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(xué)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(xué)中，提出“基礎(chǔ)-專業(yè)-創(chuàng)新-人文”4層次的虛擬仿真實驗教學(xué)方法，即利用有限元軟件實現(xiàn)軌道車輛結(jié)構(gòu)認(rèn)識和強度分析，結(jié)合相關(guān)科研項目和創(chuàng)新實踐活動，提高學(xué)生的仿真應(yīng)用能力與創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)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(xué)過程的目的，又實現(xiàn)課程思政與實驗教學(xué)的巧妙融合。該實驗教學(xué)方法借助虛擬仿真技術(shù)有效降低了實驗成本，有助于提高學(xué)生的工程實踐能力，激發(fā)其科學(xué)探索精神，培養(yǎng)其職業(yè)精神和職業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；有限元分析；軌道車輛強度；實驗教學(xué)；教學(xué)案例

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標(biāo)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(xué)、人文和工程交叉融合的多元化人才為目標(biāo)，急需從學(xué)習(xí)結(jié)果教育向目標(biāo)導(dǎo)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(jié)構(gòu)認(rèn)知、強度設(shè)計規(guī)范、強度分析和零部件強度試驗等相關(guān)知識[1-5]。而在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，軌道車輛類型復(fù)雜，貨車、普通客車及動車組結(jié)構(gòu)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(dǎo)致學(xué)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(xué)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(xué)模式來逐步提高學(xué)生的內(nèi)在素質(zhì)。

基于上述問題，眾多學(xué)者開展了實驗教學(xué)改革的相關(guān)研究。翟婉明院士等[9]提出了三轉(zhuǎn)化理念，在此基礎(chǔ)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(xué)轉(zhuǎn)化為學(xué)生的綜合實踐能力。周萌等[10]從精細(xì)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(xué)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(xué)改革的切入點，開創(chuàng)性地設(shè)置了“開放實驗項目超市”，實現(xiàn)了實戰(zhàn)與模擬結(jié)合，教學(xué)與科研結(jié)合，推動了高校實驗教學(xué)的發(fā)展。

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

一? 虛擬仿真實驗教學(xué)組織

軌道車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多樣，包括以轉(zhuǎn)向架、輪對、軸箱裝置、彈性懸掛元件和減震元件為主的轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)及基本部件模塊，以貨車類型及車體結(jié)構(gòu)形式為主，及敞車、篷車、平車、罐車和特種車輛的車體結(jié)構(gòu)模塊，以引起車輛振動原因分析、輪對簧上質(zhì)量系統(tǒng)、車輛運行品質(zhì)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(jié)構(gòu)性能分析模塊。

本文以軌道車輛強度結(jié)構(gòu)為載體，構(gòu)建4層次的虛擬仿真實驗教學(xué)組織，如圖1所示，從軌道車輛的基本結(jié)構(gòu)認(rèn)識、結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)組織

以虛擬仿真教學(xué)為主線，建立軌道車輛強度的實驗課程體系，涵蓋“轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)原理及基本部件”“車體結(jié)構(gòu)”“鐵道車輛的運行性能”“車端連接裝置”等基本結(jié)構(gòu)認(rèn)識?；诂F(xiàn)有的虛擬仿真實驗教學(xué)平臺和虛擬仿真HYPERMESH軟件，搭建虛擬拆解實踐教學(xué)內(nèi)容，不僅能夠豐富實驗教學(xué)形式，更重要的是對實驗條件缺乏的高校實現(xiàn)車輛結(jié)構(gòu)認(rèn)知學(xué)習(xí)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(dǎo)入軌道車輛三維結(jié)構(gòu)，并對其進行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)拆解，載荷施加等功能[12-13]。圖2為波紋型地板局部結(jié)構(gòu)，學(xué)生可以通過軟件的拆解功能深入理解車體地板的波紋結(jié)構(gòu)，該地板設(shè)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(jié)構(gòu)強度分析教學(xué)組織

軌道車輛結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強度分析的主要軟件，具有易學(xué)易用的開放體系，界面友好，多平臺支持，適用于結(jié)構(gòu)、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(xué)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(jié)果的General Postproc和TimeHistPostproc模塊[14-16]。另外，ANSYS開放的構(gòu)架提供了廣泛的CAD和CAE接口，利用該軟件可以導(dǎo)入HYPERMESH劃分完的有限元模型，學(xué)生根據(jù)實際情況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對不同結(jié)構(gòu)進行邊界條件和外載的施加，通過靜力學(xué)和動力學(xué)分析得到其計算結(jié)果，基于相應(yīng)的強度理論對結(jié)構(gòu)進行強度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將車輛零部件的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，思考仿真結(jié)果和實驗結(jié)果存在誤差的原因有哪些，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)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(xué)組織

針對學(xué)生在虛擬仿真實驗過程中遇到的實際問題，教師可以結(jié)合自己的科研項目進行針對性的引導(dǎo)，幫助學(xué)生加深對軌道車輛強度的理解，也有助于掌握此力學(xué)分析軟件，為科研訓(xùn)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(xué)過程中，可以向?qū)W生展示我國高速動車組的各類車型結(jié)構(gòu)及每類車型的相關(guān)參數(shù)，通過這些大國工程激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義精神；在虛擬仿真結(jié)構(gòu)強度分析過程中，設(shè)置一些極限性虛擬仿真實驗，當(dāng)軌道車輛結(jié)構(gòu)某一處的最大應(yīng)力超過其屈服強度時，車輛結(jié)構(gòu)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(diào)機械工程師應(yīng)該具有精益求精的工匠精神。

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

1）突破常規(guī)實驗教學(xué)的限制?？紤]到設(shè)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(xué)可以全方位立體地向?qū)W生展示課本中無法接觸或還原的知識。學(xué)生也可以通過虛擬仿真環(huán)境中的相關(guān)實驗提升其實踐能力。

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

3）多次重復(fù)和再現(xiàn)虛擬仿真實驗。學(xué)生可以通過拆解不同位置的結(jié)構(gòu)，深層次理解軌道車輛的基本結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，通過配置不同的參數(shù)，對虛擬仿真分析結(jié)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(xué)案例

（一）? 虛擬仿真模型建立

軌道車輛車體由底架、車頂、側(cè)墻、端墻組成，而車體底架為無中梁結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(yīng)用-鐵道車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》標(biāo)準(zhǔn)，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(fù)軌工況和轉(zhuǎn)向架沖擊工況、懸掛設(shè)備橫向沖擊工況、懸掛設(shè)備垂向沖擊工況、懸掛設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)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(zhǔn)則得到車體結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)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(shè)計要求，其有限元分析結(jié)果見表1和圖3（以部分典型結(jié)果為例）。由表1可知車體結(jié)構(gòu)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(yīng)力。

2? 車體疲勞強度分析

車體疲勞強度評價參考IIW標(biāo)準(zhǔn)（ⅩⅢ-1539-96/XV-845-96《焊接接頭及其構(gòu)件疲憊設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》）。其中，IIW標(biāo)準(zhǔn)給出的雙對數(shù)坐標(biāo)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)的參數(shù)即可繪制該級別的S-N曲線和Miner準(zhǔn)則計算損傷比累計，最后根據(jù)載荷譜或動應(yīng)力譜所對應(yīng)的里程數(shù)，求出壽命（里程），分析結(jié)構(gòu)的疲勞強度是否滿足要求。此外，還可以對車體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，得到不同的分析結(jié)果，促進學(xué)生掌握車體不同部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，歸納出結(jié)構(gòu)強度的影響因素。特別是當(dāng)外載較大時，可能引起車體結(jié)構(gòu)的斷裂和破壞，這些形象直觀的虛擬仿真結(jié)果也使學(xué)生在潛移默化中理解結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性與經(jīng)濟型的對立統(tǒng)一，提高學(xué)生的責(zé)任意識和職業(yè)素養(yǎng)。

三? 結(jié)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(xué)、結(jié)構(gòu)強度分析教學(xué)，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(xué)資源，拓寬了實踐驅(qū)動型教學(xué)模式，達到了實驗課程教學(xué)可視化、可擴展與模塊化。同時，結(jié)合教師的科研項目和實驗過程中遇到的問題，適當(dāng)開展一些創(chuàng)新型實驗，引導(dǎo)學(xué)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(xué)過程的目的，又實現(xiàn)課程思政與實驗教學(xué)的巧妙融合。該虛擬仿真實驗教學(xué)方法從“基礎(chǔ)-專業(yè)-創(chuàng)新-人文”4個層次保證了實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果，提高了學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力和虛擬仿真軟件應(yīng)用能力。

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基金項目：2021年山西省研究生教育教學(xué)改革課題“全日制專業(yè)學(xué)位碩士研究生實踐教學(xué)體系構(gòu)建——以礦業(yè)工程系為例”（2021YJJG328）；2021年山西省研究生教育教學(xué)改革課題“能源類工程碩士專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究”（2021YJJG332）；2022年山西省研究生教育教學(xué)改革課題“適應(yīng)高等院校類型新定位的研究生多層次培養(yǎng)模式研究”（2022YJJG306）；2022年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目課題“本科生導(dǎo)師制推動下安全工程專業(yè)課程思政教學(xué)構(gòu)建與實踐”（J20221150）；2022年山西省高等學(xué)校教學(xué)改革創(chuàng)新項目課題“疫情防控下采礦工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)平臺體系建設(shè)研究”（J20221158）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目課題“虛擬仿真賦能的安全工程專業(yè)實驗教學(xué)改革”（220501867104653）

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(jié)構(gòu)疲勞與可靠性分析。