专题五 结构与设计

专题五结构与设计知识框架复习要点1．能从力学角度了解结构的概念，能对简单的结构实例进行分类。

2．能结合简单的结构案例，分析结构是如何承受力的。

3．理解结构的稳定性和影响结构稳定性的主要因素。

4．将结构的形状、材料、连接方式等方面对结构强度的影响运用到常见的设计，并对不同领域中的一些案例进行分析、优化和改进。

5．理解结构与功能的关系，能对一个简单的对象进行结构设计，绘出简单的设计图纸。

6．学会对结构的设计案例进行评价。

重点提示1．结构与设计从空间和力的角度来考虑设计。

从力学角度看，结构是指可承受一定应力的架构形态，结构可以抵抗能引起形状和大小改变的力。

每个物体都有其特定的架构形态，一个较复杂的结构由许多不同的部分组成、这些组成部分通常称为构件。

当构件受到外力作用时，内部各质点之间的相互作用会发生改变．产生一种抵抗的力，称为内力。

应力是构件的单位横截面上所产生的内力，当应力达到某一极限值时．结构就会遭到破坏。

构件的基本受力形式有拉力、压力、剪切力、扭转力、弯曲力。

有时，构件可能同时受到几种不同形式的力的作用。

要注意各种实体、壳体、框架结构的受力特点，及其在设计中的仿生作用。

2．结构的稳定性是指结构在外力的作用下维持其原有平衡状态的能力。

它是结构的重要性质之一，如果一个物体的结构不能有效地抵御常见外力的作用，那么该物体是很难承受负载而保持平衡的。

影响结构稳定性的因素有多种，对于一个在地面可移动的物体来说，主要是重心位置的高低、结构与地面接触所形成的支撑而的大小、结构的形状等。

结构的强度是指结构具有的抵抗被外力破坏的能力。

影响结构强度的主要因素是结构的形状、结构的材料、构件之问的连接方式等因素有关。

3．结构设计应考虑的主要因素有：符合使用者对设计对象的稳定性和强度的要求，安全因素，公众和使用者的审美需求，使用者的个性化需要，对设计对象的成本控制要求和一定的使用寿命。

无论是机械产品的设计还是建筑结构的设计，人们总是在满足功能要求的情况下，追求用最少(或最轻)的材料组成结构，同时追求结构的刚度或强度的最大化。

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。

4．结构欣赏主要从两个方面来考虑。

从技术的角度：结构的使用功能实现，结构的稳固耐用．结构造型设计的创意和表现力，材料的使用的合理性，工艺制造的精湛程度等。

从文化角度：结构的文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映时代、民族、习俗方面特征，结构个性特征等。

例题解析【例l】吊扇在启动瞬间，吊杆的主要受力形式有( )①拉力②压力③剪切力④扭转力A．①④B．①②C．①③D．②③（分析）本题考查“构件受力的形式”。

构件基本受力形式主要有拉力、压力、剪切力和扭转力等。

拉力：物体所承受的拉拽力；压力：挤压物体的力；剪切力：两个距离近、大小相等、方向相反且作用于同一物体上的平行力；扭转力：反方向对物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。

很多时候，构件可能同时受到几种不同形式的力的作用，吊扇在刚刚启动的过程中，吊杆要克服吊扇的拉力、电扇启动时产生的扭转力。

答案：A【例2】如图是钱塘江大桥，从结构的形态来看，横跨于两个桥墩之间的桥梁所属的结构类型是( )A．实体结构B．框架结构C．壳体结构D．组合结构（分析）本题考查“结构的类型”。

结构一般分为三种基本类型：实体结构、框架结构、壳体结构。

大多数现代建筑物的结构是由若干种基本结构类型组合而成的。

钱塘江大桥的桥墩是实体结构，横跨桥墩之间的桥梁是框架结构。

答案：B【例3】如图所示为一张学生制作的小木凳。

小木凳脚架之间采用的连接方式是( )A．铆接B．铰连接C．榫接D．焊接答案：C（分析）本题考查“构件连接的类型”。

构件的连接类型比较多，金工有铆接、焊接、胶接等；木工有榫接、钉接等；按连接后的活动效果．可分为钢连接、铰连接。

小木凳的四支脚架由几根横木段通过榫接而成。

【例4】案例分析题如图Z-5-3，从结构强度的角度分析塑料板凳的凳脚设计成凹凸形状而不是简单的平直形状。

[提示] 塑料板凳的凳脚设计成半凹凸形，主要是为了提高凳脚强度。

(分析) 本题考查“构件的强度与结构的形状有关”。

设计成凹凸形状．抗压强度提高。

自主练习一、基本题1．如图所示是竹、木混合材质的躺椅，其结构类型主要体现为( )A．壳体结构B．实体结构C．框架结构D．其他结构2．一辆汽车停在一座桥上，桥梁承受来自汽车的( )A．压力B．拉力Ｃ．扭转力D．剪切力3．一根材质匀称的木质横梁，长2．5m，截面规格为30cm×20cm，两端架在相距为2m的支撑墙上．如按竖摆和横摆两种方式(如图Z-5-5所示)摆放，则木质横梁的承重(上往下压)能力( )A．如甲图所示竖摆方式承重大B．如乙图所示横摆方式承重大C．一样大D．不确定4．“康师傅”矿泉水的瓶子外形结构如图甲所示，A、B两处是矿泉水瓶壳的不同结构．A处有内环圈，B处没有。

则A、B两处抵抗外界向内挤压(如图乙)的能力( )A．A处比B处大B．B处比A处大C．不能确定D．一样大5．一颗高4m、树干直径约10cm的树移植到另一处，为了抵消外力对树的影响，采用细钢丝或竹竿固定，下列方法最不能达到目的是( )A．用单根竹竿固定B．用三根竹竿固定Ｃ．用两根钢丝固定D．用三根钢丝固定6. 如图Z-5-7所示为可移动的篮球架，为了使篮球架前运动员更加安全，现需要增加稳定性，实施有效稳定性的方法有( )A．增加底座后部面积C. 底座后部加重B. 减轻底座后部质量D．减少底面积7．古塔一般为砖木结构，其结构稳定性不是由下列因素决定的( )A．塔基的面积B．塔身高度Ｃ．建造塔所用的材料D．塔周围风的大小8．评价题小明设计了一种日光灯的安装方案，由于房间层高比较高．为安装方便，小明采用悬吊方案，设计图如右下图所示．只用一个挂钩，再通过尼龙绳与日光灯架连接。

请指出该设计的不足之处．并提出改进方案。

9．试验题如下图是学生用木材制作的衣帽架，连接方式有榫接、钉。

根据设计要求，高度不低于lm，至少能挂四件衣服(每件约1kg)。

现在要测试其稳定性，请设计一个测试方案。

10．分析题过去农村地区人们用木制水桶在深井打水，常常要在水桶口的边缘绑上一个小重物，水桶降到水面时能自动侧翻，方便水桶进水．请根据所学的知识从结构的稳定性分析这一做法。

11．分析题如图所示是意大利比萨斜塔。

该塔向南倾斜大约5.5°．这意味着斜塔第七层的柱子比第一层要探出大约4.5m，但它没有倒塌。

请分析比萨斜塔没有倒塌的主要原因．二、拓展题12．农用三轮车在转弯时，由于支撑面积小，比四轮车更易侧翻，为了保证行车安全，一般行驶中应该注意的是( )A．尽量将物品放在两侧B．尽量将重物搁在后面Ｃ．弯道上快速行驶D．弯道上放慢速度13．材质相同、长度相同、截面积相同，但截面形状不同的直杆件，在杆件两端分别施加拉力和压力，则下列说法正确的是( )A．抗拉能力一定不同，抗压能力有可能不同B．抗拉能力一定相同，抗压能力有可能不同C．抗拉能力一定不同，抗压能力有可能相同D．抗拉能力一定相同，抗压能力一定相同14．如图为一卫星整流罩的主视图。

卫星整流罩的主要作用是保护卫星不受外界影响．免受各种气动力、气动加热的作用。

从结构的类型来看，整流罩属于( )A．实体结构B．壳体结构C．框架结构D．组合结构15．如下靠上边图是一张四脚小方凳的直观图及视图，由于天气干燥，榫接部位松动，出现左右摆动，小明准备用方木条、铁钉为原材料．进行加固．如下靠下边图所示，效果最好的方法是( )16．如右图．椅子的脚粗细不一，一个人坐上去之后，关于A、B两处应力的大小，下列说法正确的是( )A．A处应力大．B处应力小B．A处应力小，B处应力大C．A、B两处的应力一样大D．A、B两处的应力大小不能比较17．下列因素对钢筋混凝土电线杆的稳定性影响最大的是( )A．电线杆的直径B．电线杆在地面处的截面积C．电线杆周边风的大小D．电线杆地下的深度18．悬索桥上的绳索除了承受自身的重力外，主要是承受( )A．压力B．扭转力C．剪切力D．拉力19．设计题如图所示，一个厂家生产的铁质轴承座的模型，该产品在工作时．轴承座上方圆柱孔受力较小，且孔的内壁各处受力最大值相近。

由于近年来钢材价格猛涨，为降低原材料成本，请你对轴承座的结构进行优化，并将优化的方案用草图表达。

20．分析题大跨度承受压力一般用“人”字形梁，其结构形状如图所示，主要由四个杆件AB、AC、BC 和AD组成，A、B、C为结点。

AD为钢筋，杆件AB下方由螺栓拧紧。

当A点承受向下的压力时，分析“人”字形梁构件AB、BC所受的主要外力，说明哪个构件更适合用钢筋。

21．分析题如图，路灯立柱与底盘接头，试分析三角状筋板的作用。

22．分析题如图．马达通过皮带带动轴转动，从力的角度．分析轴AB的主要作用。

专题五结构与设计1．C 2．A 3．A 4．A 5．A 6．C 7．D8.由于日光灯与挂钩之间不是采用钢连接．且只有一个挂钩，日光灯容易转动，改进方案见右图。

9．试验方案可设计两块内容：(1)测试能否达到设计要求。

，根据设计要求，衣帽架至少能挂四件衣服(约1 kg)，那么在各横架外侧至少应能挂上l kg以上的重物。

在衣帽架上方各横架外侧挂l kg重物，若翻倒，稳定性差，达不到设计要求。

(2)测试衣帽架能否达到较高要求。

如果测试能达到设计要求，那么可测试衣帽架能否达到更高的稳定性要求，如在各横架外侧挂5 kg的重物，看结果能否翻倒。

10在水桶口的边缘绑上一重物，改变水桶重心，降低稳定性，使水桶在水面易侧翻。

11比萨斜塔不倒的主要原因是其重心的投影点还落在支撑面内．其次斜塔本身具有一定的结构强度．可以抵抗因倾斜而造成的弯曲应力，12 D 13．B 14．B 15．C 16 B 17 D 18 D19．用最少的原材料．并达到设计要求，这是结构设计追求的日标。

对轴承座的结构优化，有多种方案，右图是其中一例。

20.构件AB所受的主要外力是压力，构件BC所受的主要外力是拉力；钢筋抗拉能力强，大跨度抗压能力差，故构件BC更适合用钢筋。

21．电线杆与底盘采用刚连接，由于连接面积小，应力大，连接处容易断裂。

加三角状筋板，主要是提高连接处的强度，更好地抵抗外力。

22．抵抗弯曲(抵抗皮带上的拉力)；传送扭转力。