機械設計教學與工程能力培養*——以過山車關鍵零部件疲勞分析為例

◆陸鳳儀 穆芳娟 辛虎君 銀明

1 工程教育專業認證與機械設計課程

機械設計課程是機械設計制造及其自動化專業重要的技術基礎課程，課程目標與專業認證對畢業生（知識與能力）要求具有三方面能力的對應關系。

1）具有運用工程工作所需的相關數學、自然科學以及經濟知識和管理知識的能力（G2）。

2）具有運用工程基礎知識和本專業基本理論知識解決問題的能力；具有系統的工程實踐學習經歷；了解本專業前沿發展現狀和趨勢（G3）。

3）掌握基本的創新方法，具有追求創新的態度和意識；具有綜合運用理論和技術手段設計系統和過程的能力；設計過程中能夠綜合考慮經濟、環境、法律、安全、健康、倫理等制約因素（G5）。

將機械設計課程與培養目標和培養要求直接聯系起來，在教學過程中結合大學生創新創業訓練項目，培養上述三方面的能力。

2 機械設計教學與工程能力培養

機械設計課程的主要任務是培養學生掌握通用機械零、部件的設計原理、方法和機械設計的一般規律，具有設計機械傳動裝置和簡單的機械的能力；具有運用標準、規范、手冊、圖冊和查閱有關技術資料的能力。通過本課程的學習，使學生初步掌握如何將復雜的工程實際問題通過合理的簡化，應用所學理論公式進行設計或計算。因此，本課程對學生工程能力的培養起著重要的作用。

過山車運載小車上的關鍵零部件有輪架承重輪軸、側導輪軸及倒掛輪軸、輪架、車橋橋殼、車橋半軸、連接桿、連接叉和尾部連接器。過山車關鍵零部件疲勞分析所用的基本理論是機械設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鍵零部件結構分析和疲勞分析，要對以上零部件模型系統進行實體建模。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，直接導入SolidWorks Motion中，原有的裝配關系映射為約束關系，同時添加運動約束和動力學載荷，對過山車一個工作循環進行動態仿真。

本文基于動態仿真所得數據，將過山車運載小車關鍵零部件的有限元模型分別導入SolidWorks Simulation中，并將運動學和動力學仿真所得相關載荷數據施加到相應零部件中，應用機械設計課程相關理論對其進行結構分析和疲勞分析。

3 關鍵零部件結構分析和疲勞分析

本文以輪架承重輪軸、輪架和尾部連接桿為例，對其進行結構分析和疲勞分析。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）結構分析。在動力學仿真分析模型中測出在運行過程中一側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，力學性能 σs=835 MPa，σb=980 MPa；對于關鍵部件，設計許用安全系數[n]=5；根據GB8408-2008中零部件所承受的最大應力與材料極限應力的比值所得安全系數n應大于許用安全系數[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——彎曲時有效應力集中系數，取Kσ=2；

β——表面質量系數，取β=2.4；

εσ——彎曲時尺寸影響系數，取εσ=0.73；

φσ——材料拉伸時平均應力折算系數，取φσ=0.14。

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

經計算可知：

故承重輪軸的疲勞強度滿足安全要求。

輪架 對輪架的結構分析需在動力學仿真分析基礎上，得到過山車運行過程中承重輪軸、側導輪軸和倒掛輪軸三個零件受到相對持續時間較長的最大力，且當承重輪受力時，倒掛輪未受力。在動力學仿真分析模型中測出在運行過程中單側一個承重輪上的最大力F=29 992.95 N，單側一個側導輪上的最大力F=29415.2 N。有限元計算得到倒掛輪軸應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，力學性能σs=835 MPa，σb=980 MPa；對于關鍵部件，設計許用安全系數[n]=5；根據GB8408-2008中零部件所承受的最大應力與材料極限應力的比值所得安全系數n應大于許用安全系數[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）結構分析。在動力學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，力學性能σs=800 MPa，σb=1000 MPa；對于關鍵部件，設計許用安全系數[n]=5；根據GB8408-2008零部件所承受的最大應力與材料極限應力的比值所得安全系數n應大于許用安全系數[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GB8408-2008，對應材料較均勻、載荷及應力計算較精確的脈動循環，材料疲勞強度安全系數Sp≥1.73。

經計算可知：

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構疲勞分析可知，過山車關鍵零部件結構疲勞強度滿足安全要求，關鍵零部件結構性能安全。

4 結論

基于動態仿真所得動力學載荷數據和SolidWorks Simulation快速有限元分析算法所得數據，對過山車關鍵零部件進行結構分析與疲勞分析，最終得出過山車關鍵零部件安全的結論。機械設計教學與大學生創新創業訓練項目結合，培養了學生運用工程工作所需的相關數學、自然科學以及經濟知識和管理知識的能力（G2）；運用工程基礎知識和本專業基本理論知識解決問題的能力（G3）；掌握基本的創新方法，追求創新的態度和意識，綜合運用理論和技術手段設計系統和過程的能力（G5）。■

[1]國家質量技術監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB8408-2008 游樂設施安全規范[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].中國安全科學學報,2008,18(7):34-38.