山东省（春季高考）机械制造类 《机械基础》项目十六任务四 45分钟专题训练卷

山东省（春季高考）机械制造类《机械基础》45分钟专题训练卷专辑，共220份试卷。试卷命题与高考紧密相关，精选具有代表性和典型性的高考常考题。旨在帮助学生系统地复习和巩固机械制造类理论知识，熟悉高考题型和命题规律，提高解题能力和应试技巧，为高考取得优异成绩打下坚实的基础，本训练卷适用于即将参加机械制造类高考的学生。 与本专辑配套的还有山东省春季高考考试《机械制图》《金属加工基础》《钳工加工技术》《极限配合与技术测量》45分钟专题训练卷专辑，欢迎同学和老师们下载使用。 山东省（春季高考）机械制造类 《机械基础》 项目十六：工程材料 任务四：其他新型工程材料 时间：45分钟 总分：100分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、单项选择题（本大题共20小题，每题2分，共40分） 1. 钛合金马氏体形态与钢中的马氏体有何异同（ ） A. 形态相同，形成机制不同 B. 形态不同，形成机制相同 C. 形态和形成机制都相同 D. 形态和形成机制都不同 2. 下列有关说法正确的是（ ） A. 铁粉与氯气反应只能生成FeCl3 B. Cl2具有很强的氧化性，在化学反应中只能作氧化剂 C. 11.2LCl2的质量为35.5g D. 保存氢氟酸时，常用带橡胶塞的玻璃瓶 3. 零电阻现象和完全抗磁性是_______的两个最基本、互相独立的特性（ ） A. 新型高温材料 B. 纳米材料 C. 超导材料 D. 形状记忆材料 4. 纳米材料在某些情况下表现出的较大比表面积通常带来了什么样的特性？（ ） A. 导电性增强 B. 机械强度增加 C. 反应活性增强 D. 光学性能改善 5. 国际上将处于________尺寸范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料（ ） A. 1~1000um B. 1~100 μm C. 1~1000nm D. 1~100nm 6. 智能材料的特点是？（ ） A. 具有自我修复功能 B. 具有高强度 C. 具有高导电性 D. 具有高热稳定性 7. 纳米粒子是指直径为1 ~ 100 nm的超细粒子。由于表面效应和体积效应，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料，有关纳米粒子的叙述中错误的是（ ） A. 因纳米粒子半径太小，故不能将其制成胶体 B. 一定条件下，纳米粒子可催化水的分解 C. 一定条件下，纳米TiO2陶瓷可任意弯曲，可塑性好 D. 纳米粒子半径小，表面活性高 8. 20世纪50年代，（ ）的出现标志着复合材料时代的到来 A. 超导材料 B. 金属材料 C. 金属陶瓷 D. 合成高分子材料 9. 下列哪个材料不适合作为隐身材料？（ ） A. 复合材料 B. 铁氧体 C. 铝合金 D. 铝膜 10. 纳米材料的特点是？（ ） A. 具有微观尺寸特征 B. 具有高导热性 C. 具有高强度 D. 具有高塑性 11. 电工层压制品主要用于什么用途？（ ） A. 传导电流 B. 绝缘 C. 产生热量 D. 磁性 12. 智能材料的一个应用是（ ） A. 食品包装 B. 太阳能发电板 C. 航天材料 D. 包装箱 13. 电冰箱、空调机外壳里的抗菌除味塑料是采用________制成的（ ） A. 形状记忆材料 B. 超导材料 C. 高温材料 D. 纳米材料 14. 超导材料的主要特点是什么？（ ） A. 在低温下呈现零电阻、完全抗磁性 B. 导电性随温度升高而增加 C. 耐腐蚀性较差 D. 只有在高温下才能表现出超导性 15. 下列材料中，哪一种常用于制造采用再生冷却的火箭发动机燃烧室喷管内衬（ ） A. 铝合金 B. 钛合金 C. 铜合金 D. 镁合金 16. 超导材料的特点是？（ ） A. 高温下具有超导性 B. 低温下具有超导性 C. 具有高强度 D. 具有高硬度 17. 碳纤维增强复合材料在以下哪个领域有重要应用（ ） A. 纺织 B. 航空航天 C. 饮料包装 D. 家具制造 18. 在机械工程中，隐身材料的主要目的是？（ ） A. 提高材料的强度 B. 提高材料的耐磨性 C. 降低材料的密度 D. 减少材料的雷达反射信号 19. 某自动化夹具需要在温度升高后自行恢复预定形状，以实现工件的快速定位。较适宜选用的材料是（ ） A. 碳纤维增强复合材料 B. 镍钛形状记忆合金 C. 氧化铝工程陶瓷 D. 聚四氟乙烯塑料 20. 以下哪个不是纳米材料的特点？（ ） A. 尺寸在纳米级别 B. 具有特殊的光学、电学、磁学等性质 C. 常常由纳米尺度的颗粒、晶粒、薄膜构成 D. 机械强度低于微米级材料 二、简答题（本大题共4小题，每题5分，共20分） 21. 说明石墨烯在电子领域的潜在应用。 22. 某机械设备制造企业拟采用碳纤维增强复合材料制造高速运动机构的防护罩。简述选用该材料的主要性能依据，并说明其适宜的应用特点。 23. 讨论纳米材料在环境治理中的应用。 24. 钛合金在航空航天领域的应用是什么？ 三、计算题（本大题共2小题，每题5分，共10分） 25. 某自动化设备的直线运动机械臂承力杆，有效体积为 。原设计采用结构钢，密度为 ；改用纤维方向与受力方向一致的碳纤维增强复合材料，其密度为 ，抗拉强度为 。该承力杆最小横截面积为 ，最大轴向拉力为 。（1）分别计算采用结构钢和碳纤维增强复合材料时承力杆的质量。（2）计算改用碳纤维增强复合材料后的减重率。（3）计算该复合材料承力杆在最大拉力下的安全系数，并判断其是否满足安全系数不低于4的设计要求。 26. 某高速加工中心主轴转速为 ，其混合陶瓷轴承的保持架转速为主轴转速的一半。轴承滚动体直径为 ，滚动体中心的回转半径为 。现分别采用密度为 的氮化硅陶瓷球和密度为 的轴承钢球，忽略滚动体滑动影响。（1）计算一个氮化硅陶瓷球和一个轴承钢球的质量。（2）计算保持架的角速度，以及两种滚动体在回转时受到的离心力。（3）计算采用氮化硅陶瓷球后离心力的降低率，并说明其适用于高速主轴轴承的原因。 四、综合应用题（本大题共4小题，共30分） 27.（5分）某智能制造企业拟将搬运机器人的钢制末端执行臂改为碳纤维增强树脂基复合材料执行臂。该执行臂长度为1.20 m，截面宽度为50 mm、高度为30 mm，按实心矩形构件计算。碳纤维复合材料密度为1.60 g/cm3，原钢制执行臂材料密度为7.85 g/cm3。工作时复合材料执行臂最大拉应力为300 MPa，其抗拉强度为900 MPa，设计要求安全系数不小于2.5。（1）计算碳纤维复合材料执行臂的质量，并计算其相对钢制执行臂的减重率。（2）计算该复合材料执行臂的安全系数，判断其是否满足设计要求。（3）说明该复合材料执行臂在与金属法兰连接时应采取的两项改进措施。 28.（5分）某智能搬运设备的机械臂原采用铝合金空心圆管，为减小运动惯量，维修技师拟将其改为碳纤维增强复合材料空心圆管。已知机械臂管长为2.40 m，外径为100 mm，内径为84 mm；碳纤维增强复合材料的密度为，铝合金的密度为。机械臂工作时承受的最大轴向拉力为36 kN，碳纤维增强复合材料的许用拉应力为250 MPa。（1）计算该碳纤维增强复合材料机械臂管的体积和质量，并计算改用该材料后比原铝合金管减轻的质量。（2）计算机械臂管在最大轴向拉力作用下的实际拉应力，判断其强度是否满足要求。（3）说明碳纤维增强复合材料用于该机械臂时，还应采取的两项使用或结构改进措施。 29.（10分）某装备维修车间采用镍钛形状记忆合金管接头连接液压管路。液压钢管外径为30.00 mm，形状记忆合金接头加热恢复后的自由内径为29.70 mm。接头与钢管的有效接触长度为20 mm，加热恢复后接触压力为35 MPa。该管路承受的最大轴向拉脱力为50 kN，连接部位要求抗拉脱安全系数不小于1.25。（1）计算接头与钢管的实际接触面积，并计算接头提供的理论抗拉脱力。（2）计算该连接的抗拉脱安全系数，判断是否满足使用要求。（3）说明安装形状记忆合金管接头时的两项工艺要求。 30.（10分）某精密加工中心的高速电主轴拟采用氮化硅陶瓷球轴承。陶瓷球直径为12 mm，主轴转速为24000 r/min。工作时轴承温度由20 ℃升高到100 ℃，氮化硅线膨胀系数为，轴承钢线膨胀系数为。该主轴设计要求轴承滚动体圆周速度不低于14 m/s，并要求温升后滚动体直径变化尽可能小。（1）计算氮化硅陶瓷球在额定转速下的圆周速度，并计算温升80 ℃时氮化硅球的直径增量。（2）计算相同条件下轴承钢球的直径增量，并比较两种材料的热膨胀差异。（3）判断氮化硅陶瓷球是否适用于该高速电主轴，并说明使用中应注意的两项问题。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $ 山东省（春季高考）机械制造类《机械基础》45分钟专题训练卷专辑，共220份试卷。试卷命题与高考紧密相关，精选具有代表性和典型性的高考常考题。旨在帮助学生系统地复习和巩固机械制造类理论知识，熟悉高考题型和命题规律，提高解题能力和应试技巧，为高考取得优异成绩打下坚实的基础，本训练卷适用于即将参加机械制造类高考的学生。 与本专辑配套的还有山东省春季高考考试《机械制图》《金属加工基础》《钳工加工技术》《极限配合与技术测量》45分钟专题训练卷专辑，欢迎同学和老师们下载使用。 山东省（春季高考）机械制造类 《机械基础》 项目十六：工程材料 任务四：其他新型工程材料 时间：45分钟 总分：100分 班级＿＿＿＿　姓名＿＿＿＿　学号＿＿＿＿　成绩＿＿＿＿ 一、单项选择题（本大题共20小题，每题2分，共40分） 1. 钛合金马氏体形态与钢中的马氏体有何异同（ ） A. 形态相同，形成机制不同 B. 形态不同，形成机制相同 C. 形态和形成机制都相同 D. 形态和形成机制都不同 【答案】B 【解析】钛合金马氏体与钢中马氏体的形态通常不同：钛合金中常见针状或片状α′马氏体，钢中常见板条状或片状马氏体。二者均主要通过无扩散的切变型马氏体相变形成，只是母相和产物相不同：钛合金由β相转变而来，钢中马氏体由奥氏体转变而来。因此选B。 2. 下列有关说法正确的是（ ） A. 铁粉与氯气反应只能生成FeCl3 B. Cl2具有很强的氧化性，在化学反应中只能作氧化剂 C. 11.2LCl2的质量为35.5g D. 保存氢氟酸时，常用带橡胶塞的玻璃瓶 【答案】A 【解析】A项，铁粉在氯气中燃烧生成氯化铁，反应为2Fe＋3Cl2=2FeCl3，正确。B项，Cl2既可作氧化剂，也可在与更强氧化剂反应时作还原剂，错误。C项，11.2 L Cl2是否为0.5 mol取决于温度和压强，题中未说明处于标准状况，不能确定其质量为35.5 g，错误。D项，氢氟酸能与玻璃中的SiO2反应，不能用玻璃瓶保存，通常应使用塑料瓶，错误。因此选A。 3. 零电阻现象和完全抗磁性是_______的两个最基本、互相独立的特性（ ） A. 新型高温材料 B. 纳米材料 C. 超导材料 D. 形状记忆材料 【答案】C 【解析】超导材料是指具有在一定的低温条件下电阻等于零及排斥磁力线性质的材料。零电阻现象和完全抗磁性是超导体两个基本、互相独立的特性。现已发现有28种元素和几千种合金与化合物可以成为超导体。 4. 纳米材料在某些情况下表现出的较大比表面积通常带来了什么样的特性？（ ） A. 导电性增强 B. 机械强度增加 C. 反应活性增强 D. 光学性能改善 【答案】C 【解析】纳米材料具有较大的比表面积，表面原子所占比例较高，表面能较大，因此通常具有较强的吸附能力和反应活性。故选项C正确。 5. 国际上将处于________尺寸范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料（ ） A. 1~1000um B. 1~100 μm C. 1~1000nm D. 1~100nm 【答案】D 【解析】国际上将处于 1～100nm 尺寸范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料统称为纳米材料。 6. 智能材料的特点是？（ ） A. 具有自我修复功能 B. 具有高强度 C. 具有高导电性 D. 具有高热稳定性 【答案】A 【解析】智能材料的特点是其具有自我修复、感知和响应等功能，能够根据外界条件自动调节其性能。 7. 纳米粒子是指直径为1 ~ 100 nm的超细粒子。由于表面效应和体积效应，其常有奇特的光、电、磁、热等性质，可开发为新型功能材料，有关纳米粒子的叙述中错误的是（ ） A. 因纳米粒子半径太小，故不能将其制成胶体 B. 一定条件下，纳米粒子可催化水的分解 C. 一定条件下，纳米TiO2陶瓷可任意弯曲，可塑性好 D. 纳米粒子半径小，表面活性高 【答案】A 【解析】纳米粒子的大小符合胶体粒子的特征，能将其制成胶体。 8. 20世纪50年代，（ ）的出现标志着复合材料时代的到来 A. 超导材料 B. 金属材料 C. 金属陶瓷 D. 合成高分子材料 【答案】C 【解析】20世纪50年代，金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来，因此选C。 9. 下列哪个材料不适合作为隐身材料？（ ） A. 复合材料 B. 铁氧体 C. 铝合金 D. 铝膜 【答案】C 【解析】复合材料可通过结构设计实现对电磁波的吸收或透射，铁氧体是常用吸波材料，铝膜可用于降低红外辐射特征。铝合金对电磁波反射较强，通常不适合作为隐身材料。因此选C。 10. 纳米材料的特点是？（ ） A. 具有微观尺寸特征 B. 具有高导热性 C. 具有高强度 D. 具有高塑性 【答案】A 【解析】纳米材料的特点是其具有微观尺寸特征，通常在纳米级别（纳米以下）。 11. 电工层压制品主要用于什么用途？（ ） A. 传导电流 B. 绝缘 C. 产生热量 D. 磁性 【答案】B 【解析】电工层压制品主要用于绝缘。 12. 智能材料的一个应用是（ ） A. 食品包装 B. 太阳能发电板 C. 航天材料 D. 包装箱 【答案】B 【解析】智能材料可以用于太阳能发电板等领域，可以实现对外界光照变化的智能响应，选项 B 正确。 13. 电冰箱、空调机外壳里的抗菌除味塑料是采用________制成的（ ） A. 形状记忆材料 B. 超导材料 C. 高温材料 D. 纳米材料 【答案】D 【解析】计算机在普遍采用纳米材料后可以缩小成为“掌上电脑”。纳米多功能塑料具有抗菌、除味、防腐、抗老化等特性，可用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。 14. 超导材料的主要特点是什么？（ ） A. 在低温下呈现零电阻、完全抗磁性 B. 导电性随温度升高而增加 C. 耐腐蚀性较差 D. 只有在高温下才能表现出超导性 【答案】A 【解析】超导材料在低温下表现出特殊的电性质，选项 A 正确。 15. 下列材料中，哪一种常用于制造采用再生冷却的火箭发动机燃烧室喷管内衬（ ） A. 铝合金 B. 钛合金 C. 铜合金 D. 镁合金 【答案】C 【解析】火箭发动机燃烧室喷管内衬承受高温燃气和很高的热流密度，需要材料具有良好的导热性，以便通过再生冷却及时带走热量。铜合金导热性能优良，并具有一定的高温强度，因此常用于再生冷却火箭发动机的燃烧室和喷管内衬。故选 C。 16. 超导材料的特点是？（ ） A. 高温下具有超导性 B. 低温下具有超导性 C. 具有高强度 D. 具有高硬度 【答案】B 【解析】超导材料的特点是在低温下（通常是接近绝对零度）具有超导性，即电阻为零。 17. 碳纤维增强复合材料在以下哪个领域有重要应用（ ） A. 纺织 B. 航空航天 C. 饮料包装 D. 家具制造 【答案】B 【解析】碳纤维增强复合材料具有强度高、质量轻等优点，广泛应用于航空航天领域，因此选B。 18. 在机械工程中，隐身材料的主要目的是？（ ） A. 提高材料的强度 B. 提高材料的耐磨性 C. 降低材料的密度 D. 减少材料的雷达反射信号 【答案】D 【解析】隐身材料的主要目的是减少材料的雷达反射信号，提高飞行器等在雷达探测中的难度。 19. 某自动化夹具需要在温度升高后自行恢复预定形状，以实现工件的快速定位。较适宜选用的材料是（ ） A. 碳纤维增强复合材料 B. 镍钛形状记忆合金 C. 氧化铝工程陶瓷 D. 聚四氟乙烯塑料 【答案】B 【解析】镍钛形状记忆合金具有形状记忆效应，在适当温度条件下能够恢复预先设定的形状，可用于温控定位和驱动元件。碳纤维复合材料主要用于轻量化，工程陶瓷主要用于耐磨耐热，聚四氟乙烯主要用于减摩耐腐蚀。 20. 以下哪个不是纳米材料的特点？（ ） A. 尺寸在纳米级别 B. 具有特殊的光学、电学、磁学等性质 C. 常常由纳米尺度的颗粒、晶粒、薄膜构成 D. 机械强度低于微米级材料 【答案】D 【解析】纳米材料是指至少有一个维度处于纳米尺度范围的材料，常由纳米尺度的颗粒、晶粒或薄膜等构成，并可能表现出特殊的光学、电学、磁学和力学性质。由于晶粒细化等原因，纳米材料常可表现出较高的强度，而不是机械强度低于微米级材料。故选 D。 二、简答题（本大题共4小题，每题5分，共20分） 21. 说明石墨烯在电子领域的潜在应用。 【答案】石墨烯因其卓越的导电性和机械强度，被认为在电子领域有广泛应用潜力，如透明导电膜、柔性电子、高性能传感器、超高速晶体管和能源存储设备等。 【解析】石墨烯具有优异的电导率、载流子迁移率、力学强度和柔韧性，同时具有较高的透光性和较大的比表面积。因此，它可用于制备透明导电膜和柔性电子器件；利用其对外界变化敏感的特性，可制造高性能传感器；利用其高速载流子输运特性，可用于超高速晶体管；利用其较大的比表面积和良好导电性，还可用于电池、超级电容器等能源存储器件。 22. 某机械设备制造企业拟采用碳纤维增强复合材料制造高速运动机构的防护罩。简述选用该材料的主要性能依据，并说明其适宜的应用特点。 【答案】（1）碳纤维增强复合材料密度较小、比强度较高，可在保证防护罩强度的条件下降低运动部件质量。 （2）该材料刚度较好、抗疲劳性能较强，适用于高速运动机构中承受反复振动的轻量化部件。 （3）该材料耐腐蚀性较好，适宜用于一般潮湿或存在腐蚀性介质的设备防护结构，但应注意避免尖锐冲击造成局部损伤。 【解析】本题考查碳纤维增强复合材料的性能及工程应用。作答应结合高速运动机构对轻量化、刚度和抗疲劳性能的要求，同时说明复合材料耐冲击性能相对受限的使用特点。 23. 讨论纳米材料在环境治理中的应用。 【答案】纳米材料在环境治理中可用于空气净化、水处理和土壤修复。例如，纳米TiO2可用于光催化分解有机污染物，纳米零价铁可用于地下水的重金属去除。 【解析】纳米材料具有比表面积大、表面活性高、吸附和催化性能强等特点，可用于多种环境治理场景。空气净化中，纳米TiO2等材料可在光照条件下发生光催化反应，分解挥发性有机物等污染物；水处理中，纳米TiO2可降解有机污染物，纳米零价铁可通过还原、吸附和共沉淀等作用去除或固定地下水中的重金属污染物；土壤修复中，纳米材料可用于吸附、固定或降解土壤中的重金属和有机污染物。因此，答案所列空气净化、水处理和土壤修复应用正确。 24. 钛合金在航空航天领域的应用是什么？ 【答案】钛合金在航空航天领域主要用于制造飞机结构件、发动机压气机部件、火箭发动机壳体、导弹结构件等。钛合金具有密度较低、比强度高、耐腐蚀性好和较好的中高温性能等特点，可在保证承载能力的同时减轻结构质量，提高飞行器的有效载荷能力、性能和可靠性。 【解析】航空航天结构对轻量化、强度、耐腐蚀性和耐热性要求较高。钛合金的密度约为4.5 g/cm3，低于钢材，且具有较高的比强度，因此适合用于飞机结构件、发动机压气机部件、火箭发动机壳体和导弹结构件等。钛合金能够减轻结构质量，并满足一定的强度、耐腐蚀和中高温使用要求。需要注意的是，钛合金的弹性模量通常低于结构钢，不能笼统表述为“提高结构刚度”。 三、计算题（本大题共2小题，每题5分，共10分） 25. 某自动化设备的直线运动机械臂承力杆，有效体积为 。原设计采用结构钢，密度为 ；改用纤维方向与受力方向一致的碳纤维增强复合材料，其密度为 ，抗拉强度为 。该承力杆最小横截面积为 ，最大轴向拉力为 。（1）分别计算采用结构钢和碳纤维增强复合材料时承力杆的质量。（2）计算改用碳纤维增强复合材料后的减重率。（3）计算该复合材料承力杆在最大拉力下的安全系数，并判断其是否满足安全系数不低于4的设计要求。 【答案】（1）结构钢承力杆质量为 ；复合材料承力杆质量为 。（2）减重率为 。（3）工作应力为 ；安全系数为 ，满足设计要求。 【解析】由m=ρV，钢制与复合材料杆质量分别为141.30 kg、28.80 kg，减重率为79.62%。最大应力σ=F/A=120 MPa，安全系数n=900/120=7.5，大于4，满足要求。 26. 某高速加工中心主轴转速为 ，其混合陶瓷轴承的保持架转速为主轴转速的一半。轴承滚动体直径为 ，滚动体中心的回转半径为 。现分别采用密度为 的氮化硅陶瓷球和密度为 的轴承钢球，忽略滚动体滑动影响。（1）计算一个氮化硅陶瓷球和一个轴承钢球的质量。（2）计算保持架的角速度，以及两种滚动体在回转时受到的离心力。（3）计算采用氮化硅陶瓷球后离心力的降低率，并说明其适用于高速主轴轴承的原因。 【答案】（1）滚动体体积为 。氮化硅陶瓷球质量为 。轴承钢球质量为 。（2）保持架转速为 。角速度为 。氮化硅陶瓷球离心力为 。轴承钢球离心力为 。（3）离心力降低率为 。氮化硅陶瓷球质量小、离心力低，可减小高速运转时的轴承载荷和发热。 【解析】球体体积为0.90478 cm3，氮化硅球和钢球质量分别为2.90 g、7.06 g。保持架角速度为1256.64 rad/s，离心力分别为205.8 N、501.5 N，降低率为58.96%，可减小载荷与发热。 四、综合应用题（本大题共4小题，共30分） 27.（5分）某智能制造企业拟将搬运机器人的钢制末端执行臂改为碳纤维增强树脂基复合材料执行臂。该执行臂长度为1.20 m，截面宽度为50 mm、高度为30 mm，按实心矩形构件计算。碳纤维复合材料密度为1.60 g/cm3，原钢制执行臂材料密度为7.85 g/cm3。工作时复合材料执行臂最大拉应力为300 MPa，其抗拉强度为900 MPa，设计要求安全系数不小于2.5。（1）计算碳纤维复合材料执行臂的质量，并计算其相对钢制执行臂的减重率。（2）计算该复合材料执行臂的安全系数，判断其是否满足设计要求。（3）说明该复合材料执行臂在与金属法兰连接时应采取的两项改进措施。 【答案】（1）执行臂体积为：碳纤维复合材料密度为：复合材料执行臂质量为：钢制执行臂质量为：减重率为：（2）安全系数为：安全系数大于2.5，满足设计要求。（3）在连接孔处设置金属嵌件或加强层，防止局部受压破坏。金属法兰与碳纤维复合材料之间应设置绝缘隔层，防止电化学腐蚀。 【解析】执行臂体积为0.0018 ，复合材料和钢制质量分别为2.88 kg、14.13 kg，减重率约79.6%。安全系数n=900/300=3.0，大于2.5。连接孔宜设金属嵌件或加强层，并在法兰间设置绝缘隔层。 28.（5分）某智能搬运设备的机械臂原采用铝合金空心圆管，为减小运动惯量，维修技师拟将其改为碳纤维增强复合材料空心圆管。已知机械臂管长为2.40 m，外径为100 mm，内径为84 mm；碳纤维增强复合材料的密度为，铝合金的密度为。机械臂工作时承受的最大轴向拉力为36 kN，碳纤维增强复合材料的许用拉应力为250 MPa。（1）计算该碳纤维增强复合材料机械臂管的体积和质量，并计算改用该材料后比原铝合金管减轻的质量。（2）计算机械臂管在最大轴向拉力作用下的实际拉应力，判断其强度是否满足要求。（3）说明碳纤维增强复合材料用于该机械臂时，还应采取的两项使用或结构改进措施。 【答案】（1）截面积为。。体积为。碳纤维增强复合材料管质量为。铝合金管质量为。减轻质量为。（2）实际拉应力为。实际拉应力小于250 MPa，机械臂管强度满足要求。（3）连接部位宜采用加厚金属嵌件或专用胶接结构，避免局部挤压造成分层损伤。应根据主要受力方向合理铺设纤维，并防止尖锐物撞击和局部钻孔损伤。 【解析】空心管截面积A=π(，体积为0.00554 。复合材料管质量8.86 kg，较铝管减轻6.10 kg；拉应力为15.58 MPa，小于250 MPa。连接处应加强防分层，并按受力方向优化铺层、避免冲击钻孔。 29.（10分）某装备维修车间采用镍钛形状记忆合金管接头连接液压管路。液压钢管外径为30.00 mm，形状记忆合金接头加热恢复后的自由内径为29.70 mm。接头与钢管的有效接触长度为20 mm，加热恢复后接触压力为35 MPa。该管路承受的最大轴向拉脱力为50 kN，连接部位要求抗拉脱安全系数不小于1.25。（1）计算接头与钢管的实际接触面积，并计算接头提供的理论抗拉脱力。（2）计算该连接的抗拉脱安全系数，判断是否满足使用要求。（3）说明安装形状记忆合金管接头时的两项工艺要求。 【答案】（1）接头与钢管的实际接触面积为A=πdL=3.14×30.00×20=1884 mm2。接触压力产生的法向夹紧力为N=pA=35×1884=65940 N=65.94 kN。若接触面静摩擦系数为μ，则理论抗拉脱力为F=μN=65.94μ kN。（2）抗拉脱安全系数为n=F/50=65.94μ/50=1.3188μ。要满足n不小于1.25，需μ不小于1.25/1.3188≈0.948。由于题干未给出接触面静摩擦系数，无法确定实际安全系数，也无法判断是否满足使用要求。（3）安装前应清除钢管外表面的油污、氧化物和毛刺，保证接触面清洁；应按规定对接头进行低温扩径和加热恢复处理，避免温度不足导致恢复力不够或温度过高损伤材料性能。 【解析】接触面积A=πdL=1884 mm2，夹紧力N=pA=65.94 kN。抗拉脱力由摩擦提供，F=μN=65.94μ kN，安全系数n=1.3188μ；满足n≥1.25时需μ≥0.948。应清洁去毛刺，并按工艺进行低温扩径和加热恢复。 30.（10分）某精密加工中心的高速电主轴拟采用氮化硅陶瓷球轴承。陶瓷球直径为12 mm，主轴转速为24000 r/min。工作时轴承温度由20 ℃升高到100 ℃，氮化硅线膨胀系数为，轴承钢线膨胀系数为。该主轴设计要求轴承滚动体圆周速度不低于14 m/s，并要求温升后滚动体直径变化尽可能小。（1）计算氮化硅陶瓷球在额定转速下的圆周速度，并计算温升80 ℃时氮化硅球的直径增量。（2）计算相同条件下轴承钢球的直径增量，并比较两种材料的热膨胀差异。（3）判断氮化硅陶瓷球是否适用于该高速电主轴，并说明使用中应注意的两项问题。 【答案】（1）氮化硅陶瓷球圆周速度为：温升80 ℃时，氮化硅球直径增量为：（2）轴承钢球直径增量为：两者直径增量差为：氮化硅陶瓷球的热膨胀量明显小于轴承钢球。（3）氮化硅陶瓷球圆周速度达到15.07 m/s，满足设计要求；其热膨胀小、密度低、耐磨性好，适用于高速电主轴。使用中应避免装配冲击和局部碰撞，并应保证润滑清洁，防止杂质造成陶瓷球表面损伤。 【解析】圆周速度v=πdn/60=15.07 m/s，高于14 m/s。温升80 ℃时，氮化硅球直径增量为0.00307 mm，钢球为0.01104 mm，相差0.00797 mm。氮化硅球热稳定性较好，适用；应避免冲击并保持润滑清洁。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $