基于ADAMS的超長超寬梁架橋機行走系統仿真

韓洪舉, 王永淇, 郭吉平, 吳 飛, 胡 嫚

(1.貴州交通建設集團有限公司, 貴陽 550001; 2.西南大學工程技術學院, 重慶 400715;3.重慶大學機械與運載工程學院, 重慶 400044)

公路運輸、鐵道運輸是國民經濟大動脈、重要基礎設施和主要民生工程項目,是綜合運輸的骨干和主要交通運輸方式之一,在經濟發展中的戰略地位和深遠影響重大。公路橋梁的架設是高速路網重要的組成部分之一[1]。由于橋面跨徑的增加和預應力鋼筋的大量應用,基于混凝土的預制安裝技術的公路橋梁架設 “橋梁預制安裝法”的廣泛應用大大改善了公路橋梁施工的結構質量,增加了澆筑速率,降低了鋼筋混凝土的變形,簡單易行,其中公路橋梁架橋機是實現高質量、高效率架設施工的關鍵,對提高架橋效率和安全性具有重要研究價值[2]。

橋梁架設是一項高風險作業[3],同時架橋機一般都為非標設備,應用技術新、施工要點多、作業環境復雜[4]。架橋機工作過程中,對于架橋機結構的仿真分析已經廣泛應用到對架橋機安全性和可靠性的驗證中。盛寶安和張啟貴[5]應用ALGOR軟件對40 m跨1 000 t簡支箱梁架橋機的機械性能進行了分析,得到了不同工況下架橋機最大應力以及最大位移;李遠[6]利用Solidworks軟件和ANSYS軟件聯合對450 t 架橋機進行有限元建模,利用應力強度干涉理論與蒙特卡羅法對立柱進行可靠度分析,為架橋機的進一步優化提供了理論依據;趙成龍[7]運用Midas/Civil 有限元軟件對該架橋機進行了最不利荷載工況下的架橋機受力及穩定性仿真分析,證明該架橋機設計滿足施工要求;付飛[8]采用ANSYS有限元軟件對運架一體式架橋機主梁在兩個危險工況下進行靜態分析,證明該架橋機主梁滿足施工使用要求;韓林山等[9]對架橋機架設過程中起重小車的控制過程進行仿真,驗證了起重過程的可靠性。以上文獻大多是在已經確定危險工況的條件下,對架橋機進行的靜力學仿真,并沒有對主要承重結構進動力學仿真。對于本文所研究的超長超寬梁公路架橋機,行走系統在過跨工況下的運動相對復雜,難以直接確定其危險工況,因此本文通過剛柔耦合的建模方式對其過跨過程進行分析,能在沒有確定危險工況的情況下尋找到危險點,同時對架橋機的可靠性和設計合理性進行驗證。

1 剛柔耦合虛擬樣機構建

SolidWorks軟件是法國達索系統(Dassault Systemes)開發的基于 Windows 系統三維 CAD 軟件。依賴于SolidWorks強大的三維建模能力,可以快速便捷地建立超長超寬梁架橋機的三維模型,從而在ADAMS中建立虛擬樣機,同時根據需要對模型的特征進行編輯和修改[10]。ADAMS軟件是美國機械動力公司開發的虛擬樣機分析軟件,是可以構建復雜結構機械系統的虛擬樣機并對運動過程進行仿真[11]。雖然ADAMS軟件的ADAMS-FLEX模塊能將一些結構簡單的構件柔性化,但是對于結構復雜的部分,使用其他有限元軟件如ANSYS來完成效果會更好。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件。ANSYS具有強大的網格劃分能力,并且與ADAMS軟件有對應的數據傳輸接口,因此可以將生成的模態中性文件(modal neutral file,MNF)準確導入ADAMS軟件中[12],從而生成柔性體,并設置驅動及運動副,以模擬真實的工作情況。因此,采用SolidWorks軟件、ANSYS軟件和ADAMS軟件相結合建立虛擬樣機,如圖1所示。

圖1 剛柔耦合虛擬樣機構建流程

2 超長超寬梁公路架橋機行走系統分析

2.1 過跨行走過程工況分析

如圖2所示,超長超寬梁公路架橋機行走系統的過跨過程是由組成架橋機行走系統的兩條前支腿、兩天后支腿、兩架縱向桁車、主梁以及輔助支腿8個部件協力完成的。該架橋機采取階段預制拼裝橋梁的懸臂拼裝施工,因此存在過跨過程[13]?？梢詫⑿滦统瑢捈軜驒C行走系統的過跨過程分為 8個步驟進行分析。圖3顯示了超長超寬梁公路架橋機行走系統過跨步驟。

圖2 超長超寬梁公路架橋機行走系統組成

圖3 超長超寬梁公路架橋機行走系統過跨

步驟1：如圖3(a)所示,2號后支腿向前支腿方向移動16 m,至2/5跨處。其他各支腿和縱向桁車均鎖定并保持位置不變。

步驟2：如圖3(b)所示,在步驟1的基礎上,1號后支腿向2號后支腿方向移動16 m,靠近2號后支腿,其他支腿和縱向桁車均鎖定并保持位置不變。

步驟3：如圖3(c)所示,在步驟2的基礎上先將兩臺縱向桁車移至1號后支腿上方,再啟動2號后支腿和2號前支腿翻滾輪,將主導梁前移到墩柱蓋梁之上。

步驟4：如圖3(d)所示,在步驟3的基礎上將兩臺縱向桁車移至主梁中段,并移動2號后支腿約24 m至貼近前支腿。

步驟5：如圖3(e)所示,在步驟4的基礎上移動1號后支腿至距2號后支腿6 m處,其他支腿和縱向桁車均鎖定并保持位置不變。

步驟6：如圖3(f)所示,在步驟5的基礎上移動1號前支腿過跨(40 m)至靠近輔助支腿,其他支腿和縱向桁車均鎖定并保持位置不變。

步驟7：如圖3(g)所示,在步驟6的基礎上移動2號前支腿過跨(40 m)至靠近1號前支腿,其他支腿和縱向桁車均鎖定并保持位置不變。

步驟8：如圖3(h)所示,在步驟7的基礎上啟動2號前支腿和2號后支腿后翻滾輪使得主導梁前移7.5 m,各支腿保持與地面的相對位置不變。

2.2 架橋機行走系統力學模型

外力作用于柔性體時,會導致其產生變形。在不同的坐標系下,受力后的變形方程也會有所不同。為了簡化變形方程的求解,需要選擇合適的坐標系。在研究多柔體系統動力學時,可以將其看作是一個多剛體系統,并按照多剛體系統動力學的研究方法對系統進行描述。物體上存在一個始終附著在物體上的坐標系。若描述該坐標系的矢量p和方位角α,則能得出該物體在全局坐標系中的位置、速度和加速度。接著需要考慮柔性體的變形計算。為此,需要在柔性體上建立一個浮動坐標系,使得其能繞原坐標系移動和轉動。該浮動坐標系可用于剛性運動和變形運動的分開描述。在建立方程時,需要盡可能減少二者之間的關聯,從而使其更易于求解。在選擇時,需要根據實際情況選擇合適的浮動坐標系類型。

選取浮動坐標系時要考慮到將物體的剛性運動和變形運動分開,在建立方程時盡可能地減少二者之間的關聯,以便于求解。常用的浮動坐標系有主軸框架、局部附著框架和剛體模態框架,具體選擇時還要針對不同的問題具體分析。

對于柔性體上的某點k,相對慣性系的位置矢量可以表示為

rk=Au′+r′

(1)

式中:A為坐標轉換矩陣;u′為k點的相對浮動坐標系的位置矢量;r′為浮動坐標系原點的位置矢量。

對于柔性體,k點可以表示為

u′=u′0+u′f

(2)

式中:u′0為k沒有發生變形時的相對位置矢量;u′f為k點的相對變形矢量。

對式(1)求導得柔性體上一點k的速度和加速度矢量表達式為

(3)

(4)

式中:Φp為點k的假設變形模態矩陣;qf為變形廣義坐標。

定義柔性體上的任意點k的坐標可以用慣性參考系中的坐標x=(x,y,z)和方位角ψ=(ψ,θ,φ)來表示,同時模態坐標q′={q′1,q′2,…,q′n}T表示,那么柔性體的廣義坐標ξ可以表示為ξ={x,ψ,q′}={x,y,z,ψ,θ,φ,q′1,q′2,…,q′n}T

柔性體的動力學方程可以從拉格朗日方程導出,即

(5)

式中:φ為約束方程;λ為對應于約束方程的拉普拉斯算子;Q′為投影在ξ上的力;L為拉格朗日項,L=T-W,T、W分別為系統的動能和勢能;Γ為能量消耗函數[14]。

3 虛擬樣機模型的建立與動力學仿真

3.1 基于SolidWorks模型搭建

首先根據超長超寬梁公路架橋機行走系統的相關設計圖紙和資料,完成各個部件組成零件的建模,采用自上而下和自下而上兩種建模思路相結合的方式,分別裝配出8個部件,再將8個部件進行裝配建立精準的裝配約束。對于尺寸難以精確定位的零件,可根據零件間的裝配關系來生成新零件。

3.2 基于ANSYS建立行走系統主梁柔性體

在行走系統的各個部件中,主梁為承受整機受力以及連接各部件的重要部件。如果只是將主梁作為剛體進行仿真分析不足以體現主梁的真正變形以及受力情況,因此將主梁在ANSYS軟件中通過有限元建立為柔性體部件。建立柔性體模型材料信息,見表1。

表1 行走系統主梁柔性體模型材料信息

3.3 基于ADAMS行走系統過跨過程虛擬樣機模型建立

在ADAMS軟件中,建立超長超寬梁公路架橋機行走系統的虛擬樣機模型,具體過程可分為以下3步。

(1)修改部件材料屬性。從SolidWorks中導出的模型數據中,根據架橋機質量等效換算后的各部件質量來設置部件的材料屬性,并將主梁替換為柔性體模型。

(2)添加約束。在超長超寬梁公路架橋機行走系統中,兩架縱向桁車,1號、2號前支腿,1號、2號后支腿的運動都與沿主梁方向相同。為了實現這些部件與主梁間的相對運動,并模擬真實情況,這些部件與主梁之間都以兩個平移副相連接。同時,支腿與大地之間通過平面副連接。

(3)施加驅動和載荷。驅動是一種特殊的約束,它通過運動副限定了該運動副連接的兩個部件間的相對運動情況。超長超寬梁公路架橋機行走系統在過跨過程中,為了確定最危險的步驟,仿真中將架橋機設置為滿載狀態行走,通過把超長超寬鋼主梁的質量換算到縱向桁車上來施加載荷,載荷具體數值通過國家標準[15]計算得到。同時設置全局重力(9.8N/kg)。超長超寬梁公路架橋機行走系統虛擬樣機模型如圖4所示。

圖4 超長超寬梁公路架橋機行走系統虛擬樣機模型

3.4 過跨過程仿真結果分析

通過ADAMS軟件運算得到超長超寬梁公路架橋機行走系統在過跨過程中主梁的應力情況,同時按照第四強度理論生成應力云圖并進行排序,從而得到全過程中主梁最大應力。通過ADAMS/Durability模塊可導出主梁全過程中前10個“熱點”[16],“熱點”的應力應變見表2。應力應變最大情況出現在26.91 s時,屬于步驟5的過程中,位于主梁第5節處,應力最大值為:162.4 MPa。應力最大時架橋機姿態及主梁應力云圖如圖5所示;“熱點”位置的應力云圖如圖6所示,圖6中標記了前3個“熱點”位置(a:節點14337,b:節點12837,c:節點12881)。應力最大的前3個“熱點”在過跨工況全過程應力曲線如圖7所示。

表2 行走系統主梁“熱點”的等效應力和應變

圖5 應力最大時刻架橋機姿態及主梁應力云圖

圖6 應力最大時刻的“熱點”位置應力云圖

圖7 主梁上的前3“熱點”的等效應力隨時間變化曲線

步驟5過程中1號后支腿正在向前移動,同時,1號、2號前支腿,2號后支腿都集中在主梁中部,縱向桁車位于主梁第4、5節處,此時架橋機載荷主要由4條支腿承擔,但由于1號、2號前支腿,2號后支腿過于集中,載荷不能得到有效分擔,因此集中在了1號后支腿和1號、2號前支腿,2號后支腿集中處之間,隨著1號后支腿的移動而逐漸達到最大值。且從圖7中可以看出,在過跨過程后半段,應力最大所在位置一直處于較高應力的狀態。

4 結論

(1)超長超寬梁架橋機通過創新的多支腿可開合結構解決了超長超寬梁問題,因此該架橋機行走系統工況流程復雜、仿真難度大。為此類公路架橋機的行走系統的工作流程進行仿真,并通過虛擬樣機建模驗證了全流程下的合理性,并為后續相似結構的架橋機的剛柔耦合仿真分析提供了一定的參考。

(2)得到了超長超寬梁公路架橋機行走系統過跨過程中主梁的應力情況,在超長超寬梁公路架橋機行走系統過跨過程中的應力最大值為162.4MPa,出現在步驟5過程中,位于主梁第5節處。

(3)主梁材料為Q235B鋼材,根據標準[17],其在本文的應用條件下許用應力取176 MPa,可見在架橋機滿載過跨的過程中,主梁應力沒有超過許用應力,符合要求。

(4)考慮到起重機在使用過程中可能出現的突發情況,還應對主梁危險點附近進行加固和監測,防止主梁過度變形影響架橋機穩定性。該超長超寬梁公路架橋機行走系統剛柔耦合仿真為后續改善施工規程、確定施工監測點、降低施工安全風險提供了依據。