中学社团科技创新制作活动辅导训练系列资料四

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1、中学社团科技创新制作活动辅导训练系列资料四主编：他山语社团项目作品的结构承载能力设计解析设计制作一个项目作品，首先必须保证作品具有足够的承载能力，也就是要保证作品的结构具有足够的强度，在一定的载荷作用下不致发生破坏；要保证作品的结构具有足够的刚度，在使用过程中不产生过大的弹性变形；要保证作品的结构具有足够的稳定性，在受到载荷作用时，不致发生平衡状态的突然改变。大家在进行项目作品的结构承载能力设计时，必须从以上三点设计目标要求去着眼，统筹考虑影响结构的强度、刚度以及稳定性的各个相关因素，做到扬长避短与优势互补相结合，以便使项

2、目作品结构的整体承载能力设计，能够有力地支持作品的正常工作与安全使用。作品结构的强度、刚度以及稳定性主要受制于其结构的大小形状设计、选择的材料以及构件之间的连接方式等几个方面。下面对此分别做一些解析，以便大家在进行社团项目作品的结构承载能力设计时，会有所启发。一、结构的大小形状设计对结构承载能力的影响9结构的大小形状对结构承载能力产生的影响主要与结构的受力特点有关，具体体现在构件的长短、截面大小、截面形状、长细比例以及构件搭建所组合的几何形状等几个方面。结构的受力通常分为两部分，一部分是来自外部载荷的作用力，另一部分是结构

3、自身内部的相互作用力。当一个结构受到外部载荷作用时，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。在工程上，把构件的单位横截面上所产生的内力称为应力，用公式表示应力为σ=F/S，其中，F是内力，S是受力面积。应力反应材料抵抗载荷破坏的能力，即材料强度的大小，当应力达到某一极限值时，结构就会遭到破坏。同种材料的构件，应力相同，构件强度的大小主要与构件的长度、截面大小、截面形状、长细比例有关。同种材料，长度相同，截面形状相同的构件，截面积越大，形成的抵抗内力越大，承载能力会越强。同种材料，长度相同，截面积相同

4、的构件，其截面形状对承载能力的影响主要与构件在工作过程中产生弯曲变形的受力特点有关。通常工程结构的构件如建筑物的横梁、桥梁的跨间以及各种轴类零件，在工作过程中受载荷作用都会发生弯曲变形现象。在弯曲变形时，构件会有一面（如图1中的上顶面）被压缩，另一面（如图1中的下底面）被拉伸，这两个面之间的中间层既不承受压缩，也不承受拉伸称为中性层，弯曲变形主要产生在构件以中性层分界的两个面上，也就是说构件的承载能力主要由两个产生弯曲变形的受力面的面积大小来决定。9图1构件弯曲时的受力分析在截面积相同的情况下，矩形截面的受力面积大于圆形截

5、面，工字型截面的受力面积又会大于矩形截面，三种不同截面形状的构件形成的抵抗内力大小对比显而易见，因此，矩形截面构件的强度要大于圆形截面构件的强度，工字型截面构件的强度又会大于矩形截面构件的强度，正是基于此，在土木工程设计中，工字梁的使用非常广泛。大家在设计制作构件时，可以作一下参考。（见图2）图2具有工字形截面的梁结构强度更大另外，同种材料的受压构件，长细比越大，各种偶然因素造成的初始偏心距越大，从而产生的附加弯矩和相应的侧向挠度也越大，相应的承载能力就会越低，若长细比过大，还会产生失稳破坏。9通过以上学习，大家知道了构件

6、的大小形状设计对结构承载能力的影响，接下来我们来看一下构件相互之间连接搭建所组成的几何形状又会怎样来影响整个项目作品结构的承载情况。在工业工程的结构设计中，构件搭建的组合形状通常分为两种，一种是搭建成以三角形桁架为代表的几何不变体系，另一种是搭建成以四边形桁架为代表的几何可变体系。三角形是桁架结构中最基本的形状之一，它结实、稳定，所用材料最少，大家的项目作品若是静承压结构，设计时就需要多搭建三角形的造型来加强结构的强度、刚度与稳定性。反之，若是动结构，在进行机械设计时则需要设计四边形结构来实现结构的传动功能。二、结构的材料

7、对结构承载能力的影响社团项目作品模型用到的承载结构材料主要有金属、ABS塑料、A4纸、桐木条、普通木材等。不同种类的材料，密度、属性、应力极限值、变形方式等都会有很大的差异，因此，材料的选用直接会影响到结构的承载能力。在上述几种常用结构材料中，金属材料密度大，强度高，材质均匀，塑性韧性好，抗冲击抗震动能力强，多被用作那些对载重能力、稳定性、耐久性、可靠性要求高的作品模型结构的材料。ABS塑料是丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)的三元共聚物，兼有三组元的优良性能，质轻均匀、稳定、受温湿度影响小、硬度高、绝缘性强、韧性好

8、、耐腐蚀、耐碰撞、耐摩擦、易加工成型、成本低，是拼插类积木结构与3d打印结构的主要基材。9A4纸易于折叠、可随意剪裁，构件粘接便于操作，但承载能力较弱，正是基于此，通常与承载能力也较弱的桐木条被选为考察测评社团选手的结构承载设计与物化制作技能水平的常用材料。普通木材质轻、高韧性、易于加工造型，承载能力与