工程學(xué)機械工程知識梳理與習(xí)題姓名_________________________地址_______________________________學(xué)號______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線--------------------------1.請首先在試卷的標(biāo)封處填寫您的姓名，身份證號和地址名稱。2.請仔細(xì)閱讀各種題目，在規(guī)定的位置填寫您的答案。一、選擇題1.機械設(shè)計的基本要素包括：

1)機械的尺寸和形狀

2)機械的力和運動

3)機械的材料和結(jié)構(gòu)

4)機械的控制系統(tǒng)

2.材料的彈性模量E與泊松比μ之間的關(guān)系是：

1)E=2G(1μ)

2)E=3Gμ

3)E=G(1μ)

4)E=2G(1μ)

3.在機械傳動中，下列哪種傳動方式效率最低？

1)圓柱齒輪傳動

2)蝸桿傳動

3)聯(lián)軸器傳動

4)蜜蜂輪傳動

4.機械加工中，下列哪種加工方式精度最高？

1)車削加工

2)銑削加工

3)鉆削加工

4)磨削加工

5.機械零件的疲勞破壞通常發(fā)生在：

1)最大載荷作用處

2)載荷最小處

3)載荷均勻分布處

4)載荷變化劇烈處

6.機械系統(tǒng)中，下列哪種類型的沖擊響應(yīng)對系統(tǒng)影響最大？

1)突變沖擊

2)持續(xù)沖擊

3)恒幅沖擊

4)周期沖擊

7.機械設(shè)計中，下列哪種方法可用于優(yōu)化設(shè)計方案？

1)經(jīng)驗法

2)有限元分析

3)逆向設(shè)計

4)剪切法

答案及解題思路：

1.答案：C

解題思路：機械設(shè)計的基本要素包括機械的尺寸和形狀、機械的力和運動、機械的材料和結(jié)構(gòu)以及機械的控制系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機械設(shè)計不可或缺的部分。

2.答案：A

解題思路：根據(jù)胡克定律，材料的彈性模量E與泊松比μ之間的關(guān)系是E=2G(1μ)，其中G為剪切模量。

3.答案：B

解題思路：在機械傳動中，蝸桿傳動由于摩擦損失較大，效率最低。

4.答案：D

解題思路：磨削加工是機械加工中精度最高的加工方式，因為它能獲得極小的表面粗糙度和尺寸精度。

5.答案：D

解題思路：機械零件的疲勞破壞通常發(fā)生在載荷變化劇烈處，因為這種情況下應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯。

6.答案：A

解題思路：突變沖擊對機械系統(tǒng)的影響最大，因為它會在短時間內(nèi)產(chǎn)生巨大的沖擊力。

7.答案：B

解題思路：有限元分析是一種現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計方案方法，通過模擬和計算，可以優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高其功能。二、填空題1.機械系統(tǒng)運動的基本方程是\[\sumF=ma\]或\[m\ddot{r}=\sumF\]。

2.材料的抗拉強度σ_b是指材料在拉斷時的最大應(yīng)力值。

3.下列哪項是機械零件的失效形式？過載斷裂、磨損、變形。

4.機械設(shè)計的目的是實現(xiàn)準(zhǔn)確性、可靠性、經(jīng)濟性和環(huán)保性。

5.機械零件的強度是指零件在正常工作條件下抵抗破壞的能力。

答案及解題思路：

答案：

1.\[\sumF=ma\]或\[m\ddot{r}=\sumF\]

2.材料在拉斷時的最大應(yīng)力值

3.過載斷裂、磨損、變形

4.準(zhǔn)確性、可靠性、經(jīng)濟性、環(huán)保性

5.零件在正常工作條件下抵抗破壞的能力

解題思路：

1.機械系統(tǒng)運動的基本方程反映了牛頓第二定律，其中F是作用在系統(tǒng)上的合外力，m是系統(tǒng)的質(zhì)量，a是系統(tǒng)的加速度，r是位移矢量。

2.抗拉強度是材料力學(xué)功能中的一個重要指標(biāo)，指材料在拉伸過程中達(dá)到斷裂前的最大應(yīng)力。

3.機械零件的失效形式主要包括由于載荷過大導(dǎo)致的斷裂，由于相對運動導(dǎo)致的磨損，以及由于材料或設(shè)計不足導(dǎo)致的變形。

4.機械設(shè)計的多目標(biāo)原則包括了滿足使用目的的準(zhǔn)確性，保證長期穩(wěn)定運行的可靠性，降低成本的經(jīng)濟學(xué)考量，以及對環(huán)境影響的最小化。

5.強度是衡量材料或結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，對于機械零件來說，是指其在預(yù)期的工作條件下能夠承受的最大載荷而不斷裂或失效的能力。三、判斷題1.機械設(shè)計的創(chuàng)造性體現(xiàn)在設(shè)計方案的創(chuàng)新和優(yōu)化。

答案：正確

解題思路：機械設(shè)計的創(chuàng)造性確實體現(xiàn)在設(shè)計方案的革新和優(yōu)化上，這包括引入新概念、新結(jié)構(gòu)、新材料和新工藝，從而提高機械的功能和效率。

2.機械系統(tǒng)的動力學(xué)特性是指系統(tǒng)在外力作用下運動變化的規(guī)律。

答案：正確

解題思路：機械系統(tǒng)的動力學(xué)特性描述了系統(tǒng)在受力后的動態(tài)行為，即系統(tǒng)在外力作用下如何運動以及運動變化的規(guī)律。

3.在機械設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)強度計算是為了保證零件在規(guī)定的工作條件下不發(fā)生破壞。

答案：正確

解題思路：結(jié)構(gòu)強度計算是保證機械零件在預(yù)期的負(fù)載條件下不會發(fā)生斷裂或其他形式的破壞，保證機械系統(tǒng)的安全可靠運行。

4.材料的熱處理可以提高材料的強度、硬度、塑性和韌性。

答案：正確

解題思路：熱處理是改善材料功能的重要方法之一。通過適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂坪捅貢r間，熱處理能夠顯著提高材料的機械功能。

5.機械系統(tǒng)中的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)能夠在受到干擾后自行恢復(fù)原狀態(tài)。

答案：正確

解題思路：機械系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在遭受外部干擾后，能夠通過自身的調(diào)整機制恢復(fù)到初始穩(wěn)定狀態(tài)的能力，保證系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。四、簡答題1.簡述機械設(shè)計的基本步驟。

解答：

機械設(shè)計的基本步驟

a.需求分析：明確設(shè)計目的、功能、功能要求和環(huán)境條件。

b.概念設(shè)計：提出多種設(shè)計方案，進(jìn)行初步的技術(shù)和經(jīng)濟評估。

c.詳細(xì)設(shè)計：選擇最佳設(shè)計方案，進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、零部件設(shè)計和工藝設(shè)計。

d.校核與優(yōu)化：對設(shè)計進(jìn)行強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的校核，并進(jìn)行優(yōu)化。

e.制造與試驗：根據(jù)設(shè)計圖紙進(jìn)行制造，并進(jìn)行必要的試驗驗證。

f.技術(shù)文檔編制：編寫技術(shù)說明書、操作手冊等相關(guān)技術(shù)文檔。

2.簡述機械設(shè)計中強度、剛度和穩(wěn)定性之間的關(guān)系。

解答：

在機械設(shè)計中，強度、剛度和穩(wěn)定性是保證機械正常工作的重要功能指標(biāo)，它們之間存在以下關(guān)系：

a.強度：指材料在受到外力作用時抵抗變形和斷裂的能力。強度越高，機械零件承受載荷的能力越強。

b.剛度：指材料在受到外力作用時抵抗變形的能力。剛度越高，機械零件的變形越小，保持形狀和尺寸穩(wěn)定性的能力越強。

c.穩(wěn)定性：指機械在受到外力作用時保持平衡的能力。穩(wěn)定性好的機械在受到干擾時能夠迅速恢復(fù)平衡。

這三者之間相互關(guān)聯(lián)，通常在設(shè)計過程中需要綜合考慮。例如在設(shè)計高速旋轉(zhuǎn)的機械零件時，需要兼顧強度和剛度，以保證在高速旋轉(zhuǎn)時不會發(fā)生斷裂和過大的變形，同時也要考慮穩(wěn)定性，以防止因不平衡導(dǎo)致的振動和噪音。

3.簡述材料疲勞破壞的特點及其影響因素。

解答：

材料疲勞破壞是指在交變應(yīng)力作用下，材料在遠(yuǎn)低于其靜態(tài)屈服強度的情況下發(fā)生的斷裂現(xiàn)象。其特點

a.斷裂發(fā)生在應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強度。

b.斷裂前沒有明顯的塑性變形。

c.斷裂過程通常表現(xiàn)為裂紋的擴展。

影響材料疲勞破壞的因素包括：

a.材料性質(zhì)：如硬度、韌性、晶粒大小等。

b.加載條件：如應(yīng)力幅、加載頻率、應(yīng)力集中等。

c.環(huán)境因素：如溫度、濕度、腐蝕等。

d.設(shè)計因素：如結(jié)構(gòu)形狀、連接方式等。

e.制造工藝：如熱處理、焊接等。

答案及解題思路：

答案：

1.機械設(shè)計的基本步驟包括需求分析、概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、校核與優(yōu)化、制造與試驗、技術(shù)文檔編制。

2.強度、剛度和穩(wěn)定性在機械設(shè)計中相互關(guān)聯(lián)，強度保證承受載荷的能力，剛度保證抵抗變形的能力，穩(wěn)定性保證保持平衡的能力。

3.材料疲勞破壞的特點是斷裂發(fā)生在應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，無明顯的塑性變形，斷裂過程表現(xiàn)為裂紋的擴展。影響因素包括材料性質(zhì)、加載條件、環(huán)境因素、設(shè)計因素和制造工藝。

解題思路：

1.理解機械設(shè)計的基本流程，包括每個步驟的目的和內(nèi)容。

2.分析強度、剛度和穩(wěn)定性在機械設(shè)計中的作用和相互關(guān)系。

3.掌握材料疲勞破壞的定義、特點以及影響因素，并結(jié)合實際案例進(jìn)行分析。五、計算題1.某機械零件的材料屈服極限σ_s為200MPa，求零件的最大承載能力F。

解題過程：

最大承載能力F可以通過屈服極限σ_s和零件的橫截面積A計算得出。由于題目未給出橫截面積，我們假設(shè)零件為簡單形狀，如圓柱形，則橫截面積A=πd^2/4，其中d為零件直徑。

F=σ_sA

F=200MPa(πd^2/4)

由于沒有提供直徑d的具體數(shù)值，無法直接計算出F的數(shù)值。因此，此題目需要提供直徑d的數(shù)值才能得到最終答案。

2.某機械系統(tǒng)在勻速運動過程中，受到恒定阻尼力F_d和變力F(t)的作用，其中F(t)=20sinωt(N)，ω=10rad/s，求系統(tǒng)在t=2s時的位移。

解題過程：

系統(tǒng)在勻速運動過程中，合外力為零。因此，系統(tǒng)所受的阻尼力F_d與變力F(t)的合力應(yīng)等于零。

F_dF(t)=0

F_d=F(t)

F_d=20sinωt

在t=2s時，位移x(t)可以通過積分力F(t)關(guān)于時間t從0到t的值得到。

x(t)=∫F(t)dt

x(t)=∫(20sinωt)dt

x(t)=20∫sinωtdt

x(t)=20(cosωt)/ωC

其中C為積分常數(shù)。由于系統(tǒng)在t=0時位移為零，因此C=0。

在t=2s時，位移x(2)為：

x(2)=20(cos(102))/10

x(2)=2cos(20)

x(2)≈1.902（保留三位小數(shù)）

3.某材料在拉伸試驗中，屈服極限σ_s為400MPa，求材料的極限強度σ_b。

解題過程：

材料的極限強度σ_b是指材料在拉伸試驗中斷裂時的最大應(yīng)力。在拉伸試驗中，極限強度σ_b可以通過屈服極限σ_s和材料的斷后伸長率ε_b計算得出。

σ_b=σ_s(1ε_b)

由于題目未給出斷后伸長率ε_b的具體數(shù)值，無法直接計算出σ_b的數(shù)值。因此，此題目需要提供斷后伸長率ε_b的數(shù)值才能得到最終答案。

答案及解題思路：

1.答案：F=200MPa(πd^2/4)

解題思路：根據(jù)屈服極限σ_s和零件橫截面積A計算最大承載能力F。

2.答案：x(2)≈1.902

解題思路：利用勻速運動過程中合外力為零的原理，計算系統(tǒng)在t=2s時的位移。

3.答案：σ_b=σ_s(1ε_b)

解題思路：根據(jù)屈服極限σ_s和斷后伸長率ε_b計算材料的極限強度σ_b。六、論述題1.試論述機械設(shè)計中強度、剛度和穩(wěn)定性的重要性及其相互關(guān)系。

（1）強度的重要性

強度是機械設(shè)計中的基本要求，保證機械在正常工作條件下不發(fā)生破壞。

強度不足會導(dǎo)致機械失效，影響設(shè)備的正常運行和使用壽命。

（2）剛度的重要性

剛度是抵抗變形的能力，對于保證機械精度和穩(wěn)定性。

剛度不足會導(dǎo)致機械在負(fù)載下產(chǎn)生過大變形，影響其工作功能。

（3）穩(wěn)定性的重要性

穩(wěn)定性是指機械在受到外部干擾時，能夠保持其平衡狀態(tài)的能力。

穩(wěn)定性不足會導(dǎo)致機械失穩(wěn)，可能引發(fā)安全。

（4）強度、剛度和穩(wěn)定性的相互關(guān)系

強度、剛度和穩(wěn)定性是機械設(shè)計中的三個相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)。

強度保證機械不破壞，剛度保證機械精度，穩(wěn)定性保證機械安全。

在設(shè)計過程中，需要綜合考慮這三個參數(shù)，以達(dá)到最佳的設(shè)計效果。

2.試論述材料在機械設(shè)計中的應(yīng)用及選擇原則。

（1）材料在機械設(shè)計中的應(yīng)用

材料的選擇直接影響機械的功能和壽命。

不同的材料具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，適用于不同的工作環(huán)境。

（2）材料選擇原則

工作條件：根據(jù)機械的工作環(huán)境（如溫度、濕度、腐蝕性等）選擇合適的材料。

功能要求：根據(jù)機械的功能需求（如強度、剛度、耐磨性等）選擇材料。

成本效益：在滿足功能要求的前提下，考慮材料的經(jīng)濟性。

可加工性：考慮材料的加工功能，以便于制造和裝配。

可維護性：選擇易于維護和更換的材料。

答案及解題思路：

1.答案：

強度、剛度和穩(wěn)定性在機械設(shè)計中，它們分別保證機械不破壞、精度和安全性。

三者相互關(guān)聯(lián)，強度是基礎(chǔ)，剛度是保證精度的條件，穩(wěn)定性是保證安全的前提。

解題思路：

分析強度、剛度和穩(wěn)定性的定義和作用。

闡述它們在機械設(shè)計中的重要性。

分析三者之間的相互關(guān)系。

2.答案：

材料在機械設(shè)計中的應(yīng)用需考慮工作條件、功能要求、成本效益、可加工性和可維護性。

解題思路：

闡述材料在機械設(shè)計中的作用。

提出材料選擇的原則，包括工作條件、功能要求、成本效益、可加工性和可維護性。

結(jié)合實際案例說明材料選擇的重要性。七、綜合題1.某機械系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計算

題目描述：

質(zhì)量為\(m=50\,\text{kg}\)的機械系統(tǒng)，具有阻尼系數(shù)\(c=40\,\text{N·s/m}\)和彈性系數(shù)\(k=400\,\text{N/m}\)。

系統(tǒng)受到簡諧激勵\(F(t)=20\sin(10t)\,\text{N}\)。

求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。

解答過程：

第一步：確定系統(tǒng)的固有頻率\(\omega_0\)和阻尼比\(\xi\)

\(\omega_0=\sqrt{\frac{k}{m}}=\sqrt{\frac{400\,\text{N/m}}{50\,\text{kg}}}=2\pi\,\text{rad/s}\)

\(\xi=\frac{c}{2\sqrt{km}}=\frac{40\,\text{N·s/m}}{2\sqrt{400\,\text{N/m}\cdot50\,\text{kg}}}=0.1\)

第二步：計算激勵力的頻率\(\omega_{\text{in}}\)

\(\omega_{\text{in}}=10\,\text{rad/s}\)

第三步：比較激勵頻率和固有頻率，確定系統(tǒng)響應(yīng)形式

因為\(\omega_{\text{in}}=0.5\omega_0\)且\(\xi0.5\)，所以系統(tǒng)將表現(xiàn)為欠阻尼振動。

第四步：計算穩(wěn)態(tài)響應(yīng)

穩(wěn)態(tài)響應(yīng)位移\(x_{\text{ss}}\)為：

\(x_{\text{ss}}=\frac{F_0\omega_{\text{in}}}{m\omega_0^22m\omega_0\omega_{\text{in}}