An Excel‐based approach for designing stepped driveshafts for mobility devices and a study of its use in a design of machine elements course
An Excel‐based approach for designing stepped driveshafts for mobility devices and a study of its use in a design of machine elements course
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基于 Excel 的移动设备阶梯式传动轴设计方法及其在机器元件课程设计中的应用研究
DOI：
10.1002/cae.22528
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发表时间：
2022
影响因子：
2.9
通讯作者：
Srinivasa, Arun R.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Darnal, Aryabhat;Fisseler, Matthew;Benjamin, Chandler C.;Srinivasa, Arun R.
本文的目的是描述一种基于MS Excel的新方法，用于设计传动轴的刚度和疲劳强度。我们分析了该方法在德克萨斯A&M大学本科生课堂上让学生参与迭代设计过程和更高层次的定性决策活动的有效性。与传统的固定截面框架和桁架相比，很少有工具（限制有限元软件包）可以帮助对阶梯轴进行快速设计评估。该方法是基于一种新颖的使用奇异函数，以获得显式解决方案的阶梯轴下集中载荷。这种方法允许相对容易地实现到Excel中，而不需要任何数值积分或其他形式的近似。目前，阶梯轴设计中涉及的繁琐计算阻碍了教师探索驱动轴设计中的迭代变化。我们开发的Excel工具允许教师和学生专注于迭代决策。有了这个工具，即使在考试中也可以分配开放式设计问题，因为整个迭代过程不到15-20分钟。学生调查和考试答案的分析表明，学生已经获得了相当大的能力，使设计决策。它们还指出了需要改进设计思维的领域。
The aim of this paper is to describe a new MS Excel‐based approach for designing driveshafts for stiffness and fatigue strength. We analyze the efficacy of the approach in engaging students in an iterative design process and higher‐level qualitative decision‐making activities in an undergraduate class at Texas A&M University. Compared to conventional fixed cross‐section frames and trusses, there are few tools (barring Finite Element Packages) that facilitate rapid design evaluations of stepped shafts. The approach is based on a novel use of singularity functions to obtain explicit solutions for stepped shafts under concentrated loads. This approach allows for relatively easy implementation into Excel without the need for any numerical integration or other forms of approximation. Currently, the tedious calculations involved in the design of stepped shafts prevent instructors from exploring iterative changes in driveshaft design. The Excel tool that we have developed allows instructors and students to focus on iterative decision‐making. With this tool, open‐ended design questions are assigned even in exams since the entire iterative process takes less than 15–20 min. Student surveys and analysis of exam answers reveal that students have gained a considerable capability to make design decisions. They also indicate areas where improvement in design thinking is needed.
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