雨滴降落雨伞设计力学分析

1、-. z.长 治 学 院2014届学士学位毕业论文雨滴降落与雨伞设计的力学分析 学 号： 10405136 姓 名： *晓龙 指导教师： 闫 红 专 业： 物理学 系 别： 电子信息与物理系 完成时间：2014年5月学生诚信承诺书本人*重声明：所呈交的论文雨滴降落与雨伞设计的力学分析是我个人在导师闫红指导下进展的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得*学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。所有合作者对本研究所做的任何奉献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 日期：论文使用授权说明本人完

2、全了解*学院有关保存、使用学位论文的规定，即：学校有权保存送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或局部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名： 日期：-. z. 目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc32375 1引言 PAGEREF _Toc32375 1 HYPERLINK l _Toc31741 2雨滴下落探究 PAGEREF _Toc317411 2.1雨滴下落的影响因素 1 2.1.1粘性阻力2 2.1.2压差阻力2 2.2雨滴下落过程分析2 2.2.1粘性阻力下的运动过程3 2.2.2压差阻力下的运动过程4 2.2.

3、3结论5 HYPERLINK l _Toc31654 3雨伞设计5 HYPERLINK l _Toc9006 3.1分析伞柄设计5 3.1.1选料6 3.1.2长度6 HYPERLINK l _Toc19328 3.2分析伞把设计6 HYPERLINK l _Toc32378 3.3分析伞骨设计7 3.3.1选材7 3.3.2优点9 3.4分析伞面设计11 HYPERLINK l _Toc1963 4实际应用13 HYPERLINK l _Toc21485 4.1公交亭设计理由13 HYPERLINK l _Toc26440 4.2公交亭设计13 HYPERLINK l _Toc22467 支

4、柱设计14 HYPERLINK l _Toc8141 支架设计15 4.2.3亭面设计16 HYPERLINK l _Toc8687 5总结17 HYPERLINK l _Toc22707 参考文献18 HYPERLINK l _Toc22811 致 谢19雨滴降落与雨伞设计的力学分析专业: 物理学*: *晓龙*: 10405136指导教师：闫红摘 要：雨伞的设计受雨滴下落和风的影响，雨滴下落的运动是常见的运动形式，其形式比拟复杂，假设条件不同，运动情况就不同。它的研究在日常生活及物理教学中具有普遍的意义。雨滴下落的运动属于一种力学现象，力学是我们学习的一门重要的根底课程，运动学和动力学又是力

5、学中的根本内容。因此本文将主要从这两方面对雨滴下落的运动进展研究，然后分析雨伞的设计，主要分析伞柄设计、伞骨设计和伞面设计。最后通过理论联系实际，结合实际生活将雨伞的构造应用在公交车亭设计中。 本文首先简单分析了雨滴下落的运动过程及所受力的分析，主要研究了雨滴下落到地面时候的速度和给地面的力；其次分析雨伞的材料选择、构造优势和合理性；最后通过理论结合实际，把雨伞构造应用在公交车亭，优化公交亭的设计。雨滴下落与雨伞设计的研究有助于我们更好的掌握力学理论，也有利于学以致用。关键词：雨滴下落；收尾速度；应力；材料；力学；公交亭-. z.1引言雨伞自古以来都是人类生活中必不可少的工具，经过千百年的锤炼

6、，现在雨伞的功能更加全面，构造更加合理。随着社会经济的快速开展，工业原料浪费问题日益严重，造成原料的日益匮乏，因此杜绝浪费，节约原料势在必行。首先；通过对雨伞构造进展力学分析，合理的选择材料的类型、形状、尺寸等，从而使得物尽其用，节约用料。其次；通过联系实际生活，将雨伞比拟合理的构造应用在生活中不太合理的事物中。优化该事物构造的同时节省了材料。伞主要是用来遮风、挡雨的。风雨是影响伞的两大要素，因此在对雨伞进展设计以前必须先对雨滴下落过程进展研究。2 雨滴下落过程分析2.1雨滴下落的影响因素下雨是常见的自然现象，如果雨滴下落为自由落体运动，则雨滴落到地而时，速度可到达数百米每秒，对地表动植物危害

7、十分巨大。但实际上动植物都没有被雨滴砸伤，因为雨滴下落时不仅受重力，还受空气的浮力和阻力，三者共同作用于雨滴，才使得无论是小雨浙沥还是大雨傍沱，雨滴都不会因速度太大而将人畜击伤。如果将雨滴看作质点，不考虑空气浮力和阻力，雨滴作自由落体运动,由质点运动学的相关公式； 1 2 可知，雨滴从2000m高的云层下落到地而时的速度约为200m/s，大约是赛车的两倍。根据动量定理粗略计算，一个直径为10 mm的如此速度的雨滴撞击在物体表而产生的作用力超过1000N。这样的雨滴砸在人身上，后果不堪设想。但实际上雨滴在空气中下落时，它所受到的空气阻力将随它下落速度的增加而增加，因此雨滴下落时的加速度不像自由落

8、体那样恒定不变，其下落速度也不会像自由落体那样增加。我们把雨滴看作质量不变的球体进展研究，没有考虑雨滴半径增加对其下落速度的影响，得出雨滴下落最后将到达一个恒定不变的最大速度，叫做收尾速度。然而，雨滴在下落过程中不断吸收空气中的水汽尘埃等，半径将会有所增加。假设雨滴从2000m高空下落，空气中水蒸气含量为100，雨滴通过的空间内全部水蒸气被其吸收，则雨滴半径增加量至少和其初始半径相当。可见，雨滴半径增加量不可以忽略。但由于不同大气条件下雨滴半径增加量也不尽一样，准确讨论雨滴半径的增加量是不可能的。为不使问题过于复杂而偏离主题，在此，只讨论雨滴半径增加量的上下限；下限为零，上限在接下来的讨论中将

9、根据实际情况而定。 从上面讨论可知，影响雨滴下落的因素主要是空气阻力和雨滴半径的增加。空气阻力分类；由流体力学可知，雨滴在空气中下落，所受阻力有两种，分别是粘性阻力和压差阻力。2.1.1粘性阻力雨滴在空气中相对空气运动,雨滴外表有附面层,该层靠近雨滴的微团相对于雨滴静止,靠该层外侧的空气微团则有雨滴的速度。因此附面层内存在速度梯度和黏性力,表现为物体的阻力，该阻力叫黏性阻力。比拟小的物体在粘性较大的流体中缓慢运动，即雷诺数很小的情况下，粘性阻力是主要因素，可用斯托克斯公式描述，即粘性阻力； 3 式中，是空气的粘滞系数；r是雨滴的半径；v是雨滴的下落速度。 公式3在雷诺数比1小很多时才正确，即。

10、雷诺数是一个无量纲的数， 4 式中，L与物体横截而积相联系的特征长度，流体的粘滞系数，v物体的速度。2.1.2压差阻力压差阻力的产生是由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的。压强差所产生的阻力、就是压差阻力。用刀把一个物体从当中剖开，正对着迎风吹来的气流的那块面积就叫做迎风面积。如果这块面积是从物体最粗的地方剖开的，这就是最大迎风面积。从经历和实验都不难证明：形状一样的物体的最大迎风面积愈加大，压差阻力也就愈加大。压差阻力与粘性阻力同时存在，但涡旋产生后，粘性阻力不占重要地位。球形物体在流体中所受压差阻力； 5 式中，p流体密度，S物体与流体垂直方向的最大横截而积，阻力系数。2.2雨滴下落

11、过程2.2.1空气阻力以粘性阻力为主雨滴在重力、浮力和粘性阻力的共同作用下，运动方程； 6式中，(下同)。先不考虑雨滴半径增加，即将m视为常量，6式可写为； (7) 式中，取初始条件v(0)=0，解方程可得； (8) 式(7)中，令，可得收尾速度 9式9中,，。可得； 10 代入，可得； 11 斯托克斯公式的适用条件是Re比1小很多可得雨滴半径； 12 假设存在:的雨滴，则其收尾速度，雨滴几乎瞬间就能到达这个速度。由公式； 13 可得；当速度从0增加到时，所用时间； 14 这段时间十分短暂，故而认为此过程雨滴的半径:不变。此后雨滴以为初速度下落，半径增加。而本节讨论中，雨滴半径需要满足斯托克斯

12、公式的适用条件，即雨滴落至地而的半径必需满足:。 考虑雨滴半径的增加，则雨滴质量为变量，雨滴的运动方程(6)为； 15 16联立(15)、(16)两式可得； 17代入边界条件，。雨滴最大速度； 18 雨滴即使以速度从2000m高空下落，仍需要大约4个小时才能到达地而。这么长的时间雨滴早在落地之前就蒸发消失了，显然不存在这种雨滴。气象学研究说明这种极小雨滴只存在于云层中，它需要和更小的雨滴合并，生成较大的雨滴，之后才能从云层中掉下来。这也说明，斯托克斯公式只适应于微小现象，雨滴在云层中的生成过程可以用斯托克斯公式来计算，而雨滴在空气中下落，斯托克斯公式便不再适用了。2.2.2空气阻力以压差阻力为

13、主雨滴在重力、浮力和压差阻力的共同作用下，运动方程； 18先不考虑雨滴半径增加，即将m视为常量，上式可写为； 19式中 令式(19)中，得收尾速度； 20阻力系数近似为将普通雨滴的半径 代入得； 21 到达这个速度所需要的时间也是很短的，因为式(19)代入初始条件v(0)=0可得； 22时，此速度己经非常接近收尾速度，而t=100s.因为这一过程时间较短，故而认为雨滴此过程中半径不变。此后，雨滴以为初速度下落，半径增加。由于实际观测到的最大雨滴半径为，我们取雨滴到达地而时半径增加至最大值。 考虑雨滴下落过程中的半径增加，则雨滴质量为变量，雨滴的运动方程(18)写为； 23 24 = 25 =联

14、立(24),(25)两式得； 26代入边界条件 =4. 20m，得最大速度； 27 此速度为雨滴落至地而的最大速度，根据动量定理粗略计算，最大雨滴以此速度撞击在物体表而产生的作用力约为0. 6N，这个结果是比拟切合实际的。2.2.3总结 本节首先分析了雨滴下落过程的受力情况，进而分析了粘性阻力和压差阻力的适用条件，最后运用运动学相关知识对雨滴下落进展了一般讨论，讨论雨滴下落的时候，先不考虑雨滴半径的增加，然后结合实际现象讨论了雨滴半径增加对结果的影响，得出以下结论: (1)下落过程中受空气阻力满足斯托克斯公式的极小雨滴只存在于云层中。 (2)由于考虑雨滴下落过程中半径一直在增加，严格的收尾速度

15、便不存在了，但通过计算发现雨滴落至地而时的速度也不是很大。可见，不存在严格收尾速度的雨滴下落模型也是合理的。 (3)由知，雨滴半径越大其速度越大。雨滴半径各不一样，其收尾速度也各不一样。但一般降雨雨滴的半径分布在和之间，通过以上计算可知大量雨滴的收尾速度分布在 =4. 20m和之间。 (4)尽管雨滴在下落过程中并不是严格的球体，但从计算结果来看，这一点没有对本文讨论的情况造成太大影响。 5最大雨滴的冲击力仅有0. 6N，考虑风的影响和雨滴表而的弹性，这个作用力还会更小，显然不会对地表动植物或建筑物等造成损害。 (6)此结论也适用于冰雹，由于冰的密度比水小，其收尾速度比雨滴还要小。但冰雹的破坏力

16、极大，因为其表而坚硬，与物体的作用时间短，使得作用力较大。3雨伞设计3.1伞柄设计3.1.1选材由上节研究可知F=0.6N ，通过测量一般伞伞面半径R=60cm，则有面积；=0.363.14=1.1304 28雨滴最大半径，面积；= 29可知，雨滴数目；11112， 30实际雨滴在空间分布有一定的密度，由此计算出来的雨滴数目10到100，可知雨滴给雨伞的合力到60N伞杆所受应力； (31)经测量伞杆内外径分别为，可得；到1005.70。 323.1.2长度 从经济、便携方面考虑伞杆长度越短越好，且做成空心更好。从人体力学方面考虑，人最舒适的关节活动*围是前臂长的弯曲在145*围内。肘高离眼 2

17、98mm。综合考虑，所以伞柄长一般在50- 60cm之间，并且做成几节相连，这样在使人最舒适的情况下，节省了材料，有利于携带，有利于稳定性。3.2 伞把首先，当伞把的摩擦系数一定，且单位面积的摩擦力相等为时，由受力分析平衡条件可知； 32摩擦力公式； 33由式33可知，随着伞柄的增大，s增大，减小，减小，为手对伞把的压力，由此可知伞把越大越好。 其次 由于下雨天通常伴随着闪电，闪电电压一般很高，并且伞杆一般为铁质材料，导电性极好，因此为了防止雷电伤人事件的发生，伞把应选择绝缘性能特好的材料。 再次 伞把的大小要与手的大小成一定的比例，为了考虑折伞时能很好的把伞骨包容好，伞把的高度一般设计在手掌

18、的二分之一高，一般在2cm- 5cm，伞把的圈大小，一般在手指的长度*围内，使人能握着舒服且握得牢，这样一来手握伞把时就能很灵活的转动它，以便在使用中更换动作。3.3伞骨 伞骨构造图 为了处理方便，本身知识水平有限现只对这个构造做简单的分析，在分析前需做如下假设已简化计算过程，得到教准确结果。假设一；构造中各个钢丝 ，钢条都是圆形的。实际是钢槽U型假设二；本次计算中所用长度角度均为可能值而非确定值。 假设三 ；在受力时各杆都是直杆。假设四 如图伞面上每两个圆环和直线组成的图形近似看做长方形。一把伞中有7跟伞骨，每根分得的伞面面积；=0.1615 34 伞面平面图3.3.1选材伞骨受力图如下列图

19、a=1cm、b=20cm、r=1.5mm，伞面等效弧长s=40mm，等效面积；=0.084 35由前面可知雨滴面积；= 29可知，雨滴数目；8257 36由雨滴密度可得；实际雨滴数8到75合力到45N由公式； 37 =22.86N到214.29N 伞骨受力分析的伞骨受力图，由合力矩为0可知； 38可得=45.61N 到427.51N，铰接点所受合力；= 39 =50.41N到472.51N 最大弯矩M=0.46到4.29。由弯曲应力公式； 40其中 ，带入数据可得1389.01MPa到12953.99MPa。 伞骨受力图 伞骨受力图如下列图l=20cm，r=1.5mm，由于杆夹角一般在到，由杆

20、与杆杆接触点受力分析可得；=sin10 41 =0.84N到7.82N应力定义式； 42 可得373.34KPa到3475.56kpa。 伞骨受力图 伞骨受力图如下列图a=2cm ，b=20cm，c=1cm ，r=1.5mm。伞面等效弧长平均值s=20mm等效面积； 43 =0.046由前面可知雨滴面积；=1.01736 29 可知，雨滴数目；4522 44由雨滴密度可得，实际雨滴数5到41合力到24.6N。由公式； (45) (46) =13.05N到106.96N 由伞骨受力分析得伞骨受力图，由合力矩为0，可知； 47由伞骨受力图可得=50.41N到472.51N，=44.92N到421.

21、02N，当取最小值取最小值时只可取最小值，即=97.23N。当取最小值取最大值时只可取最大值，即= 768.28N当取最大值取最小值时只可取最小值，即=220.49N当取最小值取最小值时只可取最小值，即=97.23N。 伞骨受力图 伞骨受力图如下列图l=8cm ，r=1.5mm，由于杆夹角一般在到，由杆与杆接触点受力分析可得；= 48 =0.84N到7.82N应力定义式； 50 =373.34KPa到3475.56kpa。 伞骨受力图 伞骨夹角图 伞骨伞骨分析过程类似前面伞骨的分析过程，在此省去计算过程，通过上述过程我们计算出每根伞骨的应力*围，由于我们在处理数据时候都是用的*围中最大数，所以

22、最终求得的结果比实际情况大的多，只要按照所求数据的强度要求选取材料，即可满足雨伞所受载荷的强度要求。因此通过前面计算数据，结合各种类、各规格强度标准表，即可选定较合理的材料。3.3.2伞骨的构造优势3.3.2.1铰接点设计由于衔接点出伞骨的外形突发改变，会产生很大的应力集中，(应力集中是指受力构件由于外界因素或自身因素几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部*围内应力显著增大的现象)应力集中随着载荷的增大而增大，当应力集中到达一定程度时，就会从接口处破坏构造，因此伞具一般在衔接点处断裂。减小衔接点的应力是提高伞的寿命的关键因素。通过提高冶金质量、加工质量可有效减小应力集中。尽量使构建的外形圆滑过渡

23、，例如使用倒圆、倒角等，可明显降低局部应力集中。伞骨铰接点设计就是应用了较小集中应力的方法。3.3.2.2整体设计 整体设计图 伞骨； 如上图伞骨受到雨滴作用时，同时受到伞骨向上的拉力作用点在铰接点处，伞骨的沿方向伞骨垂直伞骨向下的力的作用作用点在衔接点处，阻碍雨滴对雨伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，受到沿方向拉力作用，作用点在铰接点处，同时受垂直向下的力的作用，作用点在衔接点处，这两个作用力使得伞保持原来状态，减小风对伞的影响。 伞骨； 当伞骨受到雨滴作用时伞骨受到伞骨给的压力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个压力减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，伞骨受到伞骨一拉力作用，此

24、时伞骨主要是给一个拉力作用，从而减小风对雨伞的影响。 伞骨；当伞骨受到雨滴作用时伞骨受到伞骨给的垂直向上的力作用，作用点在铰接点处，同时还给一个垂直向下的力，作用点在铰接点处，伞骨主要作用就是给伞骨一个垂直于向上的力合一个垂直于向下的力，减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，伞骨受到伞骨垂直向上的力作用，作用点铰接点处，此时伞骨主要是给垂直向下的力的作用，从而减小风对雨伞的影响。 伞骨；当伞骨受到雨滴作用时伞骨受到伞骨给的沿方向的拉力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个沿方向拉力作用，从而通过伞骨给伞骨一个垂直的拉力作用，从而减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，伞骨受到伞骨一

25、压力作用，此时伞骨主要是给个沿方向压力作用，并通过伞骨给一个垂直的压力，从而减小风对雨伞的影响。 伞骨；当伞骨受到雨滴作用时伞骨受到伞骨给的沿伞骨方向的压力力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个沿方向向上的力作用，从而通过伞骨给伞骨一个垂直的拉力作用，从而减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，伞骨受到伞骨沿伞骨方向拉力力作用，此时伞骨主要是给个沿方向向下的力作用，并通过伞骨给一个垂直的压力，从而减小风对雨伞的影响。当伞骨受到雨滴作用时伞骨受到伞骨给的沿方向向左的力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个沿方向压力作用，从而通过伞骨给伞骨一个沿方向向右的力作用，从而减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风

26、中向上翘起时候，伞骨受到伞骨沿方向向右的力的作用，此时伞骨主要是给个沿方向拉力作用，并通过伞骨给一个沿伞骨方向向左的力的作用，从而减小风对雨伞的影响。 伞骨；当伞骨受到雨滴作用时，伞骨受到伞骨给的沿伞骨方向的压力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个沿方向的力作用，从而通过伞骨给伞骨沿方向压力，给伞骨一个垂直向上的力作用，从而减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，伞骨受到伞骨沿伞骨方向拉力作用，此时伞骨主要是给个沿方向的力作用，并通过伞骨给一个沿拉力，给一个垂直方向向下的力的作用，从而减小风对雨伞的影响。 当伞骨受到雨滴作用时伞骨受到伞骨给的沿方向的拉力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个沿方

27、向拉力作用，从而通过伞骨给伞骨一个沿方向的拉力作用，从而减小雨滴对伞的影响。当伞骨一在风中向上翘起时候，伞骨受到伞骨给的沿伞骨方向的压力作用，伞骨主要作用就是给伞骨一个沿方向的压力作用，从而通过伞骨给伞骨沿方向向上的力，从而减小风对雨伞的影响。 经济方面；本构造屡次运用杠杆原理优化各段材料的受力情况，降低了雨伞对材料的强度要求，从而不必选用特殊材料的物质来加工雨伞，尽可能的降低了本钱，同时构造有很多局部构成，其中每局部都是独立的，可拆分的，这样的话当雨伞出现局部故障的时候，可以通过跟换局部部件即可，不必像有些一体设计的东西那样局部出问题整体废弃，以至于我们必须以旧换新。雨伞这种多局部独立构造不

28、仅节约了经济的消耗，还减少废品的产生。3.4伞面 雨滴未透过伞面原因分析；下雨天，雨滴落在伞面上却没有透过伞面布而掉落在人身上，原因主要是；第一，雨滴下落到伞面时，雨滴由于外表*力聚集在一起，由于雨滴下落速度很小，冲击力很小，不能突破雨滴外表的外表*力使得雨滴变得更小。第二，翻开雨伞之后，伞面被拉直，使得线条之间的缝隙更加小，再加上伞的大局部地都有一个斜度，而由于雨滴的重力的斜向分力大于摩擦力，就使得雨滴沿着斜向分力的方向划落，综合上述三个方面，以至于雨滴无法通过伞面散落在人的身上。伞面角度问题分析；为了分析雨滴怎样才能顺利的从伞面滑落，根据雨滴在雨伞上运动实际情况，建立等效模型，即一球形重物

29、在斜面上由静止自由下落的模型。如下列图 运动模型图 受力分析图模型受力分析如上图，根据受力平衡可知； 51 (52) 物体正好能从斜面自由下落时满足方程； 53联立515252可得，斜面临界角； 54通过擦资料可得雨滴和雨伞间的摩擦因数一般为0.3左右，将摩擦因数代入式54中可得，16.599。因此只要雨滴就可以顺利的从伞面流下。同时，当人打伞时候，首先伞面长度要能挡住自己的身体。伞面直径应为成人肩宽的2到3倍。其次伞面不要挡住眼睛，构造图如下列图 构造图图中；r为成人肩宽1.5倍75cm，眼睛到头顶距离加伞上支架到伞顶距离，一般为40cm。可知； 55 =28.07因此可知当时，人的视线就有

30、可能被挡住，因此伞面倾角 伞面优化分析； (1)启示；我们日常见到的条幅上的排风口，当强风吹过来的时候，通过排风口排出，从而大大减小风对条幅的力，以至不会损坏条幅。同时我们日常还能见当有雨水落到瓦房顶时，每个扇片瓦片彼此重叠，水无法进入其中。我们可以把这两种构造应用到伞面的改造上。(2)设计；伞面本为一个密不透风的整体，强风吹伞面上时，伞要承受全部风的作用力。我们是把4个1/8伞面设置对称通气孔，并在每根伞骨上设置一高出伞面切平行伞骨的直杆，通气孔上方设置类似瓦片的构造，针线缝瓦片构造的上左右面，这种雨伞既能挡住雨不使雨滴通过伞面，也能提高雨伞的抗风能力。3抗风性与防雨性能测试在起风的下雨天，

31、在室外风力雨力适宜的地点对改造前后的雨伞进展防翻能力的表1 比照试验数据表风力强风约6级大风约7级人工制造风力大于7级普通雨伞雨伞撑起时费力雨伞有翻折趋势雨伞彻底翻折透气伞撑起相对很省力伞面抖动撑伞费力，伞面剧烈抖动，但未翻折4应用4.1设计理由根据雨伞的作用主要是用来避雨，防风，防晒等等，可以想到生活中的公交站亭同样也起着这些作用，然而实际生活种公交站亭存在如下问题；第一公交亭大多设计笨重，构造不合理等等，使得公交亭使用寿命短。第二公交亭耗材多，且对材料强度有一定要求，使得材料大量浪费。第三公交亭一般采用一体构造使得维护困难，一般局部出问题整体跟换，造成大量浪费。因此通过应用雨伞的构造到公交

32、亭设计是由必要的，通过优化的公交亭的构造有如下优势第一通过优化后的公交亭会有更好的避雨，防风，防晒等功能。第二通过优化后的公交亭具有设计轻巧，构造趋于合理等特点，从而增加公交亭的寿命。第三通过优化后的公交亭耗材少且减低对材料强度的要求，从而减低了本钱。第四通过优化后的公交亭采用分局部组装，其中每个局部都是独立的，当*局部处问题时，只需跟换这一局部构件即可，不必整体跟换，从而节省维护费用。4.2设计4.2.1支柱设计 支柱设计平面图支柱设计如图，其整体构造设计灵感来源于伞杆设计，其中局部为相当于伞杆与伞骨连接局部，且通过图中构造连接起来。局部为中间支柱局部，承当着全部设备的大局部重量。局部相当于

33、伞柄，减弱整体构造对地面的应力，其中地面大圆盘大大增加了底面积，从而有效减小地面应力，而三角形构造是正对大风设计的，增加柱子抗弯曲能力。支柱可以通过膨胀螺丝固定在地面。整个柱体想伞杆一样，设计成空心柱体，理由横截面积相等的空心和实心圆轴相比,空心圆轴的强度和刚度大，选材一般需要考虑强度，刚度，稳定性，经济等因素。对整个构造手里分析可知，支柱主要受自身，衍架，顶板重力，当下雨时候还会受到雨滴给的力，且都是压力，想研究伞杆那样，通过应力分手，对照应力标准表，选出满足应力要求的材料，本着经济的要求，再在这些满足应力要求的材料中原则出适宜的材料，这样我们就完成选材工作。4.2.2支架设计 衍架设计平面

34、图 衍架设计如图，其整体构造设计灵感来源于伞骨设计，其中局部为相当于伞杆与伞骨连接局部。局部相当于伞骨，上面固定着顶板，其手里情况和雨伞伞骨中情况大致一样，具有雨伞合理的受力构造。整个衍架像伞骨一样，设计成空心柱体，理由横截面积相等的空心和实心圆轴相比,空心圆轴的强度和刚度大。交接点处设计应像雨伞交接点那样，尽可能的减小应力集中对材料的损坏。 选材一般需要考虑强度，刚度，稳定性，经济等因素。对本构造分析可知，就像伞骨受力分析一样，个杆受力情况不同，应向伞骨受力分析那样，各个杆独立分析，分别得到各个杆的强度和刚度，再考虑经济的因素，选择出较合理的材料。这样我们就完成选材工作。4.2.3亭顶面设计 亭顶设计分块图 顶板设计草图 顶板设计；其设计灵感来源于雨伞三面改进设计，整体构造为正方形，且正方形是由八块如图的三角形组成，不同顶板固定在不同的衍架杆上，形成顶板接触边上下有一定距离，水平有一定重合局部的顶面，整体外形像雨伞一样向外有一定倾角，上下间距有利于风的通过从而减小风对公交亭的影响，水平存在一定重合，是为了防止雨滴通过缝隙进入亭中，整体外形像雨伞一样向外倾斜，是为了让