機械設(shè)計教學(xué)與工程能力培養(yǎng)*——以過山車關(guān)鍵零部件疲勞分析為例

◆陸鳳儀 穆芳娟 辛虎君 銀明

1 工程教育專業(yè)認證與機械設(shè)計課程

機械設(shè)計課程是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，課程目標與專業(yè)認證對畢業(yè)生（知識與能力）要求具有三方面能力的對應(yīng)關(guān)系。

1）具有運用工程工作所需的相關(guān)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及經(jīng)濟知識和管理知識的能力（G2）。

2）具有運用工程基礎(chǔ)知識和本專業(yè)基本理論知識解決問題的能力；具有系統(tǒng)的工程實踐學(xué)習(xí)經(jīng)歷；了解本專業(yè)前沿發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢（G3）。

3）掌握基本的創(chuàng)新方法，具有追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識；具有綜合運用理論和技術(shù)手段設(shè)計系統(tǒng)和過程的能力；設(shè)計過程中能夠綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)境、法律、安全、健康、倫理等制約因素（G5）。

將機械設(shè)計課程與培養(yǎng)目標和培養(yǎng)要求直接聯(lián)系起來，在教學(xué)過程中結(jié)合大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目，培養(yǎng)上述三方面的能力。

2 機械設(shè)計教學(xué)與工程能力培養(yǎng)

機械設(shè)計課程的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握通用機械零、部件的設(shè)計原理、方法和機械設(shè)計的一般規(guī)律，具有設(shè)計機械傳動裝置和簡單的機械的能力；具有運用標準、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料的能力。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握如何將復(fù)雜的工程實際問題通過合理的簡化，應(yīng)用所學(xué)理論公式進行設(shè)計或計算。因此，本課程對學(xué)生工程能力的培養(yǎng)起著重要的作用。

過山車運載小車上的關(guān)鍵零部件有輪架承重輪軸、側(cè)導(dǎo)輪軸及倒掛輪軸、輪架、車橋橋殼、車橋半軸、連接桿、連接叉和尾部連接器。過山車關(guān)鍵零部件疲勞分析所用的基本理論是機械設(shè)計課程中的機械疲勞強度計算和軸的疲勞校核。然而進行過山車運載小車上的關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)分析和疲勞分析，要對以上零部件模型系統(tǒng)進行實體建模。實體建模，采用三維實體建模工具SolidWorks完成對軌道和零部件有限元建模工作。然后通過對已有的三維實體模型進行裝配，直接導(dǎo)入SolidWorks Motion中，原有的裝配關(guān)系映射為約束關(guān)系，同時添加運動約束和動力學(xué)載荷，對過山車一個工作循環(huán)進行動態(tài)仿真。

本文基于動態(tài)仿真所得數(shù)據(jù)，將過山車運載小車關(guān)鍵零部件的有限元模型分別導(dǎo)入SolidWorks Simulation中，并將運動學(xué)和動力學(xué)仿真所得相關(guān)載荷數(shù)據(jù)施加到相應(yīng)零部件中，應(yīng)用機械設(shè)計課程相關(guān)理論對其進行結(jié)構(gòu)分析和疲勞分析。

3 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)分析和疲勞分析

本文以輪架承重輪軸、輪架和尾部連接桿為例，對其進行結(jié)構(gòu)分析和疲勞分析。輪架和尾部連接器的實體模型如圖1、圖2所示。

輪架承重輪軸

1）結(jié)構(gòu)分析。在動力學(xué)仿真分析模型中測出在運行過程中一側(cè)單個承重輪軸上所受的最大力為F=133 135.5 N。有限元計算得到承重輪軸應(yīng)力圖和變形位移圖如圖3、圖4所示。

由兩圖可知，承重輪軸的最大應(yīng)力為σmax=186.75 MPa，最大變形位移為0.02 mm。位移變形較小。

承重輪軸材料為40CrNiMoA，力學(xué)性能 σs=835 MPa，σb=980 MPa；對于關(guān)鍵部件，設(shè)計許用安全系數(shù)[n]=5；根據(jù)GB8408-2008中零部件所承受的最大應(yīng)力與材料極限應(yīng)力的比值所得安全系數(shù)n應(yīng)大于許用安全系數(shù)[n]，即：

綜上可知，其強度條件滿足安全要求。

2）疲勞分析。承重輪軸只承受彎矩，故其危險截面的疲勞強度安全系數(shù)校核公式：

式中：σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(980+835)=490 MPa

σa=σm=σmax/2=186.75/2=93.375 MPa

Kσ——彎曲時有效應(yīng)力集中系數(shù)，取Kσ=2；

β——表面質(zhì)量系數(shù)，取β=2.4；

εσ——彎曲時尺寸影響系數(shù)，取εσ=0.73；

φσ——材料拉伸時平均應(yīng)力折算系數(shù)，取φσ=0.14。

根據(jù)GB8408-2008，對應(yīng)材料較均勻、載荷及應(yīng)力計算較精確的脈動循環(huán)，材料疲勞強度安全系數(shù)Sp≥1.73。

經(jīng)計算可知：

故承重輪軸的疲勞強度滿足安全要求。

輪架 對輪架的結(jié)構(gòu)分析需在動力學(xué)仿真分析基礎(chǔ)上，得到過山車運行過程中承重輪軸、側(cè)導(dǎo)輪軸和倒掛輪軸三個零件受到相對持續(xù)時間較長的最大力，且當承重輪受力時，倒掛輪未受力。在動力學(xué)仿真分析模型中測出在運行過程中單側(cè)一個承重輪上的最大力F=29 992.95 N，單側(cè)一個側(cè)導(dǎo)輪上的最大力F=29415.2 N。有限元計算得到倒掛輪軸應(yīng)力圖和變形位移圖如圖5、圖6所示。通過有限元計算可知，輪架的最大應(yīng)力σmax=173.75 MPa，最大變形位移為0.213 mm。位移變形較小。

輪架的材料為40CrNiMoA，力學(xué)性能σs=835 MPa，σb=980 MPa；對于關(guān)鍵部件，設(shè)計許用安全系數(shù)[n]=5；根據(jù)GB8408-2008中零部件所承受的最大應(yīng)力與材料極限應(yīng)力的比值所得安全系數(shù)n應(yīng)大于許用安全系數(shù)[n]，即：

綜上可知，其強度條件滿足安全要求。

尾部連接器連接桿

1）結(jié)構(gòu)分析。在動力學(xué)仿真分析模型中測出在運行過程中尾部連接器——連接桿上所受的最大力為F=19 442 N。進行有限元計算，得到尾部連接器——連接桿的應(yīng)力圖和最大變形位移圖，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，尾部連接器——連接桿最大應(yīng)力為σmax=23.705 MPa，最大變形位移為0.015 mm。位移變形較小。

尾部連接器——連接桿的材料為40Cr，力學(xué)性能σs=800 MPa，σb=1000 MPa；對于關(guān)鍵部件，設(shè)計許用安全系數(shù)[n]=5；根據(jù)GB8408-2008零部件所承受的最大應(yīng)力與材料極限應(yīng)力的比值所得安全系數(shù)n應(yīng)大于許用安全系數(shù)[n]，即：

綜上可知，其強度條件滿足安全要求。

2）疲勞分析。尾部連接器——連接桿的疲勞強度安全系數(shù)校核公式：

式中：σ-1=0.27(σb+σs)=0.27×(1000+800)=486 MPa

σa=σm=σmax/2=23.705/2=11.85 MPa

根據(jù)GB8408-2008，對應(yīng)材料較均勻、載荷及應(yīng)力計算較精確的脈動循環(huán)，材料疲勞強度安全系數(shù)Sp≥1.73。

經(jīng)計算可知：

故尾部連接器——連接桿的疲勞強度滿足安全要求。

通過對過山車零部件的結(jié)構(gòu)疲勞分析可知，過山車關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足安全要求，關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)性能安全。

4 結(jié)論

基于動態(tài)仿真所得動力學(xué)載荷數(shù)據(jù)和SolidWorks Simulation快速有限元分析算法所得數(shù)據(jù)，對過山車關(guān)鍵零部件進行結(jié)構(gòu)分析與疲勞分析，最終得出過山車關(guān)鍵零部件安全的結(jié)論。機械設(shè)計教學(xué)與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目結(jié)合，培養(yǎng)了學(xué)生運用工程工作所需的相關(guān)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)以及經(jīng)濟知識和管理知識的能力（G2）；運用工程基礎(chǔ)知識和本專業(yè)基本理論知識解決問題的能力（G3）；掌握基本的創(chuàng)新方法，追求創(chuàng)新的態(tài)度和意識，綜合運用理論和技術(shù)手段設(shè)計系統(tǒng)和過程的能力（G5）?！?/p>

[1]國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB8408-2008 游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].北京:2008.

[2]梁朝虎,秦平彥,林偉明,等.基于虛擬仿真的過山車輪架疲勞壽命分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報,2008,18(7):34-38.