2025年机械设计制造及其自动化(机械创新设计)试题及答案

2025年机械设计制造及其自动化(机械创新设计)试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分。每题只有一个正确答案，请将正确选项字母填入括号内）1.在机械创新设计中，TRIZ理论的核心思想是（）。A.经验试错法B.技术系统进化法则C.逆向工程法D.头脑风暴法答案：B2.下列关于功能表面（FunctionSurface）的描述，正确的是（）。A.只能用于静连接B.必须采用金属材料C.可同时承担力与运动传递D.不允许出现相对滑动答案：C3.采用拓扑优化进行轻量化设计时，目标函数通常设为（）。A.最大应力最小化B.质量最小化C.一阶固有频率最大化D.安全系数最大化答案：B4.在增材制造（3D打印）中，STL文件的基本单元是（）。A.NURBS曲面B.三角面片C.体素D.四边形网格答案：B5.某机构要求输出件在90°范围内做往复摆动，且摆角可调，最合适的机构是（）。A.曲柄摇杆机构B.摆动导杆机构C.双摇杆机构D.偏心轮机构答案：B6.在机械系统可靠性设计中，若采用冗余设计，则系统可靠度（）。A.必然降低B.与零部件可靠度无关C.随冗余单元数量增加而提高D.仅适用于电子系统答案：C7.采用形状记忆合金（SMA）制作的自展开铰链，其驱动方式属于（）。A.电机驱动B.热力耦合驱动C.液压驱动D.气压驱动答案：B8.在创新设计流程中，"需求功能结构"三层映射模型最早由（）提出。A.Pahl&BeitzB.TRIZC.AD（AxiomaticDesign）D.QFD答案：A9.下列关于碳纤维增强复合材料（CFRP）的铺层设计原则，错误的是（）。A.相邻层纤维方向尽量错开B.0°层主要承受轴向载荷C.±45°层可提高剪切强度D.90°层仅用于装饰答案：D10.在机电一体化系统中，采用"电流力"前馈补偿的主要目的是（）。A.提高系统刚度B.抑制非线性摩擦C.降低传感器成本D.增大减速比答案：B二、多项选择题（每题3分，共15分。每题有两个或两个以上正确答案，多选、少选、错选均不得分）11.以下哪些方法可用于机械产品绿色设计（）。A.生命周期评价（LCA）B.可拆卸性设计C.模块化设计D.冗余设计答案：A、B、C12.在行星齿轮系创新应用中，下列措施可提高功率密度（）。A.采用双联行星轮B.太阳轮分瓣式结构C.内齿圈采用高强度渗碳钢D.增大模数同时降低齿宽答案：A、B、C13.关于柔顺机构（CompliantMechanism）的特点，正确的有（）。A.无装配间隙B.存在集中铰链C.可利用材料非线性D.适合微机电系统答案：A、C、D14.在机械系统状态监测与故障诊断中，常用的无损检测手段包括（）。A.声发射B.红外热像C.磁记忆D.电火花加工答案：A、B、C15.采用数字孪生（DigitalTwin）技术进行产品创新时，需构建的关键模型有（）。A.几何模型B.行为模型C.规则模型D.财务模型答案：A、B、C三、填空题（每空2分，共20分）16.在TRIZ矛盾矩阵中，"运动物体质量"与"速度"构成__________矛盾，推荐的发明原理序号前两位是__________。答案：技术、08与2817.某齿轮泵采用变位齿轮设计，若变位系数x=+0.5，则齿根弯曲强度比标准齿轮提高约__________%。答案：2018.在ANSYS拓扑优化模块中，体积约束设为30%，惩罚因子通常取__________，以避免灰度单元。答案：3.019.形状记忆合金的回复应变可达__________%，远高于普通金属的弹性应变。答案：820.采用碳纤维/环氧预浸料铺层[0/45/90/45]2s，其层数为__________层，对称面位于__________层之间。答案：16、第8与第921.在机械系统可靠性分配中，若系统可靠度目标为0.99，共5个等复杂度单元，则按AGREE法每个单元可靠度约为__________。答案：0.99822.某直线电机采用Halbach阵列，其磁通密度正弦畸变率THD可降至__________%以下。答案：523.在创新设计评价中，若采用模糊综合评价，设因素集U={技术,经济,市场}，权重向量经AHP计算得W=[0.6,0.3,0.1]，则技术因素的权重为__________。答案：0.624.采用激光选区熔化（SLM）打印Ti6Al4V时，最优层厚通常取__________μm，以获得致密度>99.5%。答案：3025.在机电系统鲁棒控制中，μ综合设计目标为使结构奇异值μ__________1。答案：小于四、简答题（共25分）26.（封闭型，6分）简述采用"功能行为结构"（FBS）模型进行机械创新设计的三阶段映射过程，并给出各阶段的核心输出。答案：（1）功能→行为映射：将总功能分解为子功能，输出为功能树及行为黑箱图；（2）行为→结构映射：为每个行为寻找物理效应及对应结构，输出为原理方案库；（3）结构→详细设计：确定几何、材料、工艺参数，输出为CAD模型及设计文档。27.（开放型，9分）某企业需开发一款可折叠电动滑板车，要求折叠后体积≤0.08m³，质量≤10kg，续航里程≥20km。请提出至少三项创新结构方案，并说明其优势与潜在风险。答案：方案一：采用SMA丝驱动的自锁铰链，优势是无外露锁扣、外观简洁，风险是SMA疲劳寿命不足；方案二：碳纤维一体化折叠车把，把立管与横梁共固化成型，优势是减重30%，风险是铺层复杂导致成本上升；方案三：行星轮齿轮齿条二级折叠机构，实现车把与踏板同步折叠，优势是单手操作<3s，风险是齿轮啮合间隙需精密控制。28.（封闭型，5分）写出采用QFD将顾客需求转化为技术特性的"屋顶"矩阵中，相关符号"◎、○、△"分别代表的相关系数取值范围。答案：◎为0.9，○为0.7，△为0.3。29.（开放型，5分）说明在机械创新设计中引入"生物启发设计"（BioinspiredDesign）的一般流程，并举一实例。答案：流程：生物原型观察→功能抽象→生物机制提取→工程映射→原型验证。实例：根据翠鸟喙部流线开发高速列车车头，降噪15%，节能8%。五、计算与分析题（共40分）30.（计算题，10分）某新型柔顺夹持器采用双稳态梁结构，梁长L=60mm，矩形截面宽b=5mm，厚h=0.3mm，材料为65Mn，弹性模量E=200GPa。求发生双稳态跳跃的临界力Fc（假设两端固支，采用Euler公式修正系数K=2）。答案：I=bh³/12=5×0.3³/12=0.01125mm⁴Fc=Kπ²EI/L²=2×π²×200×10³×0.01125/60²=12.34N故临界力为12.3N。31.（分析题，15分）图示行星齿轮系（太阳轮a、行星轮g、内齿圈b、转臂H），已知za=20，zg=30，zb=80，模数m=1.5mm，输入转速na=1500r/min，要求输出转速nH=200r/min，转向相同。（1）判断该轮系类型并计算传动比；（2）若采用3个行星轮均布，求行星轮轴承所受径向力（忽略摩擦，输入功率P=5kW）。答案：（1）iabH=(1+zb/za)=5，iH=na/nH=1500/200=7.5，需采用双级行星或附加固定内齿圈；本题为单级，故内齿圈b固定，iHa=1/(1+zb/za)=1/5，与要求矛盾，因此必须将内齿圈b作为输出，转臂H固定，即改为定轴轮系，不符合题意。正确方案：内齿圈b固定，转臂H输出，iHa=1/(1+zb/za)=0.2，nH=na×0.2=300r/min，仍不符。结论：需采用复合行星，设第一级太阳轮输入，转臂输出，第二级内齿圈反馈。重新计算，最终传动比i=7.5，转向相同。（2）取第一级，T=P/(2πnH/60)=5000/(2π×200/60)=238.7N·mFr=2T/(Dgmzg/za)=2×238.7/(1.5×30×10⁻³×80/20)=5304N单个行星轮轴承Fr'=Fr/3=1768N。32.（综合题，15分）某四旋翼无人机需设计一款折叠机臂，要求：①折叠后轴向尺寸≤120mm；②展开锁定时间≤1s；③重复折叠寿命≥5000次；③机臂根部受拉力800N，弯矩120N·m。请完成：（1）提出两种不同原理的折叠锁定机构，画出示意简图（文字描述即可）；（2）对其中一种进行有限元强度校核，给出最大应力与安全系数（材料选7075T6，σb=510MPa，规定安全系数n≥2）。答案：（1）方案A：偏心凸轮锁紧，旋转机臂90°，凸轮自锁；方案B：形状记忆合金销钉锁紧，通电收缩实现解锁。（2）选方案A，机臂根部采用双耳片凸台，厚度t=6mm，宽度w=30mm，载荷800N拉力，弯矩120N·m，耳片孔径d=10mm。最大应力出现在耳片孔边，按拉弯组合：σmax=K_t(F/(wt)+6M/(wt²))=3.0×(800/(30×6)+6×120×10³/(30×6²))=3.0×(4.44+66.67)=213MPa安全系数n=σb/σmax=510/213=2.39>2，合格。六、设计综合题（共30分）33.题目：面向城市短途物流的"最后一公里"自动配送机器人，需完成底盘机械创新设计。设计参数：最大载重150kg，最高速度2.5m/s，爬坡10°，续航8h，整车质量≤120kg，转弯半径≤1.2m，需具备可升降载货平台（升降行程300mm），并能在600mm宽人行道稳定行驶。任务：（1）提出一种全新悬架与转向集成机构，说明其创新点；（2）对升降平台进行机构综合，要求采用单电机驱动，完成运动学尺寸综合，并给出关键杆件受力；（3）采用TRIZ理论解决"升降行程大"与"折叠高度低"之间的矛盾，给出具体发明原理及实施方案；（4）完成整车可靠性预计，目标MTBF≥500h，给出分配结果与验证方法。答案：（1）创新点：采用"扭杆摆臂轮毂电机"一体化悬架，摆臂兼作转向节，通过同轴减速电机实现90°转向，省略传统转向梯形，转弯半径降至0.9m；扭杆兼作能量回收弹簧，提高能量利用率。（2）选用六杆菱形升降机构，电机置于底盘，通过丝杠螺母驱动菱形对角点。设行程300mm，杆长l=250mm，初始角度θ0=30°，终止角度θ1=60°，计算得丝杠导程P=6mm，电机转矩T=Frtan(α+φ)×P/(2π)=2.1N·m，选直流无刷电机24V，150W。关键杆件为菱形长杆，受最大压力F=2.8kN，选矩形铝型材60×30×3mm，σ=85MPa，n=3.2，合格。（3）TRIZ矛盾：改善参数3运动物体长度，恶化参数1静止物体重量。查矩阵得发明原理01、03、24、17。选用01分割原理+17多维化：将升降平台分割为两级剪叉，折叠后上下叠放，总高降至220mm；再采用