1.2 结构的稳定性与结构 课件-2022-2023学年高中通用技术豫科版（2019）技术与设计2

第一章 结构及其设计 第二节 结构的稳定性与强度 学习目标 1.能够对简单结构的受力情况进行分析。 2.探究影响结构的稳定性与强度的因素。 一、结构与力 在外力作用下，构件尺寸及形状会有不同程度的改变，这种改变称为变形。通过试验可以发现物体受力变形的形式是多样的。 以常见的杆件构件为例，共有拉伸、压缩、弯曲、扭转、剪切五种基本变形形式。 表 1.1 给给出了这五种受力变形的特点及图例。 （一）结构的拉压受力 拉伸或压缩是物体受力的常见现象。承受拉力如电梯钢丝绳、电力传输线、起重机上的吊钩等。承受压力的建筑立柱、墙壁以及桥墩等。 拉伸和压缩是由外力作用引起的，外力在力学中又叫作载荷。它可以分为两类:(1)分散载荷。例如平屋顶上积着一层雪，那么整个屋顶都要受到雪的压力，这种载荷是连续不断地分布在屋顶整个面积上的。 (2)集中载荷。例如人站在楼板上，这时，楼板上的受力部分只限于人脚所站的地方。这种力集中于一块很小的面积上，在计算时我们通常假定集中载荷作用在一点上。 内力是指在外力作用下，引起构件内部各部分之间相互作用的力。在工程上我们把构件截面单位面积上的内力称为应力。应力的法定计量单位是帕斯卡(Pa)，简称帕，1 Pa=1 N/m 但在工程上我们习惯用兆帕(MPa)作为应力计量单位，1MPa=106Pa。 这样表 1.1 中杆件所受的应力就可以按下面的式子来计算 式中， 为拉伸或压缩应力，单位为 MPa;P为拉伸或压缩载荷，单位为N;A为拉伸或压缩所作用的截面面积，单位为 mm。 （二）结构的弯曲受力 建筑物的横梁、桥梁的桥身以及各种机器上的轴类零件在工作时都会发生弯曲变形，那么弯曲时材料内部受到什么样的作用力呢?我们来做这样的试验(图1.15 )，将一个即将被弯曲的杆件侧面先画上格子，当杆件弯曲后，通过观测格子的形状和尺寸变化可以得出这样的结论:当零件弯曲变形时，它的一面(这里指上面)被压缩，另一面却被拉伸。这两个面之间有一个中间层，它不被压缩也不被拉伸，故称为中性层。在建筑结构中常用到拱形结构。这种结构有一个重要特性，就是可以用压缩来代替弯曲。如图 1.16 所示，作用于拱形桥两端的这些力都被河岸上的反作用力所平衡，改善了结构的受力状态，从而提高了结构的承载能力。 （三）桁架结构的受力 一个屋顶的简易桁架结构如图 1.17a所示。显然，它的两个斜臂(斜杆)受到压缩力。横杆受到拉伸力。为了节省材料，人们常常采取减少斜臂厚度的方法(图 1.17b)。如果简单地减少斜臂厚度，就会发生纵向弯曲的危险，一般可通过补加拉杆的方法来防止此类情况发生。各个拉杆之间可采用铰链连接，以便于结构施工和装配(图 1.17e)。 二、结构与稳定性 一阵大风过后，我们会看到摆放在路边的自行车被吹倒了，然而放在附近的矮木凳却纹丝不动，并没有被吹翻。大家会说，这是因为自行车的稳定性较弱，而矮木凳的稳定性比自行车强得多。 结构的稳定性是指结构在载荷作用下维持其原有平衡状态的能力。稳定并不是指一-个物体的状态绝对不变，当载荷消失后物体能够重新回到原有的平衡状态，我们也称其为稳定。 根据结构的稳定性所涉及的问题，我们从以下两个方面进行讨论:结构的形状稳定性和结构的位置稳定性。 （二）结构的形状稳定性 我们先做个小试验: (1)将三根木条用钉子钉成如图 1.19a所示的三角形木架，然后沿箭头所示的方向扭动它，观察它的形状变化。 (2)将四根木条用钉子钉成如图 1.19b 所示的四边形木架，然后沿箭头所示的方向扭动它，观察它的形状变化。 (3)在四边形木架上再沿对角线方向钉一根木条，使之成为图 1.19e所示的形状，然后沿箭头所示的方向扭动它，观察它的形状变化。 通过实验我们能够发现，用三根木条钉一个三角形，在外力作用下其形状和大小都不改变。也就是说，如果一个三角形的三条边的长度固定了，那么三角形的形状和大小就完全确定了，三角形具有结构稳定性。而用四根木条钉成的四边形木架，在外力作用下形状和大小很容易被改变，四边形具有结构不稳定性(易变性)在四边形木架上沿对角线方向钉一根木条后，在外力作用下形状和大小并不改变。这是因为一个四边形分成了两个三角形，结构由不稳定结构转变为稳定结构。 三角形结构和四边形结构在生产和生活中都有着广泛的应用。三角形结构稳定性好、不易变形，广泛应用于人类的生产生活中，如晾衣架、三角尺、钢架桥、起重机、屋顶的钢架等。 四边形结构易变形，灵活性强，也获得了广泛的应用，如活动衣架、缩放尺、活动铁门等。 对于多边形结构，人们经常采用加连杆的方式，将其划分成几个三角形，以增强其结构稳定性，如图 1.2