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2025年大连理工大学创新实验学院机械设计课程机构优化与仿真试题及答案

一、选择题（每题3分，共15分）

1.某平面机构中，存在2个移动副、3个转动副（其中1个为复合铰链，连接4个构件），且无局部自由度和虚约束。该机构的自由度为（）。

A.1B.2C.3D.4

2.在机构动力学仿真中，若需研究高速运动下构件的惯性力对传动精度的影响，应优先选择的仿真软件模块是（）。

A.ADAMS运动学模块B.ADAMS动力学模块C.SolidWorksMotionD.ANSYS静力学分析

3.采用遗传算法对机构进行优化时，若目标函数为“最小化最大加速度”，则适应度函数的合理构造方式为（）。

A.直接以最大加速度作为适应度值

B.以最大加速度的倒数作为适应度值（最大加速度0）

C.以1/(1+最大加速度)作为适应度值

D.以最大加速度的平方作为适应度值

4.某四杆机构的极位夹角θ=20°，则其行程速比系数K为（）。

A.1.11B.1.25C.1.33D.1.43

5.在机构运动精度仿真中，若需分析制造误差（如杆件长度偏差±0.1mm）对输出位移的影响，应采用的方法是（）。

A.确定性仿真（固定参数）

B.蒙特卡洛随机抽样仿真

C.灵敏度分析（单参数扰动）

D.多目标优化

二、简答题（每题8分，共32分）

1.简述平面机构自由度计算时需注意的三类特殊约束，并举例说明其处理方法。

2.对比遗传算法（GA）与粒子群优化算法（PSO）在机构优化中的适用性：分别说明两种算法的优缺点及适用场景。

3.简述基于ADAMS的机构动力学仿真流程（从模型导入到结果输出），并指出影响仿真精度的关键参数设置。

4.在设计一个用于精密定位的平行四连杆机构时，需重点优化哪些运动学性能指标？请列出3项指标并说明其工程意义。

三、分析题（每题15分，共30分）

题目1：曲柄摇杆机构运动学分析与优化

某曲柄摇杆机构的已知参数：曲柄长度l?=50mm，连杆长度l?=150mm，摇杆长度l?=120mm，机架长度l?=130mm。要求：

（1）计算该机构的极位夹角θ和行程速比系数K；

（2）通过ADAMS建立运动学模型，输出摇杆端点C的位移-时间曲线（0~2πrad曲柄转角）；

（3）若需提高摇杆的最大摆角，提出两种优化策略（需说明具体调整的参数及理论依据）。

题目2：齿轮连杆组合机构动力学仿真

某齿轮连杆组合机构用于高速包装机，包含一对模数m=2mm、齿数z?=20、z?=40的直齿圆柱齿轮（中心距a=60mm），以及一个由齿轮2驱动的曲柄滑块机构（曲柄长度l=30mm，连杆长度L=120mm）。要求：

（1）在ADAMS中定义齿轮副约束（需说明约束类型及参数设置）；

（2）设置曲柄转速为1500r/min，仿真0.5s，输出滑块的加速度曲线，并分析其最大加速度产生的原因；

（3）提出降低滑块最大加速度的优化方案（需结合动力学理论说明）。

四、综合设计题（23分）

题目：高速分拣机器人末端执行机构优化设计

某企业需求：设计一个用于3C产品（尺寸范围：50mm×30mm×10mm~150mm×100mm×20mm，重量0.1~0.5kg）的高速分拣机器人末端执行机构，要求：

-分拣节拍：≥120次/分钟（即单次动作时间≤0.5s）；

-定位精度：±0.2mm；

-动力学性能：最大驱动力≤50N（避免损伤产品）。

任务要求：

（1）选择机构类型（建议采用连杆-凸轮组合机构或并联机构），并说明选型依据；

（2）建立机构运动学模型（需推导位置、速度、加速度方程）；

（3）确定优化目标（至少2个）、设计变量（至少3个）及约束条件；

（4）选择优化算法并说明理由，给出仿真验证流程（需包含ADAMS与MATLAB联合仿真步骤）；

（5）分析优化结果的工程可行性（如是否满足定位精度、驱动力限制等）。

参考答案

一、选择题

1.解析：复合铰链连接4个构件，实际转动副数为3（n个构件组成的复合铰链有n-1个转动副）。平面机构自由度公式F=3n-2PL-PH，其中n为活动构件数。总构件数=复合铰链连接的4个构件+机架=5，故活动构件数n=4。PL=转动副数（3）+移动副数（2）=5，PH=0。代入得F=3×4-2×5=12-10=2。答案：B

2.解析：动力学模块可计算惯性力、约束力等动态特性，适用于高速运动分析。答案：B

3.解析：遗传算法需最大化适应度值，因此目标函数“最小化