基于虛擬樣機技術的裝配式鋼橋展橋機構仿真與優化

曾繁琦，王強，何曉暉

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007）

基于虛擬樣機技術的裝配式鋼橋展橋機構仿真與優化

曾繁琦，王強，何曉暉

（解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007）

為了改善某型裝配式鋼橋架設和撤收過程中展橋機構的工作性能，基于虛擬樣機技術建立了展橋機構和橋節的參數化模型，通過實驗設計得出了影響展橋機構性能的4個主控設計變量，并以翻轉液壓缸極限載荷為優化目標對展橋機構進行了優化設計。結果表明：按優化方案增大展橋機構尺寸9.19%的條件下可有效降低關鍵桿件的峰值負載28.6%，進而改善關鍵桿件的受力狀態，使展橋機構的整體性能得到了顯著改善。

工程力學；裝配式鋼橋；展橋機構；虛擬樣機技術；優化設計

0 引言

裝配式鋼橋是一種能夠實現快速架設和撤收的機械化橋梁系統，其設計要求為:架設與撤收速度快、防護性好、有足夠的承載和抗振能力且工作性能穩定［1］。作為一種可重復快速架設與撤收的橋梁，裝配式鋼橋的展橋機構對其性能指標有著重要的影響［2］。

在實際架設過程中，裝配式鋼橋的橋節由于質量大、慣性大，通常導致展橋機構不可避免地承受很大的動載荷，因此在進行展橋機構的設計中，需要綜合考慮動載因素的影響。隨著裝配式鋼橋橋節跨度不斷增大，其展橋機構面臨的動載問題越來越突出，開展裝配式鋼橋展橋機構動力學性能研究對于保證橋梁架設與撤收的安全和效率具有重要的理論和現實意義。本文以某型裝配式鋼橋為研究對象，采用多體動力學分析方法，對其展橋機構進行了設計與仿真，為該類橋梁展橋機構的優化設計提供了新思路。

1 某型裝配式鋼橋整體設計

1.1 某型裝配式鋼橋設計方案

本文主要對展橋機構進行初步設計和分析，橋跨結構如圖1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兩個邊橋節等組成，中間橋節質量3 t，邊橋節質量2.8 t.

圖1 橋跨結構示意圖Fig.1 Structure diagram of bridge span

1.2 展橋機構設計方案

展橋機構包括翻轉油缸和連桿機構等，結構示意圖如圖2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。

圖2 展橋機構結構示意圖Fig.2 Structure diagram of bridge expanding device

表1 某型裝配式鋼橋展橋機構的主要設計參數Tab.1 Main parameters of an assembled steelbridge expanding device

2 橋節展開過程中展橋機構運動分析

根據橋節的運動狀態，裝配式鋼橋的展開過程可分為橋節1展開階段與橋節3展開階段。在橋節1展開階段，橋節1展開機構中的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。在橋節3展開階段，橋節1展開機構中的翻轉油缸活塞位移不變，橋節3展開機構中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。因此，兩個階段的展橋機構均可簡化為液壓缸驅動的連桿翻轉機構。

橋節1和橋節3展開過程中展橋機構的簡化圖分別如圖3、圖4所示，采用速度合成定理和瞬時速度中心法對第2階段進行運動分析，第1階段運動分析方法相同。

圖3、圖4中:A、B、C、D、E、F分別為展橋機構和橋節間的鉸接點；G為翻轉油缸活塞桿的端點；v（·）為各點的瞬時速度；vGx為點G分解到x方向的速度；vGy為點G分解到y方向的速度。設機構運動為平面運動，利用矢量合成與分解得到點G的瞬時速度

利用瞬時速度中心法得到活塞桿BG的瞬時速度中心O1，因此得到

圖3 第1階段展橋機構的簡化圖Fig.3 Simplified diagram of bridge expanding device in the first stage

圖4 第2階段展橋機構的簡化圖Fig.4 Simplified diagram of bridge expanding device in the second stage

即點B的瞬時速度

將（1）式代入（3）式得到

同理，利用瞬時速度中心法同樣可得到點C和D的瞬時速度

因此，在已知液壓缸流量的條件下，即活塞桿的瞬時速度，根據機構的幾何關系就可以推算出其余桿件關鍵點的瞬時速度以及展橋速度。另一方面，在展橋過程中，機構的尺寸對展橋過程有較大影響，通過在一定合理范圍內調整鉸點位置可以實現對機構的優化設計。

3 裝配式鋼橋虛擬樣機模型的建立

采用ADAMS/View建立某型裝配式鋼橋的虛擬樣機模型，兩個邊橋節分別與中間橋節鉸接相連，展橋機構中油缸和連桿機構分別與中間橋節鉸接相連，連桿1與邊橋節鉸接相連。由于本文僅對展橋機構進行仿真分析，3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、連桿3、連桿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、連桿3、連桿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5所示［3］。

圖5 某型裝配式鋼橋虛擬樣機模型Fig.5 Virtual prototyping model of an assembled steel bridge

建模時，需要首先確定幾個關鍵點。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。對于該機構，橋節的物理參數最為重要，而三角形、連桿1和油缸的物理參數可忽略不計［4］。最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6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［5］。

圖6 虛擬樣機的動力學模型Fig.6 Dynamic model of the virtual prototype

4 展橋機構參數化建模與仿真分析

4.1 展橋機構關鍵點的確定

展橋機構的空間布置形式由其鉸點決定，因此可以選擇關鍵鉸點的位置坐標作為獨立可變參數，在此基礎上建立整個系統的參數化模型［6］。通過第2節的運動分析可知，機構的關鍵鉸點包括4個:翻轉油缸與中間橋節的鉸點A；翻轉油缸活塞桿與連桿機構的鉸點B；連桿1與邊橋節的鉸點C；連桿1與三角形構件的鉸點D.考慮到展橋機構的空間布置位置的限制，只研究這4點的位置在一定范圍內變化對機構性能的影響，4個鉸點位置如圖7所示。

圖7 鉸點位置Fig.7 Hinge point locations

4.2 橋節展開過程的仿真分析

選擇鉸點坐標A（DV_1，DV_2）、B（DV_3，DV_4）、C（DV_5，DV_6）、D（DV_7，DV_8）作為設計變量，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。與橋節3展開過程相比，橋節1展開過程中展橋機構各關鍵桿件將承受更大的載荷，因此本文在進行仿真研究時只關注橋節1的展開過程，橋節3展開的分析方法與之類似。裝配式鋼橋展開過程的仿真過程步驟如圖8所示。

圖8 某型裝配式鋼橋展開過程Fig.8 The expanding process of an assembled steel bridge

步驟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。

步驟2 翻轉油缸活塞位移繼續增大，直至橋節1完全展開。

步驟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。

步驟4 橋節3完全展開。

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9所示［7］。

如圖9（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9（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9（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1和翻轉液壓缸的受力分別為425.66 kN和858.48 kN.此時，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。

圖9 鋼橋展開過程仿真曲線Fig.9 Simulation curves of the bridge expanding process

5 展橋機構的優化

通過仿真結果可以看出，在展橋過程中，由于橋節質量大、慣性大，連桿機構和翻轉液壓缸將承受很大的載荷，因此，為延長機構使用壽命，節約制造成本，有必要通過改變幾何尺寸來對機構進行優化設計［8］。

5.1 展橋機構的實驗設計分析

從動力學觀點看，裝配式鋼橋展橋機構是一個強耦合、變參數的復雜多變量系統［9］。機構中各鉸點位置變化獨立，且對展橋性能有著非線性的影響。因此，為提高優化分析的可靠性和運算效率，需采用實驗設計的方法，分析眾多變量之間的相互影響關系，確定不同參數同時變化時對機構性能影響最大的幾組設計變量。

采用ADAMS/View中提供的實驗設計（DOE）分析方法，研究在橋節1展開工作模式下不同參數的變化對機構性能的影響，如圖10所示。

圖10 設計變量DV_1、DV_2的實驗設計研究Fig.10 Experimental design research of design variables DV_1、DV_2

圖10（a）所示為橋節1展開過程中，展橋機構中B、C、D鉸接點位置不變，翻轉液壓缸與中間橋節鉸接點A橫坐標分別取2 493.6 mm、2 559.2 mm、2 624.8 mm、2 690.4 mm、2 756.1 mm時液壓缸鉸接點的受力曲線。圖10（b）所示為A縱坐標分別取-2 724.8 mm、-2 796.5 mm、-2 868.2 mm、-2 939.9 mm、-3 011.6 mm時液壓缸鉸接點的受力曲線。從中可以看到，鉸點所受最大力隨A點橫坐標值的增大而增大，隨A點縱坐標值的增大而減小。采用同樣的方法，分別對B、C、D這3點的橫縱坐標進行實驗設計分析。

綜上所述，設計變量對展橋機構性能有著較大的影響，一般情況下，通過改變鉸點位置來降低桿件的極限載荷。因此，在一定的鉸點位置變化范圍內，可以找到一組設計變量的最優組合，從而有效提高機構性能。

5.2 展橋機構的優化設計分析

敏感度反映了變量對機構性能的影響程度，通過敏感度值的大小來選擇優化設計的參考變量可以進一步降低設計工作量，提高設計效率。設計研究過程中變量在初始值處的敏感度如表2所示。

表2 設計變量敏感度分析結果Tab.2 Sensitivity analysis results of design variables

選擇敏感度值較大的一組參數DV_4、DV_5、DV_6、DV_7作為優化設計的設計變量。

在目標函數的確定上，考慮到展橋機構對關鍵桿件的使用壽命有著很高的要求，因此將翻轉油缸與中間橋節間鉸點的受力最小作為優化目標，因而取其最大絕對值為目標函數的優化值［10］，建立的優化目標函數為

式中:F為翻轉油缸與中間橋節間鉸點的受力。

由圖9（c）可知，翻轉油缸鉸點所受的最大載荷發生在橋節1展開階段，因此將此階段作為優化仿真的設計階段。為保證最優化設計處于合理的取值范圍，需要設置一定的約束函數［11］。優化設計的約束函數為

結合設定的目標函數和約束函數，采用廣義梯度遞減法（OPTDES-GNG）對設計變量進行優化，得到優化前后目標函數變化曲線如圖11所示，設計變量取值的前后對比如表3所示［12］。

圖11 目標函數優化前后對比Fig.11 Comparison of the objective functions before and after optimization

表3 設計變量的前后對比Tab.3 Comparison of design variables

由圖11、表3經過對比分析可知，優化后目標函數值較之前下降了28.6%，連桿機構中的三角形構件的面積較之前增大了9.19%.

綜上所述，展橋機構在增大尺寸的條件下，桿件的受力明顯降低，液壓缸工作情況有所改善，從一定程度上提高了展橋機構的使用壽命，保證了裝配式鋼橋工作的穩定性與安全性。

6 結論

本文以某型裝配式鋼橋為研究對象，在分析其展橋機構運動學與動力學特性的基礎上，對其進行了設計與仿真分析，得出結論如下:

1）在ADAMS環境中建立了裝配式鋼橋參數化模型。結合模型對橋節1展開狀態下的展橋性能進行了仿真，得到了展橋機構關鍵部件峰值載荷等性能指標。

2）基于DOE模塊對展橋機構進行了實驗設計分析，得出了對機構展橋性能影響最大的4個主控設計變量:翻轉油缸活塞桿與連桿機構鉸點的縱坐標；連桿機構中連桿1與邊橋節鉸點的橫、縱坐標；連桿1與三角形構件鉸點的橫坐標。在滿足既定設計要求的條件下，降低了設計工作量，提高了展橋機構的設計效率。

3）以關鍵桿件的極限載荷為優化目標，對展橋機構進行了優化設計。結果表明，與原方案相比，本文提出的機構布置方案在展橋機構尺寸增大9.19%的條件下有效降低了關鍵桿件的峰值負載28.6%，增長了液壓缸的使用壽命，使展橋機構的整體性能得到了顯著改善。

（

）

［1］ 胡業平.軍用橋梁結構與設計指導［M］.北京:解放軍出版社，2008:190-209. HU Ye-ping.The structure and design guidance of military bridge［M］.Beijing:Chinese People's Liberation Army Publishing House，2008:190-209.（in Chinese）

［2］ 徐關堯，朱杰.我國裝配式鋼橋的發展與應用［J］.鋼結構，2009（7）:6-10. XU Guan-yao，ZHU Jie.Development and application of portable steel bridge in China［J］.Steel Structure，2009（7）:6-10.（in Chinese）

［3］ 郭曉寧，曾彬彬.基于ADAMS的挖掘機虛擬樣機模型的建立［J］.中國工程機械學報，2012，10（4）:439-445. GUO Xiao-ning，ZENG Bin-bin.ADAMS-based virtual prototyping for excavators［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2012，10（4）:439-445.（in Chinese）

［4］ 查蔓莉，王保明.基于ADAMS的液壓支架參數化建模及優化設計［J］.煤礦機械，2007，28（9）:85-87. CHA Man-li，WANG Bao-ming.Parameterized modeling of hydraulic support based on ADAMS and optimization design［J］. Coal Mine Machinery，2007，28（9）:85-87.（in Chinese）

［5］ 郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008. GUO Wei-dong.Virtual prototyping technology and the tutorial of ADAMS application examples［M］.Beijing:Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2008.（in Chinese）

［6］ Hanus J P.Investigation of a developed military bridge system with a fiber reforced concrete deck［D］.Madison:University of Wisconsin-Madison，2007.

［7］ 陳志偉，董月亮.MSC ADAMS多體動力學仿真基礎與實例解析［M］.北京:中國水利水電出版社，2013. CHEN Zhi-wei，DONG Yue-liang.Multi-body dynamics simulation basis and analytical examples of MSC ADAMS［M］.Beijing: China Water Power Press，2013.（in Chinese）

［8］ Rhode-Barbarigos L.Mechanism-based approach for the development of a tensegrity-ring module［J］.Journey of Structural Engineering，2012（4）:539-548.

［9］ Assanis D N.Modeling and simulation of an M1 Abrams tank with advanced track dynamics and integrated virtual diesel engine［J］. Mech Struct Mach，1999（4）:453-505.

［10］ 郭曉寧.基于ADAMS的液壓挖掘機機械系統參數化模型［J］.中國工程機械學報，2008，6（4）:433-437. GUO Xiao-ning.ADAMS-based parametric modeling for mechanical system of hydraulic excavator［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2008，6（4）:433-437.（in Chinese）

［11］ Tanizumi K，Yoshirmura T，Hino J.Modeling of dynamics behavior and control of truck cranes［J］.Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineerings，2013（2）:549-551.

［12］ 倪令華，付衍法，董振華，等.SER22旋挖鉆機變幅機構動力學優化分析［J］.建筑機械化，2012（9）:45-47. NI Ling-hua，FU Yan-fa，DONG Zhen-hua，et al.Dynamic optimization analysis on SER22 rotary drilling rig's luffing mechanism［J］.Construction Mechanization，2012（9）:45-47.（in Chinese）

Simulation and Optimization of Expanding Device of an Assembled Steel Bridge Based on Virtual Prototyping Technology

ZENG Fan-qi，WANG Qiang，HE Xiao-hui
（College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，Jiangsu，China）

To improve the working capability of the bridge expanding device during the bridging and withdrawing process of an assembled steel bridge，the parameterized models of the bridge expanding device and bridge sections are established based on the virtual prototyping technology，and 4 key design variables which have significant effects on the performance of the expanding device are chosen and verified. The optimization design of the device is further carried out by the limit loads of hydraulic cylinders being selected as the optimization target.It is found that，when the bridge expanding device is increased by 9.19%in size according to the optimization project，the maximum loads of its linkage rods can be effectively reduced by 28.6%，and the stress states of the key rods are improved，then the overall performance of the assembled steel bridge expanding device is significantly improved.

engineering mechanics；assembled steel bridge；bridge expanding device；virtual prototyping technology；optimization design

TP391.9

A

1000-1093（2015）11-2173-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.11.023

2015-04-08

武器裝備預先研究項目（40407010405）；總參謀部科技創新站項目（NJCX-RW-20130239）

曾繁琦（1990—），男，碩士研究生。E-mail:408076191@qq.com；王強（1964—），男，教授，碩士生導師。E-mail:wangqiangjs@sohu.com