基于MSC Adams虚拟样机技术的桥梁主拱安装工艺分析

摘 要：以某大桥主拱安装工况为对象，应用MSC Adams软件建立由塔架、主拱、钢绞线和提升千斤顶组成的虚拟样机模型. 通过多项式插值协调两组提升钢绞线的运动关系，模拟两组钢绞线均衡平稳地提升大桥主拱并竖转到指定位置. 通过仿真分析，可以确定钢铰线长度、提升行程、塔架受力时间历程、提升千斤顶配置等工艺数据. 结果表明该方法可以详细分析施工历程，从而增强工程的施工安全.

关键词：虚拟样机；主拱；竖转；多项式插值；动力学仿真；MSC Adams

中图分类号：U445.35；TP391.9 文献标志码：A

Analysis on installation of bridge’s main arch using MSC Adams virtual prototype

ZHANG Qing，YU Chenxin，YANG Lin

(College of Mechanical Eng.，Tongji Univ.，Shanghai 200092，China)

Abstract：Taking the erection process of a bridge’s main arch as an object，a virtual prototype model composed of lift pylon tower，main arch，steel strands，and lifting jacks is built using MSC Adams. The polynomial interpolation method is used to coordinate motion relationship between two sets of steel strands. A simulation that using such two sets of steel strands to lift the main arch smoothly to given position is carried out. With the simulation results，important technological parameters such as the length of steel strands，lifting distance，time history of reaction force on the base of lifting pylon as well as the configuration of lifting jacks can be determined. The results show that the method can analyze the construction process in detail and enhance the safety of construction.

Key words：virtual prototype；main arch；vertical rotation；polynomial interpolation；dynamic simulation；MSC Adams

0 引 言

工艺研究在桥梁建设过程中至关重要，可以帮助做好施工过程的评估和优化，确定关键参数，提高施工效率和质量以及安全性.本文利用虚拟样机技术，在MSC Adams 2005的软件环境下对某大桥上的拱肋提升工况进行仿真，以得出工艺设计和安全评估所需要的数据，包括钢绞线长度、提升行程及塔架受力等.

MSC Adams是美国MSC公司推出的机械系统动力学仿真软件[1，2]，它能仿真机械系统运动过程，通过调整参数，可以迅速比较各种参数方案，直至获得最优工作性能，从而大大减少昂贵的物理样机制造及试验次数，以节约成本、缩短研发周期、提高产品的质量和安全性. MSC Adams基于多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程.它选取系统内每个刚体质心在惯性参考系中的3个直角坐标和确定刚体方位的3个欧拉角作为笛卡尔广义坐标，用带乘子的拉格朗日方程处理具有多余坐标的完整约束系统或非完整约束系统，导出以笛卡尔广义坐标为变量的运动学方程组.在计算这些方程组程序时，msc adams应用吉尔(GEAR)的刚性积分算法以及稀疏矩阵技术.进行运动学和静力学分析需要求解一系列非线性代数方程，MSC Adams采用修正的Newton-Raphson迭代算法[2，3]迅速准确地求解.

1 工况简介

某桥梁主拱提升工况简图见图1.

(a) 提升前

(b) 提升到位

图 1 拱肋提升方案简图

该方法需要使用1个约63 m高的塔架进行安装.先用运输工具将桥梁的拱肋运输到位、穿销；然后用顶升的方法将塔架一节一节安装到位，拉紧缆风绳；再在拱肋的中部和靠近顶端位置的扣点各自连接上钢绞线，两组钢绞线向上连接到塔架顶部，顶部有液压千斤顶和液压连续提升设备提升钢绞线；再用钢绞线从塔架顶部连接到另一侧距离约120 m的地锚上支持提升时的反力，顶部的液压提升设备同时拉动两组连接拱肋的钢绞线对拱肋进行提升，提升到所需位置后停止.研究目的在于通过MSC Adams对工况进行仿真，以确定钢绞线上的拉力、塔架底部的支反力和另一侧钢绞线的拉力等数据.

2 模型建立与约束

模型采用MSC Adams自带的建模工具进行实体建模，由于整个运动均在1个平面内，所以建立的模型都可以简化成平面问题，几何尺寸与实际一致，通过调节密度，使质量也与实际质量一致.实际建立的模型见图2.

图 2 拱肋提升的MSC Adams模型

为得到塔架支反力，将塔架底部和另一侧钢丝绳接地处与地面做成铰，钢丝绳上部与塔架也做成铰，这样，在MSC Adams后处理中可以取到这几个地方的力.2根提升钢丝绳与拱肋连接处各放置1个弹簧，以方便显示其拉伸力，弹簧刚度初选为3.1×108 N/m.每根提升钢丝绳与塔架之间由于相对移动和转动同时存在，因此各加上移动副和转动副两个约束.

在仿真前，需要对仿真过程进行一些控制，设置1个传感器，在拱肋提升至所需要的角度时停住.

设置提升速度时，需要解决的1个关键问题是2根提升钢绞线的同步问题.

3 钢绞线的运动同步

由于在整个提升过程中，一直是2根钢绞线同时在拉动拱肋，且它们之间的载荷也同时均衡分配，因此必须协调钢绞线的提升速度.

4 仿真结果与分析

仿真完成后进入MSC Adams/Postprocessor进行后处理，先后取得如下曲线.

中间和前端钢绞线拉力分别见图4和5，塔架底部支反力见图6，左侧钢绞线地锚处支反力见图7.

图 4 中间钢绞线拉力图 5 前端钢绞线拉力

图 6 塔架底部支反力

图 7 左侧地锚支反力

如图可得：两根钢绞线的拉力均在开始时最大，分别约为5×106 N和6×106 N，然后在提升的过程中逐步减小；塔架底部的支反力垂直方向最高约为1.5×107 N，水平方向最高约为1×107 N；地锚的支反力垂直方向最高约为5×106 N，水平方向最高约为1×107 N.由曲线的平整和光滑可见，多项式插值方法可基本实现两根钢绞线的速度协调.这样，仿真完成，得到所关心的位置和载荷等重要数据.

5 结 论

(1)利用虚拟样机技术对施工过程进行仿真是当前施工技术的重要组成部分之一，它不仅可以用来初步验证施工方案的可行性，也为施工现场的布置和施工设备的选取提供依据.

(2)数值计算方法在工程中也可以灵活应用.通过数值计算的基本方法，多项式插值得到1条参数曲线，以方便工程问题的快速解决.

(3)文中此例具有一定的局限性.MSC Adams中的模型均为刚体，忽略了施工过程中的弹性变形，这样对结果会产生一定的影响.

参考文献：

[1] 刘绍武，张氢，薛颖，等. 仿真技术在某人行天桥钢塔竖转过程中的应用[J]. 建筑机械，2006(5)： 59-60.

[2] 华顺刚，余国权，苏铁明，等. 基于MSC Adams的减速器虚拟样机建模及动力学仿真[J]. 机械设计与研究，2006，22(6)： 47-52.

[3] 喻艳. 虚拟仿真技术在港口机械动力学分析中的应用[D]. 上海： 同济大学，2006.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”