虛擬仿真在軌道車輛強度課程實驗教學中的應用研究

石曉玲　王向玲　王曉蕾　常悅　辛利偉　宋要斌　賀全智

摘? 要：隨著軌道車輛強度課程實驗教學比重的逐年增大，將虛擬仿真軟件引入軌道車輛強度課程的實驗教學中，提出“基礎-專業(yè)-創(chuàng)新-人文”4層次的虛擬仿真實驗教學方法，即利用有限元軟件實現(xiàn)軌道車輛結構認識和強度分析，結合相關科研項目和創(chuàng)新實踐活動，提高學生的仿真應用能力與創(chuàng)新能力，引導學生深入理解軌道車輛強度安全的重要性，既達到知識傳授和能力培養(yǎng)融入教學過程的目的，又實現(xiàn)課程思政與實驗教學的巧妙融合。該實驗教學方法借助虛擬仿真技術有效降低了實驗成本，有助于提高學生的工程實踐能力，激發(fā)其科學探索精神，培養(yǎng)其職業(yè)精神和職業(yè)素養(yǎng)。

關鍵詞：虛擬仿真；有限元分析；軌道車輛強度；實驗教學；教學案例

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）14-0105-04

Abstract： With the increasing proportion of experimental teaching on the course of Rail Vehicle Strength year by year， virtual simulation software is introduced into the experimental teaching of the course of Rail Vehicle Strength， and a four-level virtual simulation experimental teaching method of "foundation - specialty - innovation - humanities" is proposed， that is， using finite element software to realize rail vehicle structure understanding and strength analysis， combined with relevant scientific research projects and innovative practical activities， improve students' simulation application ability and innovation ability， guide students to deeply understand the importance of rail vehicle strength and safety， not only achieve the purpose of integrating knowledge transfer and ability training into the teaching process， but also realize the ingenious integration of curriculum ideological and political education and experimental teaching. The experimental teaching method effectively reduces the experimental cost with the help of virtual simulation technology， and helps to improve students' engineering practice ability， stimulate their scientific exploration spirit， and cultivate their professional spirit and professional quality.

Keywords： virtual simulation; finite element analysis; strength of rolling stock; experimental teaching; teaching case

新工科以培養(yǎng)科學、人文和工程交叉融合的多元化人才為目標，急需從學習結果教育向目標導向教育（OBE）改革。軌道車輛強度作為車輛工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，涉及到軌道車輛結構認知、強度設計規(guī)范、強度分析和零部件強度試驗等相關知識[1-5]。而在傳統(tǒng)的實驗教學中，軌道車輛類型復雜，貨車、普通客車及動車組結構差異較大，受實驗成本、實驗場地和安全隱患大等條件限制，開放性實驗占比較低，導致學生存在實踐能力不強，創(chuàng)新能力不足等問題[6-8]，可見傳統(tǒng)的教學環(huán)境和模式都無法滿足國家對現(xiàn)代化人才培養(yǎng)的需要，亟須探索一些新的實驗教學模式來逐步提高學生的內在素質。

基于上述問題，眾多學者開展了實驗教學改革的相關研究。翟婉明院士等[9]提出了三轉化理念，在此基礎上實施二維度傳遞，即將教師的知識能力、科研成果通過課堂和實驗教學轉化為學生的綜合實踐能力。周萌等[10]從精細化、真實化、可擴展化及模塊化四個方面入手，提出基于虛擬仿真平臺的實驗課程教學改革方法，解決了理論與實踐相分離的問題。李虹等[11]以創(chuàng)新實驗項目作為實驗教學改革的切入點，開創(chuàng)性地設置了“開放實驗項目超市”，實現(xiàn)了實戰(zhàn)與模擬結合，教學與科研結合，推動了高校實驗教學的發(fā)展。

近年來，隨著3D可視化軟件和虛擬仿真技術的日益完善，為各種專業(yè)課程的實驗教學提供了新思路新方法?；诖?，本文針對軌道車輛結構力學分析復雜、學生理解難度較大、實驗測試成本較高的問題，提出了“基礎-專業(yè)-創(chuàng)新-人文”4層次的虛擬仿真實驗教學方法，即構建一套利用有限元軟件實現(xiàn)軌道車輛結構認識和強度分析的實驗平臺，結合科研項目的仿真實驗，達到提升學生綜合實踐能力的目的。

一? 虛擬仿真實驗教學組織

軌道車輛結構復雜，形式多樣，包括以轉向架、輪對、軸箱裝置、彈性懸掛元件和減震元件為主的轉向架結構及基本部件模塊，以貨車類型及車體結構形式為主，及敞車、篷車、平車、罐車和特種車輛的車體結構模塊，以引起車輛振動原因分析、輪對簧上質量系統(tǒng)、車輛運行品質及安全性評估的鐵道車輛運行性能模塊，車鉤緩沖裝置及緩沖器的類型、結構性能分析模塊。

本文以軌道車輛強度結構為載體，構建4層次的虛擬仿真實驗教學組織，如圖1所示，從軌道車輛的基本結構認識、結構強度分析，到創(chuàng)新實踐實驗，借助多種有限元軟件，以多維度專業(yè)視角，擴展實踐教學資源，培養(yǎng)具有創(chuàng)新性和實踐性的工程專業(yè)人才。

（一）? HYPERMESH虛擬拆解教學組織

以虛擬仿真教學為主線，建立軌道車輛強度的實驗課程體系，涵蓋“轉向架結構原理及基本部件”“車體結構”“鐵道車輛的運行性能”“車端連接裝置”等基本結構認識。基于現(xiàn)有的虛擬仿真實驗教學平臺和虛擬仿真HYPERMESH軟件，搭建虛擬拆解實踐教學內容，不僅能夠豐富實驗教學形式，更重要的是對實驗條件缺乏的高校實現(xiàn)車輛結構認知學習的全覆蓋，對操作要求較高的課程提供了一個新途徑。

HYPERMESH軟件可以快速導入軌道車輛三維結構，并對其進行網(wǎng)格劃分，結構拆解，載荷施加等功能[12-13]。圖2為波紋型地板局部結構，學生可以通過軟件的拆解功能深入理解車體地板的波紋結構，該地板設計既達到了滿足車體強度的要求，又實現(xiàn)了車輛輕量化的目的。

（二）? ANSYS虛擬仿真結構強度分析教學組織

軌道車輛結構強度分析主要包括“車輛載荷分析”“車輛強度分析”及“車輛零部件強度試驗”等。ANSYS作為結構強度分析的主要軟件，具有易學易用的開放體系，界面友好，多平臺支持，適用于結構、熱、流體等多種物理場的分析計算，可以滿足各行各業(yè)的工程需要，因此將ANSYS作為本課程虛擬仿真教學的主要工具。

ANSYS主要由3個模塊組成，分別是可以實體建模和網(wǎng)格劃分的Pre-processor模塊，進行邊界條件和施加外載的Solution模塊，分析處理模型計算結果的General Postproc和TimeHistPostproc模塊[14-16]。另外，ANSYS開放的構架提供了廣泛的CAD和CAE接口，利用該軟件可以導入HYPERMESH劃分完的有限元模型，學生根據(jù)實際情況和相關標準，對不同結構進行邊界條件和外載的施加，通過靜力學和動力學分析得到其計算結果，基于相應的強度理論對結構進行強度校核及結構優(yōu)化，并將車輛零部件的仿真結果與實驗結果進行對比，思考仿真結果和實驗結果存在誤差的原因有哪些，激發(fā)學生的科學探索精神和解決科研問題的能力。

（三）? 創(chuàng)新+人文虛擬仿真教學組織

針對學生在虛擬仿真實驗過程中遇到的實際問題，教師可以結合自己的科研項目進行針對性的引導，幫助學生加深對軌道車輛強度的理解，也有助于掌握此力學分析軟件，為科研訓練提供強大的工具。

同時，該課程可以開展一些創(chuàng)新實踐活動，比如在虛擬拆解車輛實驗教學過程中，可以向學生展示我國高速動車組的各類車型結構及每類車型的相關參數(shù)，通過這些大國工程激發(fā)學生的民族自豪感和愛國主義精神；在虛擬仿真結構強度分析過程中，設置一些極限性虛擬仿真實驗，當軌道車輛結構某一處的最大應力超過其屈服強度時，車輛結構會發(fā)生變形破壞，對乘客的生命安全造成很大的威脅，進而引出“千里之堤潰于蟻穴”的人生告誡，強調機械工程師應該具有精益求精的工匠精神。

總之，與傳統(tǒng)實驗教學相比，采用虛擬仿真軟件進行軌道車輛強度課程實驗教學具有以下優(yōu)勢：

1）突破常規(guī)實驗教學的限制?？紤]到設備損耗率、空間成本和危險性等因素，有些實驗課程難以開展，虛擬仿真實踐教學可以全方位立體地向學生展示課本中無法接觸或還原的知識。學生也可以通過虛擬仿真環(huán)境中的相關實驗提升其實踐能力。

2）打破院校教學科研的壁壘。以提升學生的創(chuàng)新能力和實踐能力為目的，可以有計劃地建設、引進一些具有示范引領作用的虛擬仿真實驗，推動學校實驗教學的改革與創(chuàng)新。

3）多次重復和再現(xiàn)虛擬仿真實驗。學生可以通過拆解不同位置的結構，深層次理解軌道車輛的基本結構。在此基礎上，通過配置不同的參數(shù)，對虛擬仿真分析結果進行對比，多角度理解軌道車輛強度的意義。

二? 車輛車體強度虛擬仿真實驗教學案例

（一）? 虛擬仿真模型建立

軌道車輛車體由底架、車頂、側墻、端墻組成，而車體底架為無中梁結構，主要由邊梁、牽引梁、枕梁、波紋地板組成。將車體的三維模型導入有限元分析軟件中，以四節(jié)點薄殼單元為主建立車體的有限元模型，單元長度為20～25 mm，最小單元為5 mm，建模時對該車整體及局部強度有貢獻的結構，都予以考慮，軌道車輛車體的單元數(shù)為2 295 421個，節(jié)點總數(shù)為1 924 102個。

（二）? 分析工況及約束

1? 約束施加方式

車體由4個空氣彈簧約束其垂向位移，1個中心銷約束橫向位移，車鉤座約束縱向位移。

2? 分析工況

1）根據(jù)EN 12663-1：2010《鐵路應用-鐵道車輛車體的結構要求》標準，分別計算垂向載荷工況（AW3）、整備載荷工況（AW0）、垂向超員工況（1.3AW3）、1 200 kN車鉤壓縮工況、960 kN車鉤拉伸工況、端部壓縮工況、駕車工況、復軌工況和轉向架沖擊工況、懸掛設備橫向沖擊工況、懸掛設備垂向沖擊工況、懸掛設備縱向沖擊工況和車頂1 kN的垂向載荷工況。

2）計算牽引、橫向制動、垂向振動、乘客上下車4個疲勞強度工況。

3）分別計算車輛AW0與AW3狀態(tài)下底架邊梁的垂向最大位移變形量及車體鋼結構狀態(tài)下底架邊梁的垂向最大變形量，并校核是否滿足要求。即車體剛度在AW3狀態(tài)下，地板橫梁變形不超過跨距的1/1 000。

（三）? 分析結果

1? 車體靜強度分析

利用ANSYS軟件對軌道車輛車體進行有限元分析，基于VonMises準則得到車體結構的局部應力，并計算車體各個位置的安全因子Ms（如式1所示），判定車體強度是否滿足設計要求，其有限元分析結果見表1和圖3（以部分典型結果為例）。由表1可知車體結構在1 200 kN車鉤壓縮工況時安全因子為1.08，最小安全因子大于1，可見該車體靜強度滿足要求。

式中：Ms為安全因子；？滓Allowable為屈服強度；？滓Calculated為局部應力。

2? 車體疲勞強度分析

車體疲勞強度評價參考IIW標準（ⅩⅢ-1539-96/XV-845-96《焊接接頭及其構件疲憊設計標準》）。其中，IIW標準給出的雙對數(shù)坐標系下的S-N曲線不是一條直線，而是具有雙斜率的折線，該折線拐點對應的循環(huán)次數(shù)分別為Nc=1×107和N=2×106循環(huán)次數(shù)對應的疲勞強度值，即為FAT等級值。另外，該S-N曲線截止循環(huán)次數(shù)為N=1×109，如圖4所示。

首先，從這些表中按設計要求及受力特點查找相符的接頭幾何形狀，一旦接頭形狀選定，對比表中疲勞強度等級FAT的值，根據(jù)FAT級別對應的參數(shù)即可繪制該級別的S-N曲線和Miner準則計算損傷比累計，最后根據(jù)載荷譜或動應力譜所對應的里程數(shù)，求出壽命（里程），分析結構的疲勞強度是否滿足要求。此外，還可以對車體結構進行屈曲分析及模態(tài)分析，更直觀地理解不同車體整體結構的頻率特性。

3? 車體剛度分析

通過計算分析車輛AW0與AW3狀態(tài)下底架邊梁的垂向最大位移變形量及車體鋼結構狀態(tài)下底架邊梁的垂向最大變形量，可知車體中部邊梁下翼緣的垂向位移為9.09 mm，低于地板橫梁變形不超過跨距的1/1 000要求，可見該車體剛度滿足要求。

根據(jù)上述步驟，改變仿真模型中的載荷值、危險部位結構，得到不同的分析結果，促進學生掌握車體不同部位的結構應力，歸納出結構強度的影響因素。特別是當外載較大時，可能引起車體結構的斷裂和破壞，這些形象直觀的虛擬仿真結果也使學生在潛移默化中理解結構設計的安全性與經(jīng)濟型的對立統(tǒng)一，提高學生的責任意識和職業(yè)素養(yǎng)。

三? 結束語

本文基于HYPERMESH和ANSYS虛擬仿真軟件實現(xiàn)了虛擬拆解教學、結構強度分析教學，不僅降低了授課的成本及難度，而且通過引進一些先進的虛擬仿真平臺豐富了教學資源，拓寬了實踐驅動型教學模式，達到了實驗課程教學可視化、可擴展與模塊化。同時，結合教師的科研項目和實驗過程中遇到的問題，適當開展一些創(chuàng)新型實驗，引導學生深入理解軌道車輛強度安全的重要性，既達到知識傳授和能力培養(yǎng)融入教學過程的目的，又實現(xiàn)課程思政與實驗教學的巧妙融合。該虛擬仿真實驗教學方法從“基礎-專業(yè)-創(chuàng)新-人文”4個層次保證了實驗教學的質量和效果，提高了學生的創(chuàng)新實踐能力和虛擬仿真軟件應用能力。

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第一作者簡介：石曉玲（1985-），女，漢族，山西平遙人，博士，副教授。研究方向為結構疲勞與可靠性分析。