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摘要：本文以悬索桥的主索鞍吊装系统为原型，综合应用UG、ANSYS和ADAMS对索鞍吊装过程进行刚柔耦合动力学仿真分析，并将分析的数据成功的应用到索鞍吊装系统的设计优化中，为随后索鞍顺利吊装就位打下了坚实的理论基础。
关键词：索鞍吊装系统；虚拟样机；ADAMS刚柔耦合动力学仿真；ANSYS；UG
Abstract: The paper is based on the Hoisting System of Main Saddles of the suspension Bridge.
The ADAMS Rigid-Flexible Coupling dynamic Simulation is a general application
of UG, ANSYS and ADAMS to the Hoisting System of Saddles, the results come
from the analysis are applied into the Optimal-Design-Developing of the Hoisting
System of Saddles of the 4th Nanjing Yangtze River Bridge successfully, setting
a firm theoretic basis to the hoisting of saddles in the future.
Keywords: Hoisting System of Saddles ；Virtual Prototyping；ADAMS Rigid-Flexible Coupling dynamic simulation；ANSYS；UG
中图分类号：U448.25文献标识码： A 文章编号：
1．引言
悬索桥的主索鞍位于主塔塔顶，主要用于支撑主缆竖向分力并传递给主塔；散索鞍安装在锚碇散索鞍支墩顶部，其主要作用是将主缆经过散索鞍后在水平、竖向两个方向转向分散并与锚碇锚固系统相连。
如下图1所示，悬索桥索鞍吊装系统由起重提升卷扬机、起重小车、索鞍吊具、滑轮组及各转向结构组成。其中索鞍吊具结构由索鞍吊架和索鞍吊板组成，起重小车由起重横梁和运行台车组组成。索鞍吊装系统的主要功能是完成塔顶主索鞍、锚碇散索鞍及附属构件的安装施工。
图1索鞍吊装系统结构布置示意图
本文利用动力学仿真软件ADAMS建立起悬索桥索鞍吊装系统的虚拟样机，对其进行刚柔耦合动力学仿真分析，输出索鞍吊装系统的动应力、位移等相关参数变化曲线，为索鞍吊装系统的设计优化和顺利进行吊装作业打下了坚实的理论基础。
2．ADAMS中刚柔耦合动力学仿真的实现
运用ADAMS软件进行动力学仿真计算的过程主要分成以下几个部分：（1）数据的输入；（2）数据的检查；（3）机构的装配及过约束的消除；（4）运动方程的自动形成；（5）积分迭代运算过程；（6）运算过程中的错误检查和信息输出；（7）结果的输出。
在工程实际中，完全把模型当作刚性系统来处理是不能完全达到精度要求的，特别是对于工作精度比较高的机械系统，必须把模型的部分构件转换成可以变形的柔性体来处理。ADAMS软件创建柔性构件有以下3种的方法：
（1）离散柔性连接件：直接利用刚性体之间的柔性梁连接，将一个构件分成多个小块，在各个小块之间建立柔性连接；
（2）利用有限元程序建立柔性体：利用有限元技术，通过计算构件的自然频率和对应的模态，按照模态理论，将构件产生的变形看作是由构件模态通过线性叠加计算得到的。这种线性叠加关系可以用下式来表示：
(1)
式中，—各个节点的位移矢量；
—模态参与因子；
—构件的模态,也就是特征值矢量。
在计算构件模态时，按照有限元理论，首先需要将构件离散成一定数量的单元，单元越多，计算精度就越高，单元之间通过共用一个节点来传递力的作用，在一个单元上的两个点之间可以产生相对位移，再通过单元的材料属性，进一步可以计算出构件的内应力和内应变；
（3）利用ADAMS/AutoFlex模块建立柔性体。利用ADAMS/AutoFlex模块，在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后再用柔性体替代原来的刚性体。
本文中柔性体的模态中性文件MNF借助于有限元分析软件ANSYS来完成，再通过添加相关约束和驱动后进行多体刚柔耦合动力学仿真。
3．索鞍吊装系统刚柔耦合虚拟样机的建立
在索鞍结构的实际吊装作业中，主索鞍结构的吊装难度最大。本文对悬索桥主索鞍吊装作业中起升高度最大、技术含量最高的主索鞍吊装作业进行动力学仿真分析，利用虚拟样机技术，综合考虑吊具结构和起重横梁的变形以及主索鞍结构（含吊具结构）的重心位置对索鞍吊装过程的影响，从而达到优化索鞍吊装姿态控制和增强索鞍吊装稳定性的目的。
3.1 模型的建立与编辑
图2主索鞍吊装系统虚拟样机模型
悬索桥主索鞍吊装系统中的起重横梁和运行台车架均为薄壁封闭箱形结构，为加强其抗扭转刚度，中間加了横向和纵向隔板。主索鞍吊架为适应主索鞍的独特外形，用H型钢拼成框架结构，一端配有活动吊板，另外对索鞍吊架和吊板结构进行局部加强处理。
结合索鞍吊装系统各子结构的有限元分析结果，对于比较关注结构动应力变化的起重横梁（含运行台车架）、主索鞍吊架和散索鞍吊板结构在ANSYS中用板单元SHELL63分别建立起其有限元模型并导出ADAMS所需的模态中性文件（*.mnf）。再利用ADAMS的Flex模块将ANSYS导出的柔性体模态中性文件调入，以生成系统虚拟样机模型中的柔性体FLEX_BODY_1(起重横梁结构)、FLEX_BODY_2(主索鞍吊架结构)和FLEX_BODY_3（主索鞍吊板结构），来进行起重机刚柔耦合动力学仿真。
对于结构变形较小的主索鞍结构，利用UG建立起主索鞍的三维实体模型，导出文件扩展名为（*.x_t）的Parasolid文件。再将该Parasolid文件导入ADAMS中，生成主索鞍（PART4）刚性构件。
在ANSYS输出模态中性文件MNF文件的时候，可以由Eigenmodes确定所要抽取的模态的阶数，抽取的模态数越多，柔性体的仿真变形就越接近现实；由Element Results确定所选择单元上包含应力和应变值。
由于柔性体没有质量和惯性矩的概念，所以不需要给柔性体赋予质量信息，对柔性体最大的编辑就是决定使用哪阶模态参与仿真计算。由于不用的模态对柔性体变形的贡献量不同，也就是模态参与因子的大小不同，可以通过“auto”让系统来决定将那些对变形能比率贡献量少的模态自动失效。
3.2 添加约束及施加载荷
所有的销轴连接处采用铰约束（释放销轴轴向旋转）。钢丝绳采用一根细长的刚性杆来模拟，钢丝绳上吊点采用球铰（释放三个方向的旋转）与起重横梁连接。钢丝绳下吊点与主索鞍吊架采用滑移副连接。由于现场对主索鞍起吊的速度没有要求，仅仅对主索鞍起吊的姿态控制提出了较高要求，所以仿真过程中只考虑自重载荷的影响，取。为了方便观察主索鞍鞍体位移动力学仿真曲线，设定主索鞍悬垂时间为30s，使用STEP函数来实现动载荷的施加。具体的位移驱动函数表达式为：
STEP(time,0,0,30,0)
添加约束后，可通过ADAMS的模型验证功能检验是否有冗余约束，以保证系统的约束添加是正确的。设置仿真步长数后，点击运行，即可观察主索鞍吊装离地后的吊装运行状态。
3.3 仿真结果及结果分析
在ADAMS/Solver 求解模块中，进行仿真计算。输出结果，主索鞍吊装系统的起重横梁结构（含运行台车架）上最大应力节点1062随时间的应力变化曲线由下图3中所示：
图3 起重横梁结构最大应力节点动应力仿真曲线
主索鞍吊架（红色）上最大应力节点224和主索鞍吊板结构（蓝色）上最大应力节点2467随时间的应力变化曲线由下图4中所示：
图4 主索鞍吊架、吊板结构最大应力节点动应力仿真曲线
主索鞍吊装系统结构中起重横梁（含运行台车架）、主索鞍吊架和主索鞍吊板结构上的应力值
随着主索鞍吊装过程的逐步趋稳而趋向一个稳定值。起重横梁结构的应力稳定值约为162.5MPa，其能满足结构使用强度要求。
主索鞍鞍体在吊装过程中的Z、X向位移如下图5和图6所示：
图5 主索鞍鞍体Z向位移动力学仿真曲线
图6 主索鞍鞍体X向位移动力学仿真曲线
由上图5和图6所示的主索鞍鞍体在吊装过程中的Z、X向位移值可以看到，其偏移值均稳定于10mm以内，且其位移的变化幅度逐渐变小，则整个吊装系统稳定性和吊装精度均能满足使用要求。
4. 结束语
本文以悬索桥主索鞍吊装系统为原型，以三维建模软件UG建立起索鞍鞍体的三维模型，然后基于实体模型互导技术，利用ANSYS和ADAMS对索鞍吊装过程进行刚柔耦合动力学仿真分析，并將分析的数据成功的应用到索鞍吊装系统的设计优化中，为随后索鞍顺利吊装就位打下了坚实的理论基础。该刚柔耦合动力学仿真方法成功应用于悬索桥主索鞍吊装作业中，说明上述基于ADAMS的刚柔耦合动力学仿真方法是有效可靠的，具有一定的工程设计参考价值。
图7主索鞍吊装现场效果
参考文献
1郑凯，胡仁喜，陈鹿民．ADAMS 2005机械设计高级应用实例．北京：机械工业出版社，2006-2
2陈立平，张云清，任卫群，覃刚．机械系统动力学分析及ADAMS应用教程．清华大学出版 社，2005-1
李增刚．ADAMS入门详解与实例．北京：国防工业出版社，2006-4
关键词：索鞍吊装系统；虚拟样机；ADAMS刚柔耦合动力学仿真；ANSYS；UG
Abstract: The paper is based on the Hoisting System of Main Saddles of the suspension Bridge.
The ADAMS Rigid-Flexible Coupling dynamic Simulation is a general application
of UG, ANSYS and ADAMS to the Hoisting System of Saddles, the results come
from the analysis are applied into the Optimal-Design-Developing of the Hoisting
System of Saddles of the 4th Nanjing Yangtze River Bridge successfully, setting
a firm theoretic basis to the hoisting of saddles in the future.
Keywords: Hoisting System of Saddles ；Virtual Prototyping；ADAMS Rigid-Flexible Coupling dynamic simulation；ANSYS；UG
中图分类号：U448.25文献标识码： A 文章编号：
1．引言
悬索桥的主索鞍位于主塔塔顶，主要用于支撑主缆竖向分力并传递给主塔；散索鞍安装在锚碇散索鞍支墩顶部，其主要作用是将主缆经过散索鞍后在水平、竖向两个方向转向分散并与锚碇锚固系统相连。
如下图1所示，悬索桥索鞍吊装系统由起重提升卷扬机、起重小车、索鞍吊具、滑轮组及各转向结构组成。其中索鞍吊具结构由索鞍吊架和索鞍吊板组成，起重小车由起重横梁和运行台车组组成。索鞍吊装系统的主要功能是完成塔顶主索鞍、锚碇散索鞍及附属构件的安装施工。
图1索鞍吊装系统结构布置示意图
本文利用动力学仿真软件ADAMS建立起悬索桥索鞍吊装系统的虚拟样机，对其进行刚柔耦合动力学仿真分析，输出索鞍吊装系统的动应力、位移等相关参数变化曲线，为索鞍吊装系统的设计优化和顺利进行吊装作业打下了坚实的理论基础。
2．ADAMS中刚柔耦合动力学仿真的实现
运用ADAMS软件进行动力学仿真计算的过程主要分成以下几个部分：（1）数据的输入；（2）数据的检查；（3）机构的装配及过约束的消除；（4）运动方程的自动形成；（5）积分迭代运算过程；（6）运算过程中的错误检查和信息输出；（7）结果的输出。
在工程实际中，完全把模型当作刚性系统来处理是不能完全达到精度要求的，特别是对于工作精度比较高的机械系统，必须把模型的部分构件转换成可以变形的柔性体来处理。ADAMS软件创建柔性构件有以下3种的方法：
（1）离散柔性连接件：直接利用刚性体之间的柔性梁连接，将一个构件分成多个小块，在各个小块之间建立柔性连接；
（2）利用有限元程序建立柔性体：利用有限元技术，通过计算构件的自然频率和对应的模态，按照模态理论，将构件产生的变形看作是由构件模态通过线性叠加计算得到的。这种线性叠加关系可以用下式来表示：
(1)
式中，—各个节点的位移矢量；
—模态参与因子；
—构件的模态,也就是特征值矢量。
在计算构件模态时，按照有限元理论，首先需要将构件离散成一定数量的单元，单元越多，计算精度就越高，单元之间通过共用一个节点来传递力的作用，在一个单元上的两个点之间可以产生相对位移，再通过单元的材料属性，进一步可以计算出构件的内应力和内应变；
（3）利用ADAMS/AutoFlex模块建立柔性体。利用ADAMS/AutoFlex模块，在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后再用柔性体替代原来的刚性体。
本文中柔性体的模态中性文件MNF借助于有限元分析软件ANSYS来完成，再通过添加相关约束和驱动后进行多体刚柔耦合动力学仿真。
3．索鞍吊装系统刚柔耦合虚拟样机的建立
在索鞍结构的实际吊装作业中，主索鞍结构的吊装难度最大。本文对悬索桥主索鞍吊装作业中起升高度最大、技术含量最高的主索鞍吊装作业进行动力学仿真分析，利用虚拟样机技术，综合考虑吊具结构和起重横梁的变形以及主索鞍结构（含吊具结构）的重心位置对索鞍吊装过程的影响，从而达到优化索鞍吊装姿态控制和增强索鞍吊装稳定性的目的。
3.1 模型的建立与编辑
图2主索鞍吊装系统虚拟样机模型
悬索桥主索鞍吊装系统中的起重横梁和运行台车架均为薄壁封闭箱形结构，为加强其抗扭转刚度，中間加了横向和纵向隔板。主索鞍吊架为适应主索鞍的独特外形，用H型钢拼成框架结构，一端配有活动吊板，另外对索鞍吊架和吊板结构进行局部加强处理。
结合索鞍吊装系统各子结构的有限元分析结果，对于比较关注结构动应力变化的起重横梁（含运行台车架）、主索鞍吊架和散索鞍吊板结构在ANSYS中用板单元SHELL63分别建立起其有限元模型并导出ADAMS所需的模态中性文件（*.mnf）。再利用ADAMS的Flex模块将ANSYS导出的柔性体模态中性文件调入，以生成系统虚拟样机模型中的柔性体FLEX_BODY_1(起重横梁结构)、FLEX_BODY_2(主索鞍吊架结构)和FLEX_BODY_3（主索鞍吊板结构），来进行起重机刚柔耦合动力学仿真。
对于结构变形较小的主索鞍结构，利用UG建立起主索鞍的三维实体模型，导出文件扩展名为（*.x_t）的Parasolid文件。再将该Parasolid文件导入ADAMS中，生成主索鞍（PART4）刚性构件。
在ANSYS输出模态中性文件MNF文件的时候，可以由Eigenmodes确定所要抽取的模态的阶数，抽取的模态数越多，柔性体的仿真变形就越接近现实；由Element Results确定所选择单元上包含应力和应变值。
由于柔性体没有质量和惯性矩的概念，所以不需要给柔性体赋予质量信息，对柔性体最大的编辑就是决定使用哪阶模态参与仿真计算。由于不用的模态对柔性体变形的贡献量不同，也就是模态参与因子的大小不同，可以通过“auto”让系统来决定将那些对变形能比率贡献量少的模态自动失效。
3.2 添加约束及施加载荷
所有的销轴连接处采用铰约束（释放销轴轴向旋转）。钢丝绳采用一根细长的刚性杆来模拟，钢丝绳上吊点采用球铰（释放三个方向的旋转）与起重横梁连接。钢丝绳下吊点与主索鞍吊架采用滑移副连接。由于现场对主索鞍起吊的速度没有要求，仅仅对主索鞍起吊的姿态控制提出了较高要求，所以仿真过程中只考虑自重载荷的影响，取。为了方便观察主索鞍鞍体位移动力学仿真曲线，设定主索鞍悬垂时间为30s，使用STEP函数来实现动载荷的施加。具体的位移驱动函数表达式为：
STEP(time,0,0,30,0)
添加约束后，可通过ADAMS的模型验证功能检验是否有冗余约束，以保证系统的约束添加是正确的。设置仿真步长数后，点击运行，即可观察主索鞍吊装离地后的吊装运行状态。
3.3 仿真结果及结果分析
在ADAMS/Solver 求解模块中，进行仿真计算。输出结果，主索鞍吊装系统的起重横梁结构（含运行台车架）上最大应力节点1062随时间的应力变化曲线由下图3中所示：
图3 起重横梁结构最大应力节点动应力仿真曲线
主索鞍吊架（红色）上最大应力节点224和主索鞍吊板结构（蓝色）上最大应力节点2467随时间的应力变化曲线由下图4中所示：
图4 主索鞍吊架、吊板结构最大应力节点动应力仿真曲线
主索鞍吊装系统结构中起重横梁（含运行台车架）、主索鞍吊架和主索鞍吊板结构上的应力值
随着主索鞍吊装过程的逐步趋稳而趋向一个稳定值。起重横梁结构的应力稳定值约为162.5MPa，其能满足结构使用强度要求。
主索鞍鞍体在吊装过程中的Z、X向位移如下图5和图6所示：
图5 主索鞍鞍体Z向位移动力学仿真曲线
图6 主索鞍鞍体X向位移动力学仿真曲线
由上图5和图6所示的主索鞍鞍体在吊装过程中的Z、X向位移值可以看到，其偏移值均稳定于10mm以内，且其位移的变化幅度逐渐变小，则整个吊装系统稳定性和吊装精度均能满足使用要求。
4. 结束语
本文以悬索桥主索鞍吊装系统为原型，以三维建模软件UG建立起索鞍鞍体的三维模型，然后基于实体模型互导技术，利用ANSYS和ADAMS对索鞍吊装过程进行刚柔耦合动力学仿真分析，并將分析的数据成功的应用到索鞍吊装系统的设计优化中，为随后索鞍顺利吊装就位打下了坚实的理论基础。该刚柔耦合动力学仿真方法成功应用于悬索桥主索鞍吊装作业中，说明上述基于ADAMS的刚柔耦合动力学仿真方法是有效可靠的，具有一定的工程设计参考价值。
图7主索鞍吊装现场效果
参考文献
1郑凯，胡仁喜，陈鹿民．ADAMS 2005机械设计高级应用实例．北京：机械工业出版社，2006-2
2陈立平，张云清，任卫群，覃刚．机械系统动力学分析及ADAMS应用教程．清华大学出版 社，2005-1
李增刚．ADAMS入门详解与实例．北京：国防工业出版社，2006-4