虛擬樣機技術在裝配式鋼橋設計中的應用

【后勤保障與裝備管理】

虛擬樣機技術在裝配式鋼橋設計中的應用

曾繁琦，何曉暉，王強

(解放軍理工大學 野戰工程學院，南京210007)

摘要：裝配式鋼橋是一種可以分解和快速架設的橋梁裝備，其具有自重較輕、構件可互換及重復使用、組合形式多樣等優點，且架設迅速，有足夠的承載和抗振能力，工作性能穩定，通過不斷的技術革新，由最初的軍用戰備鋼橋發展為軍民兩用。對虛擬樣機技術進行了簡要介紹，以裝配式鋼橋為研究對象，基于虛擬樣機技術建立了鋼橋的動力學模型，對展橋機構進行了設計與仿真分析，仿真分析結果為裝配式鋼橋設計研究和后續展橋機構的優化設計提供了依據。

關鍵詞：裝配式鋼橋；虛擬樣機技術；仿真分析

收稿日期：2015-03-12

作者簡介：曾繁琦(1990—)，男(滿族)，碩士研究生，主要從事裝備技術與應用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.018

中圖分類號：TP391.9；E923.38

文章編號：1006-0707(2015)09-0069-04

本文引用格式：曾繁琦，何曉暉，王強.虛擬樣機技術在裝配式鋼橋設計中的應用[J].四川兵工學報，2015(9):69-72.

Citation format:ZENG Fan-qi, HE Xiao-hui, WANG Qiang.Application of Virtual Prototyping Technology on Portable Steel Bridge[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):69-72.

Application of Virtual Prototyping Technology on Portable Steel Bridge

ZENG Fan-qi, HE Xiao-hui, WANG Qiang

(College of Field Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

Abstract:Portable steel bridge is a kind of bridge equipment which can be disassembled and erected quickly. It has the advantages of lighter weight, interchangeable and repeatedly used components, different combination forms, quick erection, sufficient load and vibration resistance and stable performance. Through constantly technological innovation, portable steel bridge was developed from the initial military combat readiness steel bridge to the dual-use. Firstly the virtual prototyping technology was briefly introduced. Then to a certain type of portable steel bridge as the research object, the dynamic model of steel bridge was established based on virtual prototyping technology and the bridge expanding devices were designed and calculated for simulation analysis. The simulation analysis results provide the basis for the research and design of portable steel bridge and the subsequent optimization design of the bridge expanding devices.

Key words: portable steel bridge; virtual prototyping technology; simulation analysis

裝配式鋼橋是一種能分解、能實現快速架設的制式橋梁[1]，被廣泛用于搶險救災、戰爭應急以及工程施工等方面[2]。裝配式鋼橋不僅在軍用方面起到重要作用，而且在公路和鐵路等民用方面也具有重要意義。在和平年代，為了秉承平戰結合的思想，同時由于我國公路、鐵路的快速發展，改擴建工程越來越多，裝配式鋼橋在保障交通通暢、短期臨時工程都有顯著的優勢。同時裝配式鋼橋技術結構性能優越，安全系數高，技術經濟效益顯著提高。因此，大力開發和推廣應用裝配式鋼橋技術是當務之急[3]。

由于裝配式結構本身比較復雜，且受適應場地、架設時機等因素制約，結構設計難度大，僅借助傳統的設計方法存在設計周期長、工作量大、成本高等諸多問題，為此，本研究將虛擬樣機技術引入到裝配式鋼橋設計中，通過建立鋼橋的動力學模型，對展橋機構進行設計與仿真分析。

1虛擬樣機技術

1.1基本概念

虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technology)是一種新產品的開發方法，是一種基于智能設計技術、并行工程、仿真工程及網絡技術的先進制造技術，將不同工程領域開發的模型結合在一起，并以計算機仿真和建模技術為支持，在產品設計開發過程中，將分散的零部件設計和分析技術融合在一起，在計算機上建造出來產品的整體模型，并針對該產品在投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產品的整體性能，進而改進產品設計、提高產品性能的一種新技術[4]。采用虛擬樣機技術能降低研發成本、縮短研發周期、提高產品質量，因此，虛擬樣機技術可用于汽車工業、鐵道工業、航空航天工業和機械工業等研究領域。

虛擬樣機技術是近年來在產品開發的CAX技術(如CAD、CAE、CAM)和DFX技術(如DFA、DFM)等基礎上發展起來的，產生了很多具有代表性的商業分析軟件，如ADAMS、ANSYS、DADS、SYM、CAMS、EASY5等，近年來韓國基于遞推算法開發的RecurDyn多體系統動力學分析軟件在仿真時間上大大提高了計算效率，為產品性能的綜合分析、設計優化等更高層次的產品設計行為提供了方便，為機-電-液-控耦合領域多體系統統一建模及分析優化搭建了有效的數字化仿真平臺。

機械系統虛擬樣機技術(Mechanical System Virtual Prototyping Technology)，是基于虛擬樣機的機械系統仿真技術，其核心是多體系統運動學和動力學建模理論及其技術實現，是指在機械系統設計開發過程中，在一臺物理樣機生產出來之前，首先利用計算機技術建立該機械系統(產品)的三維數字化模型(即虛擬樣機)；對其進行靜力學、運動學和動力學分析，較好地仿真該機械系統的運動過程，以預測機械系統的整體性能；以迅速地分析、比較并改進系統的設計方案，提高產品的性能，最大限度地減少對物理樣機的試驗次數[4]。

近年來，隨著計算機硬件和軟件技術的不斷發展以及工程應用的推動，商業化軟件日趨成熟。眾多的多體動力學軟件都相繼推出了市場，而ADAMS、DADS、EASY5仍然在市場中有上佳的表現，并且都有所發展，特別是美國ADAMS軟件在國內外應用都很廣泛[5]。

1.2ADAMS動力學分析軟件

機械系統動力學分析軟件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是目前國際上使用最廣泛的系統動態模擬軟件。它由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業領域模塊及工具箱5類模塊組成，使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統模型，其求解器利用計算多剛體系統動力學自動建模理論建立系統最大量坐標動力學微分-代數方程，求解器算法穩定，對剛性問題十分有效，可以對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，后處理程序輸出位移、速度、加速度和節點作用力曲線以及仿真動畫，仿真分析流程如圖1所示[6]。

圖1　ADAMS動力學軟件仿真分析的基本流程

傳統的裝配式鋼橋展橋機構的設計主要是根據經驗并且依據所要完成的功能需求進行靜態設計，然后通過大量的實驗來驗證所設計方案的合理性和可行性，這就不可避免的會耗費大量的精力，增大研究成本，延長設計周期，而動力學分析軟件可以模擬裝配式鋼橋的展橋過程，因此，虛擬樣機技術為裝配式鋼橋展橋機構的建模仿真研究提供了技術支撐。

2基于虛擬樣機技術的裝配式鋼橋設計

2.1裝配式鋼橋設計方案

裝配式鋼橋采用一體化設計，機械化架設，可提高架設速度，縮短架設時間，擺脫繁重的體力勞動，實現“一體化”與“機械化”的統一，本研究主要對展橋機構進行初步設計和分析。橋跨結構如圖2所示，分別為展開前和展開后的橋體結構示意圖。鋼橋橋體部分主要由中間橋節和2個邊橋節等組成，中橋節質量3 t，邊橋節質量2.8 t。

展橋機構包括翻轉油缸和連桿機構等，如圖2中連桿1～4和翻轉油缸所示。其中包含5個鉸接位置，展橋過程中通過翻轉液壓缸的驅動使橋節展開。

展橋機構的主要設計參數如表1所示。

2.2裝配式鋼橋虛擬樣機模型的建立

采用ADAMS/View建立裝配式鋼橋的虛擬樣機模型，2個邊橋節分別與中橋節鉸接相連，展橋機構中油缸和連桿機構分別與中橋節鉸接相連，連桿1與邊橋節鉸接相連。由于本研究僅對展橋機構進行仿真分析，三段橋節在模型中滿足一定空間位置關系和實際的物理參數即可，因此，橋節實際結構可簡化；在展橋結構中，連桿2、3、4鉸接相連，形成穩定的三角形結構，且展橋過程中連桿間的作用可忽略，因此，連桿2、3、4組成的連桿機構可簡化為一個完整的三角形構件，即簡化模型如圖3所示[7]。

圖2　橋跨結構示意圖

設計參數值/mm翻轉油缸缸徑206桿徑100行程1330.8連桿機構連桿1長483.3連桿2長1279.1連桿3長793.0連桿4長1034.7

圖3　裝配式鋼橋虛擬樣機模型

在建模時首先要確定幾個關鍵點，根據尺寸參數，初定各點的坐標，根據坐標建立相應的參數化點，然后創建連桿1、油缸、三角形構件以及橋節等物體。在建立幾何模型后，還需正確設置模型的物理參數，物理參數主要是指各部件的質量、質心以及轉動慣量等參數，對此機構，橋節的物理參數最為重要，而三角形構件、連桿1和油缸的物理參數可忽略不計[8]。然后根據各部件的運動情況，施加相應的約束，建立虛擬樣機的動力學模型，如圖4所示，該模型主要由11個構件，1個固定副，2個圓柱副，12個轉動副，2個驅動構成[9]。

圖4　虛擬樣機的動力學模型

3裝配式鋼橋展橋過程的仿真分析

3.1橋節展開過程的仿真分析

忽略各部件局部尺寸對展開過程性能的影響，在ADAMS中建立展橋機構的參數化模型并運行仿真。裝配式鋼橋展開過程的仿真過程步驟如圖5所示。

1) 翻轉油缸活塞位移增大，橋節2和橋節3在油缸的驅動下繞橋節1和橋節2的鉸接點作旋轉運動，橋節1展開；

2) 翻轉油缸活塞位移繼續增大，直至橋節1完全展開；

3) 另外一側的翻轉油缸活塞位移增大，橋節3在油缸的驅動下繞橋節2和橋節3的鉸接點作旋轉運動，橋節3展開；

4) 橋節3完全展開。

圖5　裝配式鋼橋展開過程

3.2仿真結果分析

鋼橋展開的全程用時為67.43 s。仿真過程中，翻轉液壓缸的驅動位移函數隨時間均勻變化。鋼橋展開過程中各部件質心處的位移和速度曲線及關鍵桿件的受力情況如圖6所示[10]。

如圖6(a)位移曲線所示，鋼橋展開過程中，橋節與展橋機構中三角形構件的質心位移變化均勻、穩定，未出現機構干涉現象。橋節2質心位置在33.24 s時停止變化，表明此時橋節1已完全展開，與實際過程相符。

如圖6(b)速度曲線所示，在橋節1展開階段(0～33.24 s)橋節2與橋節3共同作等速旋轉運動，橋節1在33.24 s時完全展開，33.24～67.43 s階段橋節3均勻展開。在33.24 s時速度存在瞬間波動，這是由橋節1完全展開后橋節2立即停止運動造成的，此時所產生的沖擊在實際展橋過程中是無法避免的，因此，在實際展橋過程中此時應適當減緩展開速度，以減小沖擊。

如圖6(c)受力曲線所示，各桿件(液壓缸)的峰值負載發生在33.24 s，此時連桿機構中連桿和翻轉液壓缸的受力分別為425.66 kN和858.48 kN，橋節1展開階段的展橋機構完全展開，外部負載對鉸點的力臂最長，力矩最大，因此可參考此階段桿件的受力情況對展橋機構進行優化設計[11]。

圖6　鋼橋展開過程仿真曲線

4結束語

裝配式鋼橋結構復雜，設計難度大，而虛擬樣機技術可以為裝配式鋼橋的設計研究提供技術支撐，因此采用虛擬樣機技術進行建模仿真研究對裝配式鋼橋結構設計具有重要意義。本研究以裝配式鋼橋為研究對象，應用虛擬樣機技術對其展橋機構進行了設計與動力學仿真分析，仿真分析結果為裝配式鋼橋設計研究和后續的展橋機構的優化設計提供了依據[11]。

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(責任編輯唐定國)