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技术与设计 二第一单元 结构与设计一、认识结构1、结构的概念：结构是可以承受一定 应力 的物体形态，结构可以抵抗引起形状和大小改变的力。作用在结构和构件上的五种力的形式：拉力：物体所承受的拉拽力。压力：挤压物体的力。剪切力：两个距离很近，大小相等，方向相反，且作用于同一物体上的平行的力。弯曲力：作用于物体，使它产生弯曲的力。扭曲力（扭转力）：反方向向物体两端均匀施力，使物体发生扭转形变的力。拉力压力弯曲力剪切力扭曲力构件：椅面、椅背、椅腿和横档是椅子的组成部分。任何结构都是由许多部件和零件所组成的，在工程中称这些部件或零件为构件。变形：在外力作用下，结构会发生几何形状的改变，构件的形状和大小也会有改变，这些改变在工程上称为变形。2、结构的分类：根据物体的结构形态，结构分为实体结构、框架结构、壳体结构三种基本类型。实体结构是指结构体本身是实心的结构。其受力特点是：自身承受外力，主要是压力。如实心墙、大坝等。框架结构是指结构体由细长的构件组成的结构。其受力特点是：通过组成框架的条状物来承受外力，既可承受拉力，也可以承受压力。如铁架塔、建筑用脚手架，厂房的框架等。壳体结构是指层状的结构。其受力特点是：通过外壳传递力和承受外力，当外壳顶部受力，能将力均匀扩散。如摩托车手的头盔、飞机的外壳、贝壳等。二、探究结构1、结构的稳定性：结构的稳定性是指结构在荷载的作用下维持其原有的平衡形式的能力，就叫做结构的稳定性。如三边确定的三角形构成稳定的几何结构。2、影响结构稳定性的主要因素：结构的稳定性与它的几何形状、支撑面积的大小和重心位置密切相关。也就是：结构的几何形状要科学合理、结构的支撑面积越大越好、结构的重心越低越好。3、影响结构强度的主要因素：1、内力：结构的强度是通过构件和材料实现的，构件在外力的作用下会发生形变，此时构件内部各质点之间会发生相互作用力，这种作用力叫作内力。构件受的外力越大，内力就越大，以维持构件的内力和外力的平衡。2、强度：在工程技术中不允许构件在正常使用的情况下被破坏，要求构件和材料具有抵抗破坏的能力，这种能力叫强度。3、应力：构件单位面积所受的内力叫做应力。N内力 =应力 =对应的公式A横截面积在国际单位制中应力的单位叫帕，符号是Pa，一般使用MPa；内力的单位是牛顿，符号是N；横截面积的单位是平方米，符号是M2。 4、强度与材料和材料的形状有关。相同材料，相同横截面积时，横截面形状“工”字形强度最大，横截面形状为圆形的强度最小。n5、构件连接处的强度是影响整个结构强度和稳定性的重要因素，而结构连接处的强度取决于它们的连接方式、连接技术和连接处的牢固程度等。n6、结构的连接方式（P19-21） 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，具体有松螺栓、销接等。 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，具体有榫接、胶接、焊接、固定铆接等。三、结构设计结构设计必须考虑它的受力情况、稳定性、强度、连接方式和材料的选用等。并能对结构设计进行基本的描述（图纸等）。还要从功能、实用、安全、经济、美观和人性化等角度综合考虑，以保证结构设计的目的和要求。四、结构的欣赏：（1）技术的角度主要有：结构功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料使用的合理性、工艺制造的精湛程度等。（2）文化的角度主要有：文化寓意与传达，公众认可的美学原则，反映的时代、民族、习俗方面的特征，结构的个性特征等。第二章 流程与设计一、了解流程1、流程的含义：流程：一系列连续有规律的活动，这些活动以确定的方式发生或执行，导致特定的结果实现。回家开门的流程：取钥匙插入锁孔旋转开门进屋；生活中科学合理的流程，可以知道我们正确地做事，提高工作和学习的效率，使我们的生活变得有序、合理，为我们的安全提供保障。生产中科学合理的流程可以有效地组织生产、提高生产效率、保证产品质量、保证安全生产、保护环境等。2、工作流程和工艺流程工作流程：反映要完成一件事情、一项任务而要进行的一系列有序的工作或活动的全过程。邮寄包裹的工作流程：取包裹单购买标准包装箱包装密封填写包裹单交寄收好回执单；工艺流程：反映了从原料投入到成品产出，通过一系列加工环节，顺序进行生产或制造某种产品的全过程。蔡伦造纸工艺流程：收集原料水浸剁碎水洗浸入草木灰水中加热蒸煮漂洗捣碎形成纸浆用纸模捞取纸浆滤水晾干成纸；二、流程的组成和描述1、流程的基本组成任何流程都包括具体的环节和时序的关系。1、时序：各环节按照一定的时间顺序先后出现、完成。这种时间顺序关系，称为时序。 （例：买票候车检票上车。）*（1）时间上的先后顺序称为时序。时序体现了具体活动内容的先后关系。（2）在这种先后关系中，有些步骤之间的时序是不可颠倒的，而有些是可以颠倒的。（3）不可颠倒的时序往往反映了事物或活动的内在规律或机理，我们应尊重和遵循这些规律或机理。对于一些可以颠倒的时序，我们应该注重分析和比较，并根据一定的目的和条件，进行适当的安排。2、环节：活动或事件在其发展的过程中，依据某种特征或方式，可将该过程分解为若干个小过程，称这些小过程为环节。 *环节是一个先对的概念，依据问题性质的不同和不同人的理解，环节的划分又会有所不同。有时环节中又包含若干可以分解的、目的更具体的事项。2、流程的描述 1、流程的描述可以用文字，也可以用表格、图示、动画等。2、方框流程图：指采用预先约定的几何图形和符号来表示流程的各个环节，以及各环节之间的顺序关系（时序）。方框流程图的符号如下所示：检测点和决策点开始和停止时序环节流程图的绘制是指在已经确定了流程的环节和时序后，利用预先约定的流程图的几何图形和符号绘制出来的。三、流程的设计n 1.能分析流程设计中应考虑的基本因素。(P55)生产活动的流程设计的基本因素主要有材料、工艺、设备、人员、资金和环境等。 材料：不同的材料有不同的加工处理方法。 工艺：不同产品的工艺要求各异，流程设计也不同。 设备：生产设备的水平往往决定了流程的自动化水平。 人员和资金：人员的技术水平和必要的资金影响生产的过程、质量和周期，是进行流程设计必须考虑的主要因素。 环境：生产过程对环境的污染以及环境对生产的反作用，是流程设计时应关注的重要因素。 不同行业的流程有不同的特点，流程设计中应考虑的基本因素也各不相同。如农业生产中还要考虑：气候、季节、自然灾害、生态平衡等。 2.了解流程设计一般步骤 （1）明确设计的目标和任务，明确流程所应遵循的内在变化规律。 （2）要分析现有材料、设备、资金、人员、工艺和环境等因素。 （3）列出流程设计的主要事项，并进行初步的排列。 （4）分析各事项（步骤）之间先后顺序，合理地安排流程的时序和环节。 （5）选择一种合适的表达方式画出流程图，对于有严格时间要求的时序，要标注时间。四、流程改进设计在流程的设计和实施过程中，要对流程进行不断的改进，以期取得最佳的效果。对流程的改进过程，称为流程的优化。流程改进的目的：提高工作效率、降低成本、降低劳动强度、节约能耗、减少环境污染、保证安全生产等。流程改进的步骤：分析现状、确定改进目标和要求、确定改进方案。流程的改进方法：可以改进环节（合并、删减）、时序（调整）、环节和时序同时改。第三单元 系统与设计一、认识系统1、系统的含义：系统：系统是指由两个或者两个以上相互联系、相互作用的元素所组成的具有一定的结构功能的有机整体。系统和子系统：系统有大有小，有简单有复杂。任何系统都是由子系统组成。子系统各具功能，它们之间相互依赖和相互作用，共同完成系统的整体功能。如人体系统是由呼吸系统、神经系统、消化系统、分泌系统、骨骼系统等子系统组成。子系统和元素：子系统可以层层分解成元素。元素与子系统是相对而言的。如肺是组成人体呼吸系统的子系统，也是组成人体的元素。2、系统的分类：1）、按照系统组成元素的性质：自然系统、人工系统、复合系统。2）、按照系统组成元素的存在形态：实体系统、概念系统。3）、按照系统的运动状态：动态系统、静态系统。4）、按照系统和外部环境的关系状态：开放系统、封闭系统。二、系统分析1、系统的基本特性：1整体性：是系统的最基本的属性，也是观察和分析系统最基本的思想和方法。系统的整体功能是各组分（元素）在孤立状态下所没有的。系统不是各个组分（元素）的简单相加。2相关性：构成系统的各元素之间存在着相互依赖、相互制约的特定关系，是彼此相关的。例如：人体的各个器官功能实现和人体的整体功能。3目的性：任何系统都是以时序某种功能为目的的，这是区别不同系统的主要标志。例如：汽车的速度和耗油量。4层次性：系统各个层次具有独自的功能，它们通过相互联系、相互作用共同完成系统的整体功能。例如：人体的功能、自然环境的综合治理。5环境适应性：系统都存在于一定的环境之中，并不断的与外界环境进行物质的能量的和信息的交换，系统必须适应外部环境的变化。例如：变色龙的改变颜色、雷鸟的羽毛。2、系统分析及其一般步骤：（1）什么是系统分析？系统分析是系统思想和分析方法的结合。系统分析研究的对象多种多样,没有统一的模式，但有基本的步骤和原则。（2）系统分析的一般步骤1、明确问题，设立目标 明确所要研究问题的性质和范围，提出所要达到的目标，明确约束条件2、收集资料，制定方案 收集相关资料，制定解决问题的各种备选方案，预计可能产生的各种结果3、分析计算，评价比较 对资料和数据做必要计算，进行各子系统的分析，再进行系统的整体分析，将各种方案进行评价对比，选择最佳方案（检验核实，作出决策 如果对方案不够满意，还可以按上述程序反复进行，直到获得满意的方案为止）系统分析的主要原则1、整体性原则:系统分析首先要着眼于系统整体，要先分析整体，再分析部分；先看全局，后看局部；先看全过程，再看某一阶段；要考虑长远，不能只顾眼前2、科学性原则:系统分析要尽可能运用科学方法和数学工具进行定量分析，使决策的过程和结果更具有说服力。3、综合性原则：系统分析总是为实现系统目标服务的。当系统存在若干个目标时，应将目标排出优先次序，首先选取最优的目标，然后尽可能在不损害第一个目标的前提下完成下一个目标。三、系统的优化就是在给定的条件下，通过一定的手段和方法，使系统获得更佳功能或更佳效益的过程。1.影响系统优化的因素目标函数：系统优化的目标与系统影响因素之间的关系约束条件：对系统优化目标起限制作用，并且是不能人为调节的。影响因素：对系统的目标函数产生显著影响，并且可以人为调节的因素。2.n系统优化的一般步骤将系统分解为若干子系统，确定各子系统的目标、功能及其相互关系，对子系统进行技术设计和评价，对系统进行总体技术设计和评价等。四、系统设计遵循设计的一般过程、原则和标准1.以实现系统整体效果最优为目的2.设计好系统的每个元素和子系统3.综合考虑系统各个元素和子系统之间的联系，合理解决它们之间的矛盾冲突第四单元 控制与设计一、了解控制1、控制的含义：人们按照自己的意愿或目的，通过一定的手段，使事物向期望的目标发展，这就是控制。2、开环控制与闭环控制能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用的系统，称为闭环控制系统，有时又称反馈控制系统。不能将控制的结果反馈回来，调整控制作用的系统，称为开环控制系统。3、手动控制与自动控制控制系统必须在人的直接干预下才能完成控制任务的系统叫手动控制系统。控制过程不需要人的干预，就可以按期望的规律或预定的程序运行的控制系统叫自动控制系统。4、理解控制在生产和生活中的应用控制应用到工业生产中，提高了产品的质量和生产效率，减轻了工人的劳动强度，为工人提供了安全保障。控制应用到日常生活中，提高了人们的生活质量，人类能够在一定程度上按照自己的意愿改变周围的环境，使之满足人们的要求。二、控制系统的组成和描述1、控制系统的组成 （1）开环控制系统控制器执行器被控对象输出量（被控量）输入量（给定量）控制量控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响，这种控制称为开环控制系统。系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递。（2）闭环控制系统控制器执行器被控对象被控量给定量（给定值）反馈环节控制量比较器系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统称为闭环控制系统。反馈环节测量出被控量并返回到系统的输入端；比较器将给定量与所检测的被控量进行比较，求出偏差值；控制器将这一偏差值进行运算处理，并向执行器下达控制指令；执行器根据指令对被控对象进行控制，从而使被控量稳定在一定范围内。 2、控制器：控制系统的控制命令发出的部分叫做控制器，如人的大脑。3、执行器：将控制器的控制信号转换成能影响被控对象的信号的装置，叫执行器。如投掷飞镖的手。4、控制量：能够对控制被控对象产生作用，从而使被控量发生变化的量，叫控制量。如发动机的进油量、施加给飞镖的力的大小。5、被控对象：控制系统控制的对象就是被控对象，如飞镖和发动机。6、被控量：就是一个系统实际控制的目的，有时系统的控制目的就是系统的被控量，如飞镖的落点和发动机的速度；但有时控制目的和被控量不一样，如我们控制化学反应的速度时，经常是通过控制反应的温度来实现。这时控制量就是反应温度，而被控量就是反应的速度。2、控制系统的框图表示（书中P117页图)三、简单控制系统的设计控制系统设计是工程设计的一个特例，一般设计原则仍然适用。第一步：确定控制目的第二步；确定系统的被控量，即系统要控制什么。第三步：目标系统被控量应达到的精度指标。第四步：选定控制系统的结构第五步：建立系统各环节的模型第六步：确定待调参数四、控制中的干扰1、干扰对控制的影响：干扰会使被控对象产生误动作。2、干扰在实际的控制系统中，常常会有一些变化不定的因素对系统的行为造成不利的影响，这种有害的因素称为干扰。3、克服干扰的基本方法就干扰的性质来说，有些干扰是可以避免的，对这类干扰，我们只能在提高控制系统的性能上我下工夫。而对于有些干扰，我们可以采取减弱的办法。克服干扰的基本方法是要分析干扰的性质，然后对症下药。