基于ADAMS的超长超宽梁架桥机行走系统仿真

韩洪举, 王永淇, 郭吉平, 吴 飞, 胡 嫚

(1.贵州交通建设集团有限公司, 贵阳 550001; 2.西南大学工程技术学院, 重庆 400715;3.重庆大学机械与运载工程学院, 重庆 400044)

公路运输、铁道运输是国民经济大动脉、重要基础设施和主要民生工程项目,是综合运输的骨干和主要交通运输方式之一,在经济发展中的战略地位和深远影响重大。公路桥梁的架设是高速路网重要的组成部分之一[1]。由于桥面跨径的增加和预应力钢筋的大量应用,基于混凝土的预制安装技术的公路桥梁架设 “桥梁预制安装法”的广泛应用大大改善了公路桥梁施工的结构质量,增加了浇筑速率,降低了钢筋混凝土的变形,简单易行,其中公路桥梁架桥机是实现高质量、高效率架设施工的关键,对提高架桥效率和安全性具有重要研究价值[2]。

桥梁架设是一项高风险作业[3],同时架桥机一般都为非标设备,应用技术新、施工要点多、作业环境复杂[4]。架桥机工作过程中,对于架桥机结构的仿真分析已经广泛应用到对架桥机安全性和可靠性的验证中。盛宝安和张启贵[5]应用ALGOR软件对40 m跨1 000 t简支箱梁架桥机的机械性能进行了分析,得到了不同工况下架桥机最大应力以及最大位移;李远[6]利用Solidworks软件和ANSYS软件联合对450 t 架桥机进行有限元建模,利用应力强度干涉理论与蒙特卡罗法对立柱进行可靠度分析,为架桥机的进一步优化提供了理论依据;赵成龙[7]运用Midas/Civil 有限元软件对该架桥机进行了最不利荷载工况下的架桥机受力及稳定性仿真分析,证明该架桥机设计满足施工要求;付飞[8]采用ANSYS有限元软件对运架一体式架桥机主梁在两个危险工况下进行静态分析,证明该架桥机主梁满足施工使用要求;韩林山等[9]对架桥机架设过程中起重小车的控制过程进行仿真,验证了起重过程的可靠性。以上文献大多是在已经确定危险工况的条件下,对架桥机进行的静力学仿真,并没有对主要承重结构进动力学仿真。对于本文所研究的超长超宽梁公路架桥机,行走系统在过跨工况下的运动相对复杂,难以直接确定其危险工况,因此本文通过刚柔耦合的建模方式对其过跨过程进行分析,能在没有确定危险工况的情况下寻找到危险点,同时对架桥机的可靠性和设计合理性进行验证。

1 刚柔耦合虚拟样机构建

SolidWorks软件是法国达索系统(Dassault Systemes)开发的基于 Windows 系统三维 CAD 软件。依赖于SolidWorks强大的三维建模能力,可以快速便捷地建立超长超宽梁架桥机的三维模型,从而在ADAMS中建立虚拟样机,同时根据需要对模型的特征进行编辑和修改[10]。ADAMS软件是美国机械动力公司开发的虚拟样机分析软件,是可以构建复杂结构机械系统的虚拟样机并对运动过程进行仿真[11]。虽然ADAMS软件的ADAMS-FLEX模块能将一些结构简单的构件柔性化,但是对于结构复杂的部分,使用其他有限元软件如ANSYS来完成效果会更好。ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。ANSYS具有强大的网格划分能力,并且与ADAMS软件有对应的数据传输接口,因此可以将生成的模态中性文件(modal neutral file,MNF)准确导入ADAMS软件中[12],从而生成柔性体,并设置驱动及运动副,以模拟真实的工作情况。因此,采用SolidWorks软件、ANSYS软件和ADAMS软件相结合建立虚拟样机,如图1所示。

图1 刚柔耦合虚拟样机构建流程

2 超长超宽梁公路架桥机行走系统分析

2.1 过跨行走过程工况分析

如图2所示,超长超宽梁公路架桥机行走系统的过跨过程是由组成架桥机行走系统的两条前支腿、两天后支腿、两架纵向桁车、主梁以及辅助支腿8个部件协力完成的。该架桥机采取阶段预制拼装桥梁的悬臂拼装施工,因此存在过跨过程[13]。可以将新型超宽架桥机行走系统的过跨过程分为 8个步骤进行分析。图3显示了超长超宽梁公路架桥机行走系统过跨步骤。

图2 超长超宽梁公路架桥机行走系统组成

图3 超长超宽梁公路架桥机行走系统过跨

步骤1：如图3(a)所示,2号后支腿向前支腿方向移动16 m,至2/5跨处。其他各支腿和纵向桁车均锁定并保持位置不变。

步骤2：如图3(b)所示,在步骤1的基础上,1号后支腿向2号后支腿方向移动16 m,靠近2号后支腿,其他支腿和纵向桁车均锁定并保持位置不变。

步骤3：如图3(c)所示,在步骤2的基础上先将两台纵向桁车移至1号后支腿上方,再启动2号后支腿和2号前支腿翻滚轮,将主导梁前移到墩柱盖梁之上。

步骤4：如图3(d)所示,在步骤3的基础上将两台纵向桁车移至主梁中段,并移动2号后支腿约24 m至贴近前支腿。

步骤5：如图3(e)所示,在步骤4的基础上移动1号后支腿至距2号后支腿6 m处,其他支腿和纵向桁车均锁定并保持位置不变。

步骤6：如图3(f)所示,在步骤5的基础上移动1号前支腿过跨(40 m)至靠近辅助支腿,其他支腿和纵向桁车均锁定并保持位置不变。

步骤7：如图3(g)所示,在步骤6的基础上移动2号前支腿过跨(40 m)至靠近1号前支腿,其他支腿和纵向桁车均锁定并保持位置不变。

步骤8：如图3(h)所示,在步骤7的基础上启动2号前支腿和2号后支腿后翻滚轮使得主导梁前移7.5 m,各支腿保持与地面的相对位置不变。

2.2 架桥机行走系统力学模型

外力作用于柔性体时,会导致其产生变形。在不同的坐标系下,受力后的变形方程也会有所不同。为了简化变形方程的求解,需要选择合适的坐标系。在研究多柔体系统动力学时,可以将其看作是一个多刚体系统,并按照多刚体系统动力学的研究方法对系统进行描述。物体上存在一个始终附着在物体上的坐标系。若描述该坐标系的矢量p和方位角α,则能得出该物体在全局坐标系中的位置、速度和加速度。接着需要考虑柔性体的变形计算。为此,需要在柔性体上建立一个浮动坐标系,使得其能绕原坐标系移动和转动。该浮动坐标系可用于刚性运动和变形运动的分开描述。在建立方程时,需要尽可能减少二者之间的关联,从而使其更易于求解。在选择时,需要根据实际情况选择合适的浮动坐标系类型。

选取浮动坐标系时要考虑到将物体的刚性运动和变形运动分开,在建立方程时尽可能地减少二者之间的关联,以便于求解。常用的浮动坐标系有主轴框架、局部附着框架和刚体模态框架,具体选择时还要针对不同的问题具体分析。

对于柔性体上的某点k,相对惯性系的位置矢量可以表示为

rk=Au′+r′

(1)

式中:A为坐标转换矩阵;u′为k点的相对浮动坐标系的位置矢量;r′为浮动坐标系原点的位置矢量。

对于柔性体,k点可以表示为

u′=u′0+u′f

(2)

式中:u′0为k没有发生变形时的相对位置矢量;u′f为k点的相对变形矢量。

对式(1)求导得柔性体上一点k的速度和加速度矢量表达式为

(3)

(4)

式中:Φp为点k的假设变形模态矩阵;qf为变形广义坐标。

定义柔性体上的任意点k的坐标可以用惯性参考系中的坐标x=(x,y,z)和方位角ψ=(ψ,θ,φ)来表示,同时模态坐标q′={q′1,q′2,…,q′n}T表示,那么柔性体的广义坐标ξ可以表示为ξ={x,ψ,q′}={x,y,z,ψ,θ,φ,q′1,q′2,…,q′n}T

柔性体的动力学方程可以从拉格朗日方程导出,即

(5)

式中:φ为约束方程;λ为对应于约束方程的拉普拉斯算子;Q′为投影在ξ上的力;L为拉格朗日项,L=T-W,T、W分别为系统的动能和势能;Γ为能量消耗函数[14]。

3 虚拟样机模型的建立与动力学仿真

3.1 基于SolidWorks模型搭建

首先根据超长超宽梁公路架桥机行走系统的相关设计图纸和资料,完成各个部件组成零件的建模,采用自上而下和自下而上两种建模思路相结合的方式,分别装配出8个部件,再将8个部件进行装配建立精准的装配约束。对于尺寸难以精确定位的零件,可根据零件间的装配关系来生成新零件。

3.2 基于ANSYS建立行走系统主梁柔性体

在行走系统的各个部件中,主梁为承受整机受力以及连接各部件的重要部件。如果只是将主梁作为刚体进行仿真分析不足以体现主梁的真正变形以及受力情况,因此将主梁在ANSYS软件中通过有限元建立为柔性体部件。建立柔性体模型材料信息,见表1。

表1 行走系统主梁柔性体模型材料信息

3.3 基于ADAMS行走系统过跨过程虚拟样机模型建立

在ADAMS软件中,建立超长超宽梁公路架桥机行走系统的虚拟样机模型,具体过程可分为以下3步。

(1)修改部件材料属性。从SolidWorks中导出的模型数据中,根据架桥机质量等效换算后的各部件质量来设置部件的材料属性,并将主梁替换为柔性体模型。

(2)添加约束。在超长超宽梁公路架桥机行走系统中,两架纵向桁车,1号、2号前支腿,1号、2号后支腿的运动都与沿主梁方向相同。为了实现这些部件与主梁间的相对运动,并模拟真实情况,这些部件与主梁之间都以两个平移副相连接。同时,支腿与大地之间通过平面副连接。

(3)施加驱动和载荷。驱动是一种特殊的约束,它通过运动副限定了该运动副连接的两个部件间的相对运动情况。超长超宽梁公路架桥机行走系统在过跨过程中,为了确定最危险的步骤,仿真中将架桥机设置为满载状态行走,通过把超长超宽钢主梁的质量换算到纵向桁车上来施加载荷,载荷具体数值通过国家标准[15]计算得到。同时设置全局重力(9.8N/kg)。超长超宽梁公路架桥机行走系统虚拟样机模型如图4所示。

图4 超长超宽梁公路架桥机行走系统虚拟样机模型

3.4 过跨过程仿真结果分析

通过ADAMS软件运算得到超长超宽梁公路架桥机行走系统在过跨过程中主梁的应力情况,同时按照第四强度理论生成应力云图并进行排序,从而得到全过程中主梁最大应力。通过ADAMS/Durability模块可导出主梁全过程中前10个“热点”[16],“热点”的应力应变见表2。应力应变最大情况出现在26.91 s时,属于步骤5的过程中,位于主梁第5节处,应力最大值为:162.4 MPa。应力最大时架桥机姿态及主梁应力云图如图5所示;“热点”位置的应力云图如图6所示,图6中标记了前3个“热点”位置(a:节点14337,b:节点12837,c:节点12881)。应力最大的前3个“热点”在过跨工况全过程应力曲线如图7所示。

表2 行走系统主梁“热点”的等效应力和应变

图5 应力最大时刻架桥机姿态及主梁应力云图

图6 应力最大时刻的“热点”位置应力云图

图7 主梁上的前3“热点”的等效应力随时间变化曲线

步骤5过程中1号后支腿正在向前移动,同时,1号、2号前支腿,2号后支腿都集中在主梁中部,纵向桁车位于主梁第4、5节处,此时架桥机载荷主要由4条支腿承担,但由于1号、2号前支腿,2号后支腿过于集中,载荷不能得到有效分担,因此集中在了1号后支腿和1号、2号前支腿,2号后支腿集中处之间,随着1号后支腿的移动而逐渐达到最大值。且从图7中可以看出,在过跨过程后半段,应力最大所在位置一直处于较高应力的状态。

4 结论

(1)超长超宽梁架桥机通过创新的多支腿可开合结构解决了超长超宽梁问题,因此该架桥机行走系统工况流程复杂、仿真难度大。为此类公路架桥机的行走系统的工作流程进行仿真,并通过虚拟样机建模验证了全流程下的合理性,并为后续相似结构的架桥机的刚柔耦合仿真分析提供了一定的参考。

(2)得到了超长超宽梁公路架桥机行走系统过跨过程中主梁的应力情况,在超长超宽梁公路架桥机行走系统过跨过程中的应力最大值为162.4MPa,出现在步骤5过程中,位于主梁第5节处。

(3)主梁材料为Q235B钢材,根据标准[17],其在本文的应用条件下许用应力取176 MPa,可见在架桥机满载过跨的过程中,主梁应力没有超过许用应力,符合要求。

(4)考虑到起重机在使用过程中可能出现的突发情况,还应对主梁危险点附近进行加固和监测,防止主梁过度变形影响架桥机稳定性。该超长超宽梁公路架桥机行走系统刚柔耦合仿真为后续改善施工规程、确定施工监测点、降低施工安全风险提供了依据。