虚拟样机技术在装配式钢桥设计中的应用

【后勤保障与装备管理】

虚拟样机技术在装配式钢桥设计中的应用

曾繁琦，何晓晖，王强

(解放军理工大学 野战工程学院，南京210007)

摘要：装配式钢桥是一种可以分解和快速架设的桥梁装备，其具有自重较轻、构件可互换及重复使用、组合形式多样等优点，且架设迅速，有足够的承载和抗振能力，工作性能稳定，通过不断的技术革新，由最初的军用战备钢桥发展为军民两用。对虚拟样机技术进行了简要介绍，以装配式钢桥为研究对象，基于虚拟样机技术建立了钢桥的动力学模型，对展桥机构进行了设计与仿真分析，仿真分析结果为装配式钢桥设计研究和后续展桥机构的优化设计提供了依据。

关键词：装配式钢桥；虚拟样机技术；仿真分析

收稿日期：2015-03-12

作者简介：曾繁琦(1990—)，男(满族)，硕士研究生，主要从事装备技术与应用研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.018

中图分类号：TP391.9；E923.38

文章编号：1006-0707(2015)09-0069-04

本文引用格式：曾繁琦，何晓晖，王强.虚拟样机技术在装配式钢桥设计中的应用[J].四川兵工学报，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

装配式钢桥是一种能分解、能实现快速架设的制式桥梁[1]，被广泛用于抢险救灾、战争应急以及工程施工等方面[2]。装配式钢桥不仅在军用方面起到重要作用，而且在公路和铁路等民用方面也具有重要意义。在和平年代，为了秉承平战结合的思想，同时由于我国公路、铁路的快速发展，改扩建工程越来越多，装配式钢桥在保障交通通畅、短期临时工程都有显著的优势。同时装配式钢桥技术结构性能优越，安全系数高，技术经济效益显著提高。因此，大力开发和推广应用装配式钢桥技术是当务之急[3]。

由于装配式结构本身比较复杂，且受适应场地、架设时机等因素制约，结构设计难度大，仅借助传统的设计方法存在设计周期长、工作量大、成本高等诸多问题，为此，本研究将虚拟样机技术引入到装配式钢桥设计中，通过建立钢桥的动力学模型，对展桥机构进行设计与仿真分析。

1虚拟样机技术

1.1基本概念

虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)是一种新产品的开发方法，是一种基于智能设计技术、并行工程、仿真工程及网络技术的先进制造技术，将不同工程领域开发的模型结合在一起，并以计算机仿真和建模技术为支持，在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术融合在一起，在计算机上建造出来产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术[4]。采用虚拟样机技术能降低研发成本、缩短研发周期、提高产品质量，因此，虚拟样机技术可用于汽车工业、铁道工业、航空航天工业和机械工业等研究领域。

虚拟样机技术是近年来在产品开发的CAX技术(如CAD、CAE、CAM)和DFX技术(如DFA、DFM)等基础上发展起来的，产生了很多具有代表性的商业分析软件，如ADAMS、ANSYS、DADS、SYM、CAMS、EASY5等，近年来韩国基于递推算法开发的RecurDyn多体系统动力学分析软件在仿真时间上大大提高了计算效率，为产品性能的综合分析、设计优化等更高层次的产品设计行为提供了方便，为机-电-液-控耦合领域多体系统统一建模及分析优化搭建了有效的数字化仿真平台。

机械系统虚拟样机技术(Mechanical System Virtual Prototyping Technology)，是基于虚拟样机的机械系统仿真技术，其核心是多体系统运动学和动力学建模理论及其技术实现，是指在机械系统设计开发过程中，在一台物理样机生产出来之前，首先利用计算机技术建立该机械系统(产品)的三维数字化模型(即虚拟样机)；对其进行静力学、运动学和动力学分析，较好地仿真该机械系统的运动过程，以预测机械系统的整体性能；以迅速地分析、比较并改进系统的设计方案，提高产品的性能，最大限度地减少对物理样机的试验次数[4]。

近年来，随着计算机硬件和软件技术的不断发展以及工程应用的推动，商业化软件日趋成熟。众多的多体动力学软件都相继推出了市场，而ADAMS、DADS、EASY5仍然在市场中有上佳的表现，并且都有所发展，特别是美国ADAMS软件在国内外应用都很广泛[5]。

1.2ADAMS动力学分析软件

机械系统动力学分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是目前国际上使用最广泛的系统动态模拟软件。它由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统模型，其求解器利用计算多刚体系统动力学自动建模理论建立系统最大量坐标动力学微分-代数方程，求解器算法稳定，对刚性问题十分有效，可以对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，后处理程序输出位移、速度、加速度和节点作用力曲线以及仿真动画，仿真分析流程如图1所示[6]。

图1　ADAMS动力学软件仿真分析的基本流程

传统的装配式钢桥展桥机构的设计主要是根据经验并且依据所要完成的功能需求进行静态设计，然后通过大量的实验来验证所设计方案的合理性和可行性，这就不可避免的会耗费大量的精力，增大研究成本，延长设计周期，而动力学分析软件可以模拟装配式钢桥的展桥过程，因此，虚拟样机技术为装配式钢桥展桥机构的建模仿真研究提供了技术支撑。

2基于虚拟样机技术的装配式钢桥设计

2.1装配式钢桥设计方案

装配式钢桥采用一体化设计，机械化架设，可提高架设速度，缩短架设时间，摆脱繁重的体力劳动，实现“一体化”与“机械化”的统一，本研究主要对展桥机构进行初步设计和分析。桥跨结构如图2所示，分别为展开前和展开后的桥体结构示意图。钢桥桥体部分主要由中间桥节和2个边桥节等组成，中桥节质量3 t，边桥节质量2.8 t。

展桥机构包括翻转油缸和连杆机构等，如图2中连杆1～4和翻转油缸所示。其中包含5个铰接位置，展桥过程中通过翻转液压缸的驱动使桥节展开。

展桥机构的主要设计参数如表1所示。

2.2装配式钢桥虚拟样机模型的建立

采用ADAMS/View建立装配式钢桥的虚拟样机模型，2个边桥节分别与中桥节铰接相连，展桥机构中油缸和连杆机构分别与中桥节铰接相连，连杆1与边桥节铰接相连。由于本研究仅对展桥机构进行仿真分析，三段桥节在模型中满足一定空间位置关系和实际的物理参数即可，因此，桥节实际结构可简化；在展桥结构中，连杆2、3、4铰接相连，形成稳定的三角形结构，且展桥过程中连杆间的作用可忽略，因此，连杆2、3、4组成的连杆机构可简化为一个完整的三角形构件，即简化模型如图3所示[7]。

图2　桥跨结构示意图

设计参数值/mm翻转油缸缸径206杆径100行程1330.8连杆机构连杆1长483.3连杆2长1279.1连杆3长793.0连杆4长1034.7

图3　装配式钢桥虚拟样机模型

在建模时首先要确定几个关键点，根据尺寸参数，初定各点的坐标，根据坐标建立相应的参数化点，然后创建连杆1、油缸、三角形构件以及桥节等物体。在建立几何模型后，还需正确设置模型的物理参数，物理参数主要是指各部件的质量、质心以及转动惯量等参数，对此机构，桥节的物理参数最为重要，而三角形构件、连杆1和油缸的物理参数可忽略不计[8]。然后根据各部件的运动情况，施加相应的约束，建立虚拟样机的动力学模型，如图4所示，该模型主要由11个构件，1个固定副，2个圆柱副，12个转动副，2个驱动构成[9]。

图4　虚拟样机的动力学模型

3装配式钢桥展桥过程的仿真分析

3.1桥节展开过程的仿真分析

忽略各部件局部尺寸对展开过程性能的影响，在ADAMS中建立展桥机构的参数化模型并运行仿真。装配式钢桥展开过程的仿真过程步骤如图5所示。

1) 翻转油缸活塞位移增大，桥节2和桥节3在油缸的驱动下绕桥节1和桥节2的铰接点作旋转运动，桥节1展开；

2) 翻转油缸活塞位移继续增大，直至桥节1完全展开；

3) 另外一侧的翻转油缸活塞位移增大，桥节3在油缸的驱动下绕桥节2和桥节3的铰接点作旋转运动，桥节3展开；

4) 桥节3完全展开。

图5　装配式钢桥展开过程

3.2仿真结果分析

钢桥展开的全程用时为67.43 s。仿真过程中，翻转液压缸的驱动位移函数随时间均匀变化。钢桥展开过程中各部件质心处的位移和速度曲线及关键杆件的受力情况如图6所示[10]。

如图6(a)位移曲线所示，钢桥展开过程中，桥节与展桥机构中三角形构件的质心位移变化均匀、稳定，未出现机构干涉现象。桥节2质心位置在33.24 s时停止变化，表明此时桥节1已完全展开，与实际过程相符。

如图6(b)速度曲线所示，在桥节1展开阶段(0～33.24 s)桥节2与桥节3共同作等速旋转运动，桥节1在33.24 s时完全展开，33.24～67.43 s阶段桥节3均匀展开。在33.24 s时速度存在瞬间波动，这是由桥节1完全展开后桥节2立即停止运动造成的，此时所产生的冲击在实际展桥过程中是无法避免的，因此，在实际展桥过程中此时应适当减缓展开速度，以减小冲击。

如图6(c)受力曲线所示，各杆件(液压缸)的峰值负载发生在33.24 s，此时连杆机构中连杆和翻转液压缸的受力分别为425.66 kN和858.48 kN，桥节1展开阶段的展桥机构完全展开，外部负载对铰点的力臂最长，力矩最大，因此可参考此阶段杆件的受力情况对展桥机构进行优化设计[11]。

图6　钢桥展开过程仿真曲线

4结束语

装配式钢桥结构复杂，设计难度大，而虚拟样机技术可以为装配式钢桥的设计研究提供技术支撑，因此采用虚拟样机技术进行建模仿真研究对装配式钢桥结构设计具有重要意义。本研究以装配式钢桥为研究对象，应用虚拟样机技术对其展桥机构进行了设计与动力学仿真分析，仿真分析结果为装配式钢桥设计研究和后续的展桥机构的优化设计提供了依据[11]。

参考文献：

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[2]于治国,王树栋.我国应急钢桥的研究应用与展望[J].石家庄铁道学院学报,2000,13(3):1-3.

[3]徐关尧,阴存欣,周建.利用装配式钢桥技术加快桥梁建设[J].钢结构,2011,26(143):64-67.

[4]林立.基于虚拟样机技术的集装箱起重机动力仿真研究[D].上海:上海海事大学,2007.

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[7]郭晓宁,曾彬彬.基于ADAMS的挖掘机虚拟样机模型的建立[J].中国工程机械学报,2012,10(4):439-445.

[8]查蔓莉,王保明.基于ADAMS的液压支架参数化建模及优化设计[J].煤矿机械,2007,28(9):85-87.

[9]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[10]陈志伟,董月亮.MSC Adams多体动力学仿真基础与实例解析[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[11]倪令华,付衍法,董振华,等.SER22旋挖钻机变幅机构动力学优化分析[J].建筑机械化,2012(9):45-47.

(责任编辑唐定国)