六、结构的连接结构的结构的强度强度不同横截面形状不同横截面形状的构件，所承受的构件，所承受力的程度不一样力的程度不一样横截面积越横截面积越大强度越好大强度越好小结：结构的强度受哪些因素影响？材料材料形状形状不同材料不同材料强度不同强度不同连接方式连接方式构件的连接方式是构件的连接方式是影响结构稳定性和影响结构稳定性和强度的重要因素强度的重要因素横截面积横截面积 结构设计必须考虑结构设计必须考虑受力情况、稳定性、受力情况、稳定性、强度、连接方式强度、连接方式和和材料的选用材料的选用，而且还要从，而且还要从功能、实用、安全、经济、美观和人性化等功能、实用、安全、经济、美观和人性

17、化等角度综合考虑，以保证结构设计要求的实现。角度综合考虑，以保证结构设计要求的实现。七、结构的设计七、结构的设计2012年年大学生结构设计大赛大学生结构设计大赛模拟地质灾害下竹质多层吊脚楼建筑模型模拟地质灾害下竹质多层吊脚楼建筑模型 实践活动实践活动结构与设计：木结构承重试验结构与设计：木结构承重试验内容：学生分小组用相同的材料搭建一个简易的框架结内容：学生分小组用相同的材料搭建一个简易的框架结构，进行承重测试。构，进行承重测试。材料：相同长度、粗细的木棍、细铁丝材料：相同长度、粗细的木棍、细铁丝工具：钳子、工具：钳子、2.5kg2.5kg、1 1kgkg重的哑铃重的哑铃要求：要求：1 1、连

18、接方式统一用捆绑连接、连接方式统一用捆绑连接2 2、结构的高度大于、结构的高度大于10cm10cm3 3、平行木棍之间的间距不少于、平行木棍之间的间距不少于1.5cm1.5cm评分要点：承重量越大、使用材料越少的组为优秀！评分要点：承重量越大、使用材料越少的组为优秀！ 为什么这种结构的承重最好、自重最轻？为什么这种结构的承重最好、自重最轻？ 你还有更好的方案吗？你还有更好的方案吗？迪拜月亮塔迪拜月亮塔 优秀的结构设计不优秀的结构设计不仅表现在结构的实用功仅表现在结构的实用功能上，也表现在形式能上，也表现在形式上，特别是功能与形式上，特别是功能与形式 的统一上。古今中外许的统一上。古今中外许多能

19、工巧匠把结构的功多能工巧匠把结构的功能与形式恰当地结合起能与形式恰当地结合起来，形成了一些经典的来，形成了一些经典的结构。结构。技术的角度技术的角度文化的角度文化的角度使用功能的实现使用功能的实现文化寓意与传达文化寓意与传达稳固耐用稳固耐用公众认可的美学原则公众认可的美学原则造型设计的创意和表现力造型设计的创意和表现力反映历史的、时代的、民族、反映历史的、时代的、民族、 习俗等方面的特征习俗等方面的特征材料使用的合理性材料使用的合理性个性特征个性特征工艺制造的精湛程度工艺制造的精湛程度如何欣赏结构？如何欣赏结构？斗拱斗拱 斗拱是中国木构架斗拱是中国木构架建筑特有的结构构件，建筑特有的结构构件，

20、在结构上挑出承重，并在结构上挑出承重，并将屋顶的大面积荷载经将屋顶的大面积荷载经斗拱传递到柱上。它有斗拱传递到柱上。它有一定的装饰作用，又是一定的装饰作用，又是屋顶和屋身的过渡。此屋顶和屋身的过渡。此外，它还是封建社会森外，它还是封建社会森严的等级制度的象征和严的等级制度的象征和重要的建筑尺度衡量标重要的建筑尺度衡量标准。斗拱一般使用在高准。斗拱一般使用在高级的官式建筑中，称为级的官式建筑中，称为大式建筑。因为斗拱的大式建筑。因为斗拱的重要性，历代建筑对它重要性，历代建筑对它十分重视，使它成为判十分重视，使它成为判断建筑时代的重要标志断建筑时代的重要标志之一。之一。释迦木塔位于山西应县释迦木塔位于山西应县城内西北佛宫寺省内，俗称城内西北佛宫寺省内，俗称应县木塔。建于辽清宁二年应县木塔。建于辽清宁二年（公元（公元10561056年），金明昌六年），金明昌六年（公元年（公元11951195年）增修完毕。年）增修完毕。 应县木塔的设计，广泛采用应县木塔的设计，广泛采用斗拱结构，