資源簡介

(共34張PPT)
第三節結構的強度與穩定性
教材p20-p32
問題思考
衣帽架要能懸掛宿舍全體同學的衣物，一定要結實，如果是立式衣帽架還要保證懸掛衣物后穩定不倒，怎樣設計才能使衣帽架既結實又穩定呢
一、結構技術試驗及其過程評價
(一)問題的提出:怎樣理解“結實”和“穩”
我們或許親自經歷過或聽到過類似下面的談話:
“你的文具盒比我的結實。”
"“我的椅子壞了一條腿，沒有原先穩當了。”
請注意﹔這里強調的是兩個詞語，即“結實”和“穩”(也叫“穩定”)。結實或不結實，穩定或不穩定，都是對某物體結構的某方面性能的一種形容、一種描述、一種評價。
(二）嘗試結構技術試驗
技術試驗是一項既要動腦又要動手的活動，是學習通用技術課程的重要環節與手段。為了方便試驗的進行，本次結構技術試驗將分為3個較小的項目。每個項目各有明確的預期目的，內容相對獨立。
技術試驗的總體要求:
( 1)試驗前，要提前做好準備，包括器材準備、試驗場地準備及參試人員分組準備等。
(2)試驗分組進行，組內人員分工明確。各組可以做同一項目，也可以做不同項目。
(3)認真傲好交流、討論。
( 4)認真寫好試驗報告（報告的要求見后面)。
( 5 )切實做好安全防范。
技術探究
試驗1——簡易拉伸試驗
試驗項目:紙繩拉伸試驗。
試驗內容:抗拉伸研究。
試驗器材:自制紙繩多根，砝碼1套（或彈簧秤1個)
紙繩的參考做法:把舊報紙裁成等寬的長紙條多條﹔將每個紙條卷咸細長小紙卷，卷緊﹔;用股水把露在外面的紙邊粘住，做成直徑相同的紙繩。
試驗步驟:
(1)將紙繩一端固定懸掛，另一端用于加砝碼（或將彈簧秤的一端固定，另一端留作固定紙繩用)。
(2)加砝碼(或取一根紙繩，一端綁定于秤上，另一端用手拉)，觀察并記錄紙繩變形與受力的情況，直到將紙繩拉斷。
( 3)取兩根紙繩并放到一起,重復步驟(2)。
(4)逐漸增加紙繩數量，重復步驟（2)，直到無法拉斷多股的紙繩為止。
(5)如有時間，可制成另一種直徑的紙繩，重復步驟（2)~( 4)。
(6)整理試驗記錄，小組討論，提出此次試驗的幾點結論性看法。
(7)撰寫試驗報告。
附:試驗記錄表格參考格式(表1-2 )。
試驗2——簡易彎曲試驗
試驗項目:板條彎曲試驗。
試驗內容:抗彎曲研究。
試驗器材:寬木板條1條，參考尺寸為200 mm×80 mm × 3 mm ;窄木板條3條，參考尺寸為200 mmx 15 mmx 3 mm ;小木塊2塊﹔快千股水;小鐵釘若千。
試驗步驟:
(1)取寬木板條,將其兩端用小木決支撐起來,在木板條的中央向下施加壓力，觀察并體驗木板條變形的情況。
(2)取一條窄木板條，用膠水和小鐵釘將其緊固于寬木板條的中央（圖1-42)。重復步驟（1)
(3)逐漸疊加窄木板條,重復步驟（ 2)。
(4)整理試驗記錄(可參照表1-2，自行設計記錄表)，討論，得出結論。
(5）撰寫試驗報告。
注意:操作時要注意安全。
試驗3——簡易組態試驗
試驗項目:桿件框架組態試驗。
試驗內容:框架結構穩定性研究。
試驗器材:相同材質的桿件5根，每根桿件的兩端備有可穿過螺栓的孔;螺栓、螺母4副。
試驗步驟:
(1)取3根桿件,用螺栓將它們連接成一個三角形框架,再用螺母固緊,如圖1-43( a）所示。在任一結點上施加外作用力F，觀察并體驗框架的受力與變形情況。
(2)拆除三角形框架，重取4根桿件，組成一個四邊形框架，如圖1-44所示。在四邊形框架的某一結點上施加外作用力F，觀察并體驗框架的受力與變形情況。
(3）在四邊形框架的基礎上，另取一根桿件加入，改組成有一條公共邊的雙三角形框架,如圖1-43 (b)）所示。在雙三角形框架的某一結點上施加外作用力F，觀察并體驗框架的受力與變形情況。
(4)整理試驗記錄(同樣參照表1-2自行設計記錄表)，撰寫試驗報告，進行交流。
閱讀材料
試驗報告的內容與要求
試驗報告是對技術試驗過程的書面表達，是對技術試驗結果的總結和評價。做好試驗的本身是學習與研究，寫好報告則是進一步的學習與研究。
1.試驗報告的基本內容
試驗項目或題目;試驗的內容（可以是一項，也可以是多項);試驗的步驟與記錄整理;試驗的討論與結論;試驗的參與人、試驗的時間、報告人。
2.試驗報告的基本要求
認真觀察,及時記錄（記錄包括試驗的條件、觀察到的現象、觀測到的數據);重在寫好結論與討論。
注意:結論要客觀，而討論要強調自主性。對試驗的某一過程、某一現象、某一數據直到某一結果，要勇于發表自己的見解與認識，哪怕是與他人不相同的觀點。這是培養交流能力的重要方面。
(三）技術試驗過程的評價
技術試驗評價的任務是對試驗數據和資料進行整理和分析，根據不同的要求和標準，對被試驗的對象進行綜合評價。試驗評價的方法很多，其中最重要的就是試驗數據處理、分析方法和綜合評價方法。
試驗數據處理和分析方法，是對大量的觀測數據進行整理，從而獲得試驗因素、條件與性能指標間的規律性認識。為達到此目的，需要運用專門的處理和分析試驗數據的數學方法。常用的方法有極差分析法、圖解法、回歸分析法、方差分析法等，應用這些數學方法對試驗數據進行分析和計算,得到試驗結果。
綜合評價方法是在試驗數據整理分析的基礎上，綜合社會、經濟和人的因素來分析考查的方法。具體實施有多種不同的形式，最基本的是檢查表法，即將試驗所獲得的數據與以往試驗所獲得的相應數據和該次試驗設計的技術數據列表對應檢查，做出優劣評價。
前面的三項試驗，前兩項為破壞性試驗，分別研究結構的抗拉伸與抗彎曲性能，最后―項研究框架結構的受力變形性能。如何評價這些技術試驗過程，可參照表1-3進行。
試驗2、試驗3的過程評價，可參照表1-3進行。
技術學科課程的學習，提倡并踐行實踐學習的方式。經過上面的技術試驗及其過程評價的實踐學習，一定會獲得很多體驗與感悟!請將它們補寫到試驗報告中，以利于本課程后續內容的深入學習。
二、應力與強度
(一)技術試驗后的回顧與思考
前幾項技術試驗，讓我們都思考了哪些問題
首先，施加外力于構件，到構件產生變形，它們之間不是一個簡單的因果關系，應考慮到構件的結構形狀、構件的幾何尺寸和構件的材料等影響因素。
其次，對于結構變形，只用“結實”或“不結實”來評說是含糊的、不確切的。對于結構的受力與變形以及有關影響因素，應該有更科學的插述。
問題思考
在試驗1——簡易拉伸試驗中,材質相同、拉力相同,桿件（實例中是繩子)的內力是相同的，但是細的被拉斷了，粗的沒被拉斷。這說明，僅用外力或內力無法說清楚構件“結實”或“不結實”。怎樣利用應力的概念來說清“結實”與“不結實”的問題呢
(二)應力、強度
構件在外力作用下發生變形的同時，構件內部分子之間隨之產生一種抵抗變形的抵抗力，稱為內力(圖1-45)。內力，是用來抵抗外力與變形，并力圖使變形部分復原的力。
作用在單位面積上的內力，稱為應力。對于圖1-45的受力構件來說，應力可用下式表示
式中，FN、為內力;S為構件截面積。應力的計量單位為N/m2，工程中稱為Pa。
通常,物體結構抵抗破壞的能力,用強度來表述;而用應力來衡量強度,既科學又確切。
如在試驗1——簡易拉伸試驗中,粗繩與細繩相比,前者受力面積大,即承受的應力小。應力小，變形也就小，也就是抗變形能力大。換句話說，粗繩抗拉(力）強度大。
技術探究
物體的形狀與強度
器材:一條布帶子（如舊書包背帶)。
做法:
(1)在布帶子兩端施加拉力，感受并觀察其抗變形的情況。
(2）在帶子一側剪出一個缺口，重復做法（1)。
(3）用剪刀將帶子的缺口加大，重復做法（1)，直至帶子被破壞。
(4)討論:用應力概念解釋試驗現象及結果。
三、影響結構強度的因素
材料1
圖1-46所示是一種木制花展架的一段。花展架的上、下板之間也是用木料加工制成的桿狀支柱。這種外形多變的桿狀支柱有賞心悅目的效果。
回答問題
(1)圖1-46中的桿狀支柱,最薄弱的地方在哪里 為什么
(2）如果置于上板面的荷載超過桿狀支柱的承受能力，桿狀支柱會發生什么樣的變形
( 3）如果在桿狀支柱的垂直方向上施加較大外沖擊力F，桿狀支柱的哪個地方易產生變形甚至斷裂 圖1-46花展架示意圖
材料2
將圖1-46中的木質桿件換成形狀相同、尺寸相同的鐵制品，花展架將能承受更大的荷載。
回答問題
( 4）相同形狀、相同尺寸的花展架，為什么鐵質的比木質的更能承載
(5)改用鐵質的會帶來什么新的問題
材料3
橋粱屬于建筑的一大門類。最簡單最原始的橋梁要數獨木橋了。趙州橋是聞名遐邇的世界經典之作。現在許許多多的現代化大橋屹立于長江等內河之上。
回答問題
(6）你能說出幾種橋梁的形式嗎
(7)珩架橋的結構有什么特點
(8）你還見過其他形式的楮架橋結構嗎
(9）杞架橋靠什么提高橋的強度
閱讀材料
圖1-47是一座析架橋的結構示意圖。圖中，上梁和下梁之間采用析架連接。析架橋的設計，就是把梁上的壓力和張力都傳到析架上，從而增加了梁抗彎曲的能力。
桁架橋適用于建造跨度較大、荷載較大的橋梁。
影響結構強度的因素
通過結構典型案例分析和試驗1——簡易拉伸試驗與試驗2——簡易彎曲試驗，可以總結出:結構的強度，一般取決于它對張力和壓力兩方面的反應能力。具體地說取決于以下因素:
(1）形狀。構成的形狀略有改變，強度就會改變。
(2）材料。不同的材料有承受不同應力極限的能力。形狀相同,材料不同,強度就不同。
(3）材料的連接方式。不同的連接方式,受力傳遞方式和效果不一樣。
正確認識這些因素,對于我們正確選擇結構和材料是很重要的。
閱讀材料
連接方式多種多樣
任何一種結構，連接都是其中極為重要的部分。比如，人體由于擁有關節等骨與骨的連接，人在生活、學習和工作中，才得以實現靈活、協調、自由的運動。
《技術與設計1》第五章中，曾就產品裝配后的時效性與可動性簡單介紹了3種連接方式。實際上，連接方式多種多樣。從實現連接的形態來看，力學結構常見的連接方式如表1-4所示。從被連接件間的狀態關系來看，力學結構的連接方式歸納如表1-5所示。
連接，還可以分為點連接、線連接、面連接等。你對自己周圍的一些結構連接方式怎么看 把它們作為實例,填入上面兩表格的后面。
力學結構中有連接,其他類的結構中也有連接。比如,計算機工作程序結構中，主程序與子程序間、子程序與子程序間也需要有連接。
討論交流
與同學交流并試著填寫表1一6。
四、結構穩定性
(一）結構穩定/不穩定的幾種情況
( 1）不倒翁是一種常見結構。不論從什么方向去推它，它的身體雖發生一時性傾斜，但搖晃幾下終能恢復原態。如果將不倒翁倒立，那么倒立的不倒翁一定會很容易翻倒而仍能恢復至原態。
(2）常見的椅、凳均用4條腿來支撐。如果將其4條腿往中間聚攏，或去掉其中一條腿而由另3條腿支撐,則必易傾倒而不易維持原態。
(3)金字塔、寶塔、江河堤壩等從橫截面看都具有上小下大的特點,整體外形近于“A”字形。它們經得起長時間考驗而屹立。如果將其倒過來，即變成“V”形結構，則無法做到常立不損。
問題思考
江河堤壩的橫截面都是上窄下寬的梯形形狀。想一想，為什么將堤壩建成這樣的結構呢
(二）結構穩定的概念
如果結構能傳遞（或承受)任意形式的荷載，則稱為穩定結構，此時它的任何組成部分既不會成為一個可變機構，整體也不會產生剛體位移。
穩定性和強度一樣，都是物體結構的重要性質。比如，某棚室結構建成后，其雖能承載,強度滿足要求,但在受干擾作用后會發生傾斜移動,則表明該結構穩定性不能滿足要求。又如，若單杠的立柱埋入地下部分不牢固，致使對杠體支撐不穩，使用時會搖晃甚至翻倒，則其穩定性達不到要求。
五、影響結構穩定性的因素及應用
(一）影響因素
結構需要穩定。那么,究竟有哪些因素會影響物體結構的穩定性呢 歸納前面的分析，可以得出影響結構穩定性的因素．主要有以下幾方面。
1.重心的位置
作用在物體重心上的重力，總有將物體的重心盡量拉近（吸向）地面的趨勢。因此，物體的重心位置不當（如偏高)，物體將易被移動，甚至翻倒。
不倒翁之所以穩定，就是因為它的重心設置得很低，在它的縱向長度的一半以下。
如圖1-5所示的臺燈，由于其底座的質量設置得相當大，使其整體結構的重心很低，因而其穩定性好。
2.結構的支撐面積
支撐面積大的結構,穩定性好。
如椅、凳的4條腿所圍成的支撐面積(長方形)大,穩定性好。變為3條腿后,其支撐面積（三角形)隨之減小，則板凳的穩定性也隨之變差。
又如圖1-48所示，圖(a）表示結構的底部由三點圍成的三角形面支撐，而圖(b)表示結構的底部由同樣距離的三點所在的圓形成的圓形面支撐，圖( a）支撐面的面積明顯小于圖(b)支撐面的面積，所以圖(b)的面支撐的結構穩定性相對較好。
3.結構的幾何形狀
上端小、下端大的結構，穩定性好。
技術探究
連接不牢會影響結構的穩定性
板凳在荷載作用下，凳面、凳體均未損壞，只是由于構件間連接不牢(如榫卯松動)，凳體產生傾斜而不能維持原有整體形態，出現結構不穩定現象，如圖1-49所示。
房屋建筑中，樓層與樓層之間的隔板曾有用預制件搭在墻體上的做法。這種建筑在地震情況下容易坍塌。為什么這種建筑結構抗震性能差
調查研究
上面講的影響結構穩定性的因素主要是與重力有關的因素。其實，影響結構穩定性的因素不止這幾點。例如，我們已學過的三角形比四邊形穩定。就是說，三角形框架比四邊形框架穩定性好。
查閱資料，了解還有哪些影響結構穩定性的因素，人們為增加結構穩定性采取了哪些措施。
(二）巧妙地增加結構的穩定性
怎樣才能使結構的穩定性增加 可以想到的是:盡可能地增大結構的底面面積;盡可能地降低結構的整體重心位置。但是，做到這兩點要受到很多條件限制。下面，我們來研究增加結構穩定性的技術思想和方法。
(1）減小長細比。長細比，指的是結構的縱向有效長度與橫向截面的最小幾何尺寸之比。如果是桿件，長細比越大，越易失穩。長細形桿件變形的主要情形如圖1-50所示。因此，正確處理桿件的長細比和選用材料十分重要。
(2)利用三角形框架及其組合結構，可以有效地增加結構的穩定性。本章第三節中的試驗3——簡易組態試驗,就是一個很好的例子。另外，自行車車體(圖1-9)不也是一種巧妙的結構嗎
問題思考
上面的增加結構穩定性的做法，是從什么角度(影響因素)去考慮問題的 你還有沒有其他構想
閱讀材料
兩類框架及其穩定性
三角形框架，受力合理，結構穩定。四邊形框架相對三角形框架而言，穩定性差。所謂穩定性差,指的是在框架的某一側邊,如果出現外干擾作用力推(或拉）向框架，那么框架將順著干擾力方向產生傾斜變形。因此，四邊形框架結構只在特殊條件下使用，如門框、窗框，它的四周都設有墻壁，才限制其產生變形。
框架與穩定性的部分圖示
1.三角形框架
三角形框架很穩定，如圖1-51、圖1-52所示，在外干擾力作用下，它的形狀不會改變。
2.四邊形框架
如圖1-53所示:
(a)四邊形框架用餃接便無法穩定。
(b)中間加上斜掌即可提供單向的穩定性（當此斜穿承受拉力時)。
(c)當斜掌采用不耐擠壓材料時，在圖示荷載下對應不穩定。
(d)加上另一根斜掌可提供雙向的穩定性。
(e)如果中間采用可以抵抗拉力也可以抵抗壓力的斜桿，便可提供雙向的穩定性。
(f)與(e)相同。
3.剛性框架
如圖1-54所示:
頂端的剛性節點形成有如板面的剛性音性節點可有足夠的剛度(此時框架的內力作用有如穩定的三角形)。
從基礎伸出的類似懸臂的柱子，其穩定的原理就是它有剛性接頭，如圖1-55所示。這樣的構造很常見。
技術探究
在學習了上述三節之后，針對圖1-56中的4種凳子，參照第一節實例1中的分析討論和第三節的論述，著重對這幾種結構的強度與穩定性展開深入的技術探究。
凳子是一種經典的力學結構實例。通過對比幾種凳子的架構形態、構件材料與尺寸、連接方式等對結構的強度與穩定性產生的不同影響，深刻理解、牢固把握結構是為了承受力和抵抗變形的技術本質。
技術實踐
(1）某小組同學設計了如圖1-57所示的壁掛式簡易衣帽架，由4根或6根桿件構成。桿件上，兩端安裝小橫樁,供掛衣帽用;每根桿件的中間有孔，供桿件間連接固定用。本方案的優點是:結構簡單，只由幾根桿件構成,且可以根據需要增減桿件的數量;不占地面，使用方便;古樸、美觀。
1)試問從強度角度看，它的最薄弱處在哪里 請幫該小組同學提出增強強度的措施(如改變材質等)，并改進設計。
2）同學們已為圖1-57所示的衣帽架提高了強度方面的設計，那么這種結構穩定嗎 這種衣帽架有什么缺點 應采用什么形狀的桿件 請繼續幫其改進設計方案。
(2）請各小組對自己設計的衣帽架從結構的強度、穩定性等方面進行技術分析，如所用材料、連接方式等，并改進自己的設計方案,使衣帽架更加“結實”和“穩”。

展開更多......

收起↑