2026年工程设计基础机械结构设计习题

2026年工程设计基础：机械结构设计习题一、单选题（共5题，每题2分）1.在进行机械结构静强度校核时，若材料为Q235钢，许用应力[σ]=160MPa，安全系数n=1.5，则极限应力σu为多少？A.240MPaB.200MPaC.180MPaD.160MPa2.某轴类零件承受交变载荷，疲劳极限σ-1=350MPa，平均应力σm=100MPa，应力幅σa=150MPa，根据Goodman关系，其疲劳强度系数Sf为多少？A.0.6B.0.7C.0.8D.0.93.在机械结构设计中，若两零件通过螺栓连接，预紧力为F0，工作载荷为F，螺栓总拉伸力为多少？A.F0+FB.F0-FC.(F0+F)/2D.(F0-F)/24.某减速器齿轮副的齿面接触强度计算中，接触应力σH与模数m、齿数z、材料弹性模量E的关系式为？A.σH∝m/z²√EB.σH∝m²/z√EC.σH∝m/z√ED.σH∝m²/z²√E5.在焊接结构设计中，为避免焊接残余应力导致结构变形，常采用哪种措施？A.提高焊接速度B.增大焊接线能量C.焊后回火处理D.减小焊缝厚度二、多选题（共4题，每题3分）1.影响机械零件疲劳寿命的主要因素包括哪些？A.材料缺陷B.应力集中系数C.环境温度D.载荷频率E.维护保养2.在进行机械结构刚度校核时，常采用哪些方法？A.有限元分析B.机构运动学分析C.能量法D.静力平衡方程E.光弹性实验3.螺纹连接中，为提高连接强度，可采取哪些措施？A.选用高强度螺栓B.增大螺母直径C.采用防松措施D.减小预紧力E.优化螺栓布置4.机械结构设计中，常见的应力集中现象出现在哪些部位？A.孔边B.角焊缝C.键槽D.变截面处E.螺纹牙顶三、判断题（共5题，每题2分）1.机械结构的疲劳强度一定低于其屈服强度。（√）2.提高机械结构的固有频率可以有效避免共振。（√）3.焊接残余应力会降低结构的疲劳寿命。（√）4.在进行机械结构设计时，刚度与强度总是相互矛盾的。（×）5.滚动轴承比滑动轴承的摩擦系数更大。（×）四、简答题（共4题，每题5分）1.简述应力集中的概念及其对机械结构强度的影响。2.解释机械结构疲劳破坏的特点及预防措施。3.简述焊接残余应力的产生原因及其消除方法。4.比较螺栓连接和铆钉连接的优缺点及适用场景。五、计算题（共3题，每题10分）1.某简支梁受均布载荷q=10kN/m作用，跨长L=2m，梁截面为矩形，宽b=100mm，高h=150mm，材料弹性模量E=200GPa，求梁中点的挠度。2.某传动轴直径d=50mm，传递扭矩T=500N·m，材料剪切模量G=80GPa，求轴的最大剪应力及扭转角（单位长度）。3.两块钢板通过双头螺柱连接，钢板厚度分别为t1=10mm和t2=8mm，螺柱直径M12，预紧力F0=8kN，工作载荷F=6kN，材料屈服强度σs=400MPa，校核连接的强度是否足够。答案与解析一、单选题1.B解析：极限应力σu=[σ]×n=160MPa×1.5=240MPa。2.C解析：根据Goodman关系，Sf=(σ-1-σm)/(σ-1-σa)=(350-100)/(350-150)≈0.8。3.A解析：螺栓总拉伸力Ft=F0+(k1+k2)F，其中k1、k2为螺栓和被连接件刚度系数，一般简化为Ft≈F0+F。4.C解析：根据Hertz公式，σH∝√(Ft/b·ε)，其中Ft为接触力，b为接触宽度，ε为弹性模量综合系数，故σH∝m/z√E。5.C解析：焊后回火处理可以通过降低残余应力，避免结构变形和开裂。二、多选题1.A、B、C、D解析：材料缺陷、应力集中、环境温度、载荷频率均会显著影响疲劳寿命。2.A、C、D解析：有限元分析、能量法、静力平衡方程是刚度校核的常用方法。3.A、B、C解析：高强度螺栓、增大螺母直径、防松措施可有效提高连接强度。4.A、B、C、D解析：孔边、角焊缝、键槽、变截面处均为应力集中部位。三、判断题1.√2.√3.√4.×（刚度与强度可兼顾，如通过优化设计）5.×（滚动轴承摩擦系数通常更小）四、简答题1.应力集中是指局部区域应力远高于平均应力的现象，通常出现在孔边、缺口、变截面处等部位。应力集中会显著降低结构的疲劳强度和承载能力。2.疲劳破坏特点：-破坏前无明显塑性变形；-破坏始于应力集中部位；-破坏过程缓慢，有预兆。预防措施：消除应力集中（如圆角设计）、提高表面光洁度、采用疲劳强度更高的材料。3.焊接残余应力产生原因：焊接过程中局部高温导致材料膨胀，冷却后变形受限形成应力。消除方法：焊后热处理、合理的焊接顺序、锤击消除应力。4.螺栓连接优点：可拆卸、适用性强；缺点：受预紧力影响大。铆钉连接优点：永久连接、承载能力强；缺点：不可拆卸、成本较高。适用场景：螺栓连接适用于需拆卸的场合，铆钉连接适用于高温、重载或需永久固定的结构。五、计算题1.挠度计算：挠度公式ω=(5qL⁴)/(384EI)，代入q=10kN/m，L=2m，E=200GPa，b=100mm，h=150mm（I=bh³/12），计算得ω≈0.83mm。2.剪应力与扭转角：最大剪应力τmax=(16T)/(πd³)=16×500/(π×50³)≈32.7MPa；扭转角θ=(32T)/(Gπd⁴)=32×500/(80×10⁹×π×50⁴)≈0.002rad/100mm。3.连接强度校核：螺栓拉