基于協(xié)同設(shè)計(jì)的架橋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

張 氫，楊 寧，劉應(yīng)花，秦仙蓉，孫遠(yuǎn)韜

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品大多采用串行模式，遵循“設(shè)計(jì)——建模——分析——修改設(shè)計(jì)——再建?！俜治觥钡拇性O(shè)計(jì)方法[1]。架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析也不例外，基本依托通用CAD/CAE等軟件來實(shí)現(xiàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析進(jìn)行了不少研究，也取得了一定成果。如王新波[2]介紹了一種U形梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為降低總高度而采取了一些辦法，如采用自平衡過孔替代導(dǎo)梁過孔等。張亞軍[3]對(duì)某新型懸拼式架橋機(jī)的主桁架及其他主要構(gòu)件進(jìn)行了有限元分析，完成了整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的仿真計(jì)算。吳曉[4]建立了JQ900型架橋機(jī)典型工況的動(dòng)力學(xué)模型，分析了架橋機(jī)動(dòng)態(tài)特性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

上述學(xué)者的研究都只是針對(duì)架橋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析的某一個(gè)方面獨(dú)立進(jìn)行的，如單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，或者單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析研究，并沒有將架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析有效的結(jié)合起來。

由于CAD軟件與CAE軟件之間互相獨(dú)立，在各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之間，設(shè)計(jì)人員多采用人工的方式進(jìn)行軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞及參數(shù)設(shè)置，使得機(jī)械設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析相分離，設(shè)計(jì)人員和結(jié)構(gòu)驗(yàn)算人員之間存在數(shù)據(jù)交流問題，不僅容易出錯(cuò)，而且對(duì)于架橋機(jī)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，反復(fù)修改效率低下，整個(gè)設(shè)計(jì)過程缺乏規(guī)范的管理。如何利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù)和架橋機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)將各設(shè)計(jì)分析軟件與架橋機(jī)的設(shè)計(jì)融合起來，以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，成為了架橋機(jī)開發(fā)面臨的重要問題。

1 架橋機(jī)

架橋機(jī)（見圖 1）的主要功能是將混凝土梁提起，并縱移到待架橋孔位置后落梁就位。架橋機(jī)是高效鋪設(shè)鐵路、公路線時(shí)，橋梁架設(shè)施工中不可缺少的架橋設(shè)備[5]。

架橋機(jī)作業(yè)時(shí)，通常支承在橋墩或者橋面上，可沿縱向自行變換支撐位置，通過提升、移動(dòng)等步驟將預(yù)制橋梁梁體安裝到指定位置的橋梁支座上。架橋機(jī)按照導(dǎo)梁形式可以分為無導(dǎo)梁式、下導(dǎo)梁式、雙導(dǎo)梁式和運(yùn)架一體式架橋機(jī)，本文所述的JQ160-30A架橋機(jī)為雙導(dǎo)梁式架橋機(jī)，起重量為160 t，最大跨度為30 m，適用最大縱坡為4%±，適用最小彎道半徑為700 m，總功率為50 kW，作業(yè)方式為步履式過孔作業(yè)。

圖1架橋機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Picture of bridge erection machine

2 協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本架橋機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)依托Visual C++開發(fā)平臺(tái)，綜合運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)、模塊化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、CAE技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的協(xié)同，其基本框架主要包含了三個(gè)層面，如圖2所示。

用戶層：設(shè)計(jì)者可以通過可視化交互界面進(jìn)行架橋機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的瀏覽和修改，根據(jù)三維模型和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估等。用戶層由所有參與產(chǎn)品研發(fā)的用戶組成，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員、分析人員等。

架橋機(jī)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)層：實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為協(xié)同服務(wù)層提供參考和依據(jù)，包括架橋機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)庫、設(shè)計(jì)規(guī)范、參數(shù)化三維模型庫、有限元模型庫、型鋼數(shù)據(jù)庫等。

圖2 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本框架圖Fig.2 Framework of collaborative structural design system for bridge erection machine

協(xié)同服務(wù)層：由架橋機(jī)知識(shí)庫管理、模塊化分解管理和任務(wù)模塊求解管理組成，如Pro/E參數(shù)化建模與更新、ANSYS結(jié)構(gòu)計(jì)算、Excel數(shù)據(jù)庫調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享、不同工具集成和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息交換等功能。

圖3 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體模型Fig.3 Architecture of collaborative structural design system for bridge erection machine

3 協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 參數(shù)化三維建模與更新

本協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)化建模是利用 Pro/E來實(shí)現(xiàn)的。參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)已有成熟產(chǎn)品的重用過程，是對(duì)其規(guī)則的幾何關(guān)系和拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行再開發(fā)的過程。根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)理念，首先開發(fā)對(duì)象的選擇是最重要的環(huán)節(jié)，架橋機(jī)系列化較強(qiáng)，而同一系列的架橋機(jī)，隨著其承載能力、跨度的變化，其主要結(jié)構(gòu)形式和特征的變化并不大；其次，根據(jù)業(yè)內(nèi)規(guī)范建立模型模板，通過對(duì)Pro/Toolkit函數(shù)進(jìn)行開發(fā)，將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與相應(yīng)模板參數(shù)進(jìn)行鏈接，進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)。

參數(shù)化的三維模型模板建好之后，可通過編寫Pro/Toolkit程序來實(shí)現(xiàn)三維模型的更新，如圖4所示，一般需要以下幾步：

圖4 參數(shù)化建模與更新流程圖Fig.4 Procedure of parametric modeling and updating

(1) 設(shè)置自定義參數(shù)名，建立自定義參數(shù)與相應(yīng)特征的尺寸ID的關(guān)系。特征尺寸的ID 可在Pro/E軟件菜單欄工具下的參數(shù)子菜單中查詢。

(2) 獲取模型的對(duì)象指針。調(diào)用函數(shù)ProMdlCurrentGet()獲得當(dāng)前模型，然后調(diào)用函數(shù)ProMdlToModelitem()和 ProStringToWstring()分別獲得當(dāng)前模型項(xiàng)和設(shè)置上一步自定義的參數(shù)名。

(3) 根據(jù)對(duì)象指針獲取數(shù)據(jù)。對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行初始定義，調(diào)用函數(shù) ProParameterInit()獲得指定參數(shù)名的參數(shù)對(duì)象，然后調(diào)用 ProParameter ValueGet()獲得指定參數(shù)對(duì)象的值。

(4) 調(diào)用函數(shù) ProSolidRegenerate()和ProWindowRepaint()實(shí)現(xiàn)模型再生并使窗口重繪，從而更新架橋機(jī)的三維設(shè)計(jì)。

3.2 數(shù)據(jù)傳送

數(shù)據(jù)傳遞是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)的核心，它將多個(gè)不同軟件平臺(tái)通過接口的方式連接起來，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊所做出的參數(shù)改變，能夠及時(shí)地在有限元分析模塊實(shí)現(xiàn)模型更新。該架橋機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口方法見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)傳送接口與控制機(jī)制圖Fig.5 Interface of data transfer and control mechanism

其中，Visual C++向ANSYS的參數(shù)傳遞，可以先將欲傳遞的參數(shù)形成一個(gè)文本文件，再由ANSYS讀入此文件來實(shí)現(xiàn)傳遞過程。在Visual C++中形成參數(shù)文本文件的代碼如下：

Void DLGparam: OnOk()

{

Update(true);

Ofstream paraFile(“D:workparam.txt”,ios;;out);

paraFile＜＜”L=”＜＜m_L＜＜endl;//主梁長(zhǎng) L

paraFile＜＜”H=”＜＜m_H＜＜endl;//主梁高 H

……

paraFile.close();

Dialog::OnOk();

}

修改參數(shù)，生成param.txt文件，然后在輸入文件 JQJ.mac 中加入“/input,D:workparam.txt”命令，即可完成參數(shù)的傳遞。

3.3 參數(shù)化有限元分析

架橋機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的 CAE模塊利用APDL和宏編輯有限元分析命令，實(shí)現(xiàn)架橋機(jī)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解及參數(shù)化后處理結(jié)果顯示，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。

CAE模塊核心部分是在ANSYS環(huán)境中構(gòu)建不同類型的架橋機(jī)模板庫，模板庫與Pro/E模型庫中的架橋機(jī)拓?fù)淠Ｐ蛶鞂?duì)應(yīng)，保持了系統(tǒng)中架橋機(jī)模型基本特征的一致性。采用ISO國(guó)際單位體系，該有限元模型庫里的架橋機(jī)模型主體結(jié)構(gòu)均采用beam189梁?jiǎn)卧?，質(zhì)量點(diǎn)采用mass21單元，楊氏模量取2.1×1011Pa，泊松比取0.3。

CAE模塊包含三個(gè)部分：前處理、求解器計(jì)算和后處理。對(duì)架橋機(jī)而言，前處理部分包括對(duì)架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化、選擇合理的單元和材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。完成三維模型構(gòu)建之后，根據(jù)架橋機(jī)的實(shí)際工況對(duì)模型施加正確的載荷和邊界條件，一般包括自重、工作狀態(tài)的風(fēng)載荷、小車起重量等載荷。然后根據(jù)分析需求選取分析類型，如模態(tài)分析及各工況下的靜力分析、剛度驗(yàn)算等等。

3.4 協(xié)同設(shè)計(jì)機(jī)制

協(xié)同設(shè)計(jì)過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)信息獲取、加工處理、生成、傳遞、集成和共享的過程，隨著架橋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析過程的進(jìn)行，數(shù)據(jù)（含模型）動(dòng)態(tài)形成、傳遞及共享，并貫穿于整個(gè)過程。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用戶通過人機(jī)交互界面，提交架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，如架橋機(jī)起重量、跨度、主梁長(zhǎng)等參數(shù)。為了開放簡(jiǎn)潔、便于維護(hù)，本系統(tǒng)以 excel作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳遞的核心。與此同時(shí)，向參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊、有限元分析模塊等求解模塊發(fā)出指令，上述模塊便開始進(jìn)行三維模型驅(qū)動(dòng)和有限元分析校核等工作，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，供用戶查閱分析。然后，優(yōu)化設(shè)計(jì)人員對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)產(chǎn)品模型中設(shè)計(jì)不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化更新，并提交到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)就會(huì)重新發(fā)送命令執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模型程序和有限元分析程序，生成的數(shù)據(jù)文檔自動(dòng)歸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。

4 架橋機(jī)結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)與分析實(shí)例

本系統(tǒng)以 JQ160-30A架橋機(jī)為基礎(chǔ)，在Visual C++平臺(tái)上采用 MFC對(duì)話框技術(shù)，選用Pro/E 3.0為三維設(shè)計(jì)軟件，ANSYS 12.0為有限元分析軟件，Microsoft Excel 2007為工具支持軟件來開發(fā)該系統(tǒng)。

圖6 系統(tǒng)管理主界面Fig.6 Interface for system management

本系統(tǒng)的主界面如圖6所示。主界面上主要包括菜單欄和系統(tǒng)功能區(qū)。菜單欄的文件可以實(shí)現(xiàn)新建項(xiàng)目、項(xiàng)目保存，同時(shí)通過幫助文件可以了解整個(gè)系統(tǒng)的使用方法及常見問題。系統(tǒng)功能區(qū)主要有架橋機(jī)類型選擇、參數(shù)輸入模塊、初始計(jì)算模塊、有限元計(jì)算模塊和三維模型更新模塊等。

4.1 架橋機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入

點(diǎn)擊參數(shù)輸入按鈕開始設(shè)計(jì)，得到圖7所示的界面，依據(jù)架橋機(jī)設(shè)計(jì)要求，選擇所需的主梁截面形式：三角桁架或者箱形，然后輸入所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖7 架橋機(jī)主要參數(shù)輸入界面Fig.7 Parameter settings interface

4.2 架橋機(jī)初始設(shè)計(jì)

圖8 設(shè)計(jì)結(jié)果查看界面Fig.8 Interface of design results

圖9 架橋機(jī)架梁工況圖Fig. 9 Typical load conditions of bridge Erecting

系統(tǒng)中嵌入了根據(jù)文獻(xiàn)[5]和[6]編寫的計(jì)算程序，當(dāng)輸入設(shè)計(jì)參數(shù)以后，即可進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)主要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型，如根據(jù)計(jì)算得到的主梁上弦桿位置的抗彎模量，在Excel型鋼數(shù)據(jù)庫中選取合適的型鋼。通過如圖8所示的界面，用戶可查看所選用各主要桿件的尺寸信息。

4.3有限元計(jì)算

完成上述步驟之后，進(jìn)入?yún)?shù)化有限元分析模塊。結(jié)合架橋機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，有過孔和架梁兩種作業(yè)交替進(jìn)行，其中架梁過程見圖9所示。

將分析工況分為：I.吊梁天車喂梁吊運(yùn)；II.吊梁天車運(yùn)梁；III.吊梁天車于架梁段落梁；IV.整車行走；V.吊運(yùn)下導(dǎo)梁；VI.液壓缸起升等6種典型工況分別計(jì)算，其中，工況III的受力分析見圖10所示。 ANSYS計(jì)算得：最大應(yīng)力為196 MPa，應(yīng)力最大點(diǎn)位于中間支腿附近的主梁節(jié)段連接處。

圖10 工況III時(shí)架橋機(jī)受力圖Fig.10 Force diagram of condition III

4.4 三維模型更新

依據(jù)文獻(xiàn)[5]和[6]，對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，判斷是否需要對(duì)架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改、優(yōu)化，如需要，則進(jìn)入主界面上的“三維模型”模塊，可實(shí)現(xiàn)Pro/E模型的修改與更新。在更新完主梁、前部總成等各個(gè)子模塊后，即可獲得修改后的整體模型，然后進(jìn)行下一次有限元計(jì)算。

5 結(jié)語

以架橋機(jī)為例，完成零部件的參數(shù)設(shè)置、模型驅(qū)動(dòng)、分析校核等工作，獲得最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。

針對(duì)串行設(shè)計(jì)中存在的產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)等問題，探索構(gòu)建了一套架橋機(jī)結(jié)構(gòu)CAD/CAE協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過參數(shù)化數(shù)據(jù)傳遞手段，使得CAE分析模型能夠隨著CAD設(shè)計(jì)模型的改變而改變，實(shí)現(xiàn)了架橋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析的協(xié)同。結(jié)果表明該成果的應(yīng)用顯著提高了架橋機(jī)產(chǎn)品的串行設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，滿足了企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求。該協(xié)同設(shè)計(jì)目前僅停留在架橋機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，以后可向機(jī)、電、液系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方向發(fā)展。

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