1、第第2 2节节稳固结构的探析及设计稳固结构的探析及设计一、稳固结构的探析一、稳固结构的探析教材研读1.结构稳定性的含义结构稳定性的含义结构在荷载的作用下维持其原有平衡状态的能力。2.影响结构稳定性的因素影响结构稳定性的因素(1)重心位置的高低:重心越低,结构越稳定。(2)结构与地面接触所形成的支撑面的大小:支撑面越大,结构越稳定。(3)结构的形状:三角形结构较稳定。3.静态结构的稳定条件静态结构的稳定条件对一个静止状态的结构而言,如果重心所在点的垂线落在结构底面的范围内,就是稳定的,不会出现倾倒。4.结构强度的含义结构强度的含义结构具有的抵抗被外力破坏的能力。5.内力与应力内力与应力(1)内力
2、:当构件受到外力作用时,内部各质点之间的相互作用发生改变,产生一种抵抗外力和形变的力,称之为内力。(2)应力:构件的单位横截面积上所产生的内力,称为应力。可用如下关系式表示:=其中,F为内力,S为受力面积,为应力。FS6.影响结构强度的主要因素影响结构强度的主要因素(1)结构的形状:包含结构的外部形状和结构的构件截面形状;(2)结构的材料;(3)构件之间的连接方式:铰连接:被连接的构件在连接处不能相对移动,但可相对转动。刚连接:被连接的构件在连接处既不能相对移动,也不能相对转动。7.结构与功能结构与功能结构不仅是事物存在的一种形式,而且对事物的功能和作用产生着直接影响。结构的改变可能导致功能的
3、变化。二、简单结构的设计二、简单结构的设计1.结构设计的目标及要求结构设计的目标及要求结构设计应以一种或几种功能的实现为基本目标,应满足设计规范,满足使用者的基本需要。2.结构设计应考虑的主要因素结构设计应考虑的主要因素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等。1.(2019台州期末)如图所示是一款无人机,以下对该无人机的结构分析中不正确的是(B)A.一定范围内,飞行臂越长飞行越稳定B.旋翼可高速旋转,电机与旋翼的连接方式为铰连接C.支撑架装在飞行臂末端可以提高落地时的稳定性D.采用高强度工程塑料
4、可以提高结构的强度2.(2019杭州期末)小张奶奶家里的厕所是蹲坑形式,腿脚不便的奶奶如厕很不方便,孝顺的小张将家里如图a所示的小椅子改装成如图b所示的小椅子,供奶奶使用。以下关于改装后的小椅子的分析中不正确的是(D)A.对结构的改装可以达到其特定的功能B.使用该小椅子时构件1和构件2的主要受力形式为受弯曲C.适当扩大椅脚之间的距离可以增加小椅子的稳定性D.连接处采用螺栓、螺母连接,可使小椅子实现折叠功能 解析解析本题考查结构实例的分析。连接处采用螺栓、螺母连接,不易使小椅子实现折叠功能,因此D项分析不正确。3.如图所示为小明在通用技术实践课上制作的天平秤模型。从结构的角度分析,下列说法错误的
5、是(B)A.天平秤两边放置相同重物时,悬臂受弯曲,应选用抗弯曲材料B.连接处a、连接处b均采用铰连接C.连接处a和连接处b若采用螺栓和螺母连接,可以实现拆卸收纳功能D.若两端放置重物质量相差过大,可能使天平秤稳定性变差解析解析本题考查结构实例的分析。由结构分析可知连接处a采用铰连接,连接处b采用刚连接,所以B项分析不正确。4.(2019杭州期末)如图所示是一款带木质靠背和金属扶手的Z字椅。扶手通过金属连接件1与靠背相连,背撑通过榫卯连接扶手,并通过金属连接件2连接斜板。下列关于Z字椅结构的分析中不正确的是(C)A.金属连接件1与靠背宜采用自攻螺钉连接B.背撑与扶手的连接属于刚连接C.背撑增加了
6、斜板与底板间的连接强度D.使用时,斜板的主要受力形式为受弯曲 解析解析本题考查影响结构强度的因素。增加背撑对于斜板与底板间的连接强度没有影响,因此C项分析不正确。5.如图所示的是篮球架,下列关于该篮球架的分析中,不正确的是(B)A.该篮球架属于组合结构B.增大底座的接触面积,可以显著提高篮球架的稳定性C.增加杆1的横截面积能增大篮球架的强度D.篮筐和木篮板之间的连接件为六角螺栓和螺母6.设计如图所示的一款椅子,在确定结构尺寸时,要综合考虑各方面的因素,如人机关系、稳定性和强度等。以下尺寸的确定,主要从结构稳定性方面考虑的是(D)A.椅子的高度 B.椅脚的横截面大小C.座面和靠背的大小 D.椅脚
7、之间的距离 解析解析本题考查影响结构稳定性的因素。“椅脚之间的距离”影响椅子与地面的支撑面积的大小,从而影响结构的稳定性,因此D项正确;“椅子的高度”主要影响人机关系的健康,因此A项错误;“椅脚的横截面大小”影响结构的强度,因此B项错误;“座面和靠背的大小”主要影响人机关系的舒适,因此C项错误。7.如图所示为移动式升降机,以下操作中,不以提高稳定性为目的的是(D)A.工作台升高前,支撑脚伸展后放下B.工作台升降时,两升降臂协同调整,保证重心落在支撑面内C.移动时,两升降臂放下D.移动时,支撑脚收起解析解析本题考查影响结构稳定性的因素。“移动时,支撑脚收起”可使工作台借助车轮滚动前进,方便移动,
8、与结构的稳定性无关,因此D项符合题意。“支撑脚伸展后放下”增大了支撑面积,“两升降臂放下”降低了结构的重心高度,这些措施均提高了结构的稳定性,“重心落在支撑面内”保证了工作台不会倾倒,也是增大结构稳定性的体现,因此A、B、C项与题意不符。8.如图所示是高铁座椅后面的活动小桌。不用时桌板和支撑杆一起向上收起,固定在座椅靠背上,使用时放下支撑杆,放平桌板,而且小桌的位置不受座椅靠背角度调节的影响。根据上述功能要求,请你设计桌板与支撑杆的连接结构。设计要求如下:A.桌板能相对于支撑杆运动,在两个极限位置处,桌板与支撑杆成120和180(或0);B.连接可靠,桌板能承受一定压力;C.结构简单,操作方便
9、。请根据上述设计要求,完成以下任务:小桌安装后,收起时不影响座椅靠背角度的调节,放下后其位置不受座椅靠背角度调节的影响,支撑杆应安装在 (在座椅靠背上;座椅靠背与底架的转动轴上;座椅底架上中选择一项,将序号填写在“”处)。答案答案解析解析本题考查结构连接件设计的实例分析。“收起时不影响座椅靠背角度的调节”限定了支撑杆不能安装在座椅底架上,否则小桌收起后座椅无法与小桌一起调节;“放下后其位置不受座椅靠背角度调节的影响”限定了支撑杆不能安装在座椅上,否则小桌放下时座椅调节会带动小桌,因此方案可行。突破结构稳定性和强度的实例分析突破结构稳定性和强度的实例分析重难突破提高结构稳定性和强度的常见措施提高
10、结构稳定性和强度的常见措施特性影响因素常见措施稳定性重心加重底座,外壳轻便支撑面支撑脚伸展、外张形状桁架结构强度材料1.不同材料能承受不同形式的作用,如:混凝土抗压性能好;钢筋抗拉性能好;绳索可受拉,不可受压、受弯曲2.构件的横截面积越大,其能产生的内力越大形状1.外部形状:三角形、拱形2.截面形状:圆形、工字形连接方式1.铰连接:松螺栓、松铆、合页连接2.刚连接:榫接、胶接、焊接例例1如图所示为一款教学用摄像头展台,需要使用时打开拍摄横杆,以下关于摄像头展台说法中不正确的是(B)A.工作时拍摄横杆主要受弯曲B.为保证结构强度,拍摄横杆和支撑杆要采用刚连接C.增大底座面积,可以加强结构的稳定性
11、D.增大支撑杆的横截面积,可以加强结构的强度解析解析本题考查结构的稳定性和强度。题意要求教学用摄像头展台需要使用时打开拍摄横杆,选项B为保证结构强度,拍摄横杆和支撑杆要采用刚连接与题意矛盾。例例2 (2019浙江新高考研究联盟模拟)如图是一款学生用的课桌,下列关于该课桌的说法中不正确的是(C)A.两侧课桌脚与横档之间通过焊接连接,属于刚连接B.课桌能保持稳定是因为课桌的重心所在的垂线落在支撑范围之内C.当学生脚踩在横档上时,横档的受力形式为受压D.课桌的金属部分与木质桌面的连接可通过自攻螺钉连接解析解析焊接属于刚连接的说法正确;与木质材料的连接可通过自攻螺钉连接;当学生脚踩在横档上时,横档的受
12、力形式为受弯曲。1-1如图所示为一款便携式吊机,在加载电动机后能达到起重的目的。以下分析中,错误的是(D)A.电动机可加装在如图所示位置的左下角处B.起重时,液压支撑杆受压C.滚轮与支撑脚之间的连接属于铰连接D.支撑脚长于伸缩臂,是为了保证整体的强度解析解析本题考查结构的稳定性和强度。支撑脚长于伸缩臂,是为了保证整体的稳定性,因此D项符合题意。1-2如图所示,自行车在单脚支撑杆的支撑下保持稳定。如果不断地扩大支撑杆与自行车之间的夹角,结果是(C)A.支撑面越来越大,结构越来越稳定B.重心越来越低,结构越来越稳定C.稳定性从差逐渐变好,又从好逐渐变差D.稳定性从好逐渐变差,又从差逐渐变好解析解析
13、本题考查结构的稳定性。夹角较小时,增大夹角可以增大支撑面积,提高了结构的稳定性;但夹角过大时,整体重量更多地由支撑杆承担,容易使支撑杆弯折断裂,使自行车容易翻倒,因此C项正确。1-3某班级在通用技术课上,进行了结构设计与制作比赛,用规定数量的木筷搭建规定高度的支撑架,看谁制作的支撑架能承受的压力最大。结果下图中的结构得了冠军。该结构获得冠军的主要原因是(B)A.采用了木质的筷子B.采用了三角形的结构C.支撑面大 D.重心低解析解析本题考查结构的强度。支撑架承受的压力反映了其结构的强度。所有方案的材料均相同,题图中的方案利用三角形提高了结构的强度,因此B项正确,A项错误。支撑面与重心影响结构的稳
14、定性,与强度无关,因此C、D项错误。1-4如图所示的防震桌,由桌面抵消撞击力,脚架采用斜三角形设计,要将此桌子用在学校教室里,需增加其强度,下列措施不合理的是(D)A.加粗桌腿 B.增厚桌面C.采用高强度板料D.在对角桌腿之间增加横档解析解析本题考查影响结构强度的主要因素。“在对角桌腿之间增加横档”会影响桌下的躲避空间,是不合理的措施,因此D项符合题意;“加粗桌腿”“增厚桌面”均为增加构件的横截面积,提高构件所能承受的破坏力,因此A、B项不符合题意;“采用高强度板料”是从材料角度增加了结构的强度,因此C项不符合题意。1-5下列工具中采用铰连接的是(C)没有解析解析本题考查构件连接方式的判断。铰
15、连接是被连接的构件在连接处不能相对移动,但可相对转动的连接方式。A、B、D项均采用铰连接,板牙扳手没有采用铰连接,因此C项符合题意。1-6如图所示的家用铁锅,手柄与锅体的连接方式是(C)A.胶连接B.钉连接 C.铆连接D.榫连接解析解析本题考查构件连接方式的判断。锅体为铁制且与手柄连接强度较高,因此C项正确;A、B项连接强度较差,因此A、B项错误;D项用于木材连接,因此D项错误。1-7如图所示是内燃机活塞与连杆装配结构示意图,衬套固定在连杆孔内,连杆接在活塞中间,销轴穿过衬套装在活塞孔中,并用两只挡圈与销轴固定在活塞孔中,销轴相对衬套可转动,相对活塞则不能活动。完成活塞与连杆的装配需要以下环节
16、:将连杆装在活塞中间;将弹性挡圈装入活塞孔中;将销轴装入活塞孔中;将衬套压入连杆孔中。请分析活塞与连杆的装配结构和工艺,回答以下问题:(1)衬套与连杆之间的连接方式是 (在“刚连接”和“铰连接”中选择一种);(2)衬套与销轴之间的连接方式是 (在“刚连接”和“铰连接”中选择一种)。答案答案(1)刚连接(2)铰连接解析解析本题考查构件连接方式的选择。“衬套固定在连杆孔内”,因此衬套与连杆之间的连接方式是刚连接;“销轴相对衬套可转动”,因此衬套与销轴之间的连接方式是铰连接。1.(2017浙江4月选考,7,2分)如图所示是一种手动冲压机,扳动手柄,通过连杆带动压杆运动,下列关于该冲压机的分析中,正确
17、的是(C)真题再现A.压杆只能上下移动,不能转动,压杆与机座之间的连接属于刚连接B.冲压时连杆受压C.冲压机重心的垂线偏离支撑面中心,提高了冲压时的稳定性D.手柄上施加力F时,压杆向上运动解析解析本题考查结构的综合分析。冲压时手用力下压手柄,与冲压机的重力合成的总效果是使合力的作用线落在更加靠近支撑面中心的位置,从而提高了冲压时的稳定性,因此C项正确。刚连接是指被连接的构件在连接处既不能相对移动,也不能相对转动,压杆可以上下移动,压杆与机座之间的连接不属于刚连接,因此A项错误。冲压时手柄绕轴顺时针转动,拉动连杆使压杆下压,此时连杆受拉,因此B、D项错误。2.(2016浙江10月选考,8,2分)
18、如图所示为钢筋混凝土横梁的受力变形示意图。由于混凝土擅长抗压力,而钢筋擅长抗拉力,为了合理利用钢筋,下列对横梁的分析中正确的是(C)A.上部弯曲的程度比下部大,应在上部布置粗钢筋,下部布置细钢筋B.上、下都受弯曲,应在上部和下部布置相同的钢筋C.上部受压,下部受拉,应在上部布置细钢筋,下部布置粗钢筋D.上部受拉,下部受压,应在上部布置粗钢筋,下部布置细钢筋解析解析本题考查构件的受力基本形式。横梁弯曲时上部受压,下部受拉,因此应在下部布置更粗的钢筋,C项正确。3.(2018浙江4月选考,14(4)(6),2分)如图所示是某企业生产的一款办公座椅。请完成以下任务:(4)图中连接处采用的连接方式是 (在A.铰连接;B.刚连接中选择合适的选项,将序号填入“”处);(6)若测试发现座椅的稳定性不够,合理的改进措施是 (在A.减小H1;B.减小H2;C.增大W1;D.增大W2中选择合适的选项,将序号填入“”处)。答案答案(4)A(6)D解析解析(4)本题考查构件的连接方式。由于椅背可折叠,因此连接处必为铰连接,A项正确。(6)本题考查结构的稳定性。增大W2相应增加了结构的支撑面积,提高了结构的稳定性,因此D项正确。H1、H2、W1均与使用者的静态尺寸有关,调整这些参数将会影响产品的舒适性,因此A、B、C项错误。
