（机械设计及理论专业论文）基于ug的桥梁支座数字化设计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国交通运输系统的高速发展和完善，作为其重要组成部分的桥梁建设也得 到相应发展，这对作为连接桥梁上下部结构的重要部件桥梁支座的设计制造也提 出了更高的要求。不同的桥梁在功能及设计参数上各不相同，对支座尺寸及性能的要 求也干差万别。这就导致了支座生产企业经常面临多型号小批量订单，设计人员进行 重复设计的工作量较大的局面。 为此，本文研究将数字化设计技术引入到桥梁支座的设计当中，通过建立桥梁支 座参数化设计平台，构建桥梁支座的参数化设计模型，形成规范统一的典型支座参数 化样机，减少设计人员重复设计工作量，提高桥梁支座的设计效率。 本文首先对桥梁支座结构特性和传统的设计方法进行分析，并对当前数字化设计 技术进行研究，提出将基于u g 的参数化设计技术引入到桥梁支座的设计中，以改进 传统设计中存在的设计效率低下的问题。 在此基础上，对选定的f c q z - i i 型固定支座进行参数化研究，建立其参数关联关 系和传递机制，并基于u g w a v e 技术和表达式建模技术建立了桥梁支座的参数化模型。 然后，以u g o p e nm e n u s c r i p t 和u i s t y l e r 为工具，开发桥梁支座参数化设计模 块的用户界面，以u g o p e na p i 和v i s u a ls t u d i o2 0 0 8 为工具，开发桥梁支座参数 化设计模块的应用程序，并以m i c r o s o f ta c c e s s 为数据库支撑实现支座参数信息存 储与读取，最终开发出完整的桥梁支座参数化设计模块，并通过实例实现桥梁支座的 参数化设计。 关键词：桥梁支座；参数化设计；u g 二次开发；参数传递 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼i 曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo b rc o u n t r y st r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t h eb r i d g e c o n s t r u c t i o ni sa l s od e v e l o p e d t h i sp u t sf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo fb r i d g eb e a r i n g s ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r tc o n n e c t i n gt h eu p p e ra n dl o w e r s 仃u c t u r eo ft h eb r i d g e d i f f e r e n tb r i d g e sv a r yi nf u n c t i o na n dd e s i g np a r a m e t e r s ，b e a r i n g s i z ea n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sa r ea l s od i f f e r e n t t h i sl e a d s t ot h e b e a r i n g m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e sa r eo f t e nf a c e dw i t hm u l t i - m o d e la n d s m a l l - v o l u m eo r d e r s ，a n d t h ed e s i g n e r sr e p e a tt h ed e s i g no fal a r g ew o r k l o a d t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rw i l li n t r o d u c et h ed i g i t i z e dd e s i g nt e c h n o l o g yt ot h ep r o c e s so f b r i d g eb e a r i n gd e s i g n ，t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fb r i d g eb e a t i n gp a r a m e t r i cd e s i g n p l a t f o r m ，c o n s t r u c tt h em o d e lo fp a r a m e t r i cd e s i g no fb r i d g eb e a r i n g s ，f o r ma s t a n d a r d i z e d a n du n i f i e dt y p i c a lb e a r i n gp a r a m e t e r i z e dp r o t o t y p e ，r e d u c et h er e p e a tw o r ko ft h ed e s i g n ， a n di m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c yo f b r i d g eb e a r i n g t h ep a p e rw i l la n a l y z et h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fb r i d g eb e a r i n ga n dd i g i t a l d e s i g nt e c h n o l o g yf i r s t l y , s e l e c tt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o l sb a s e do nu ga s t h e m e t h o do fb r i d g eb e a r i n gd i g i t a ld e s i g n b a s e do nt h i s ，m a k eap a r a m e t r i cs t u d yo nt h e s e l e c t e df c q z - i it y p ef i x e db e a r i n g ，c o n s t r u c tb e a r i n gp a r a m e t e rr e l a t i o n s h i p sa n d d e l i v e r ym e c h a n i s m s ，a n dm a k et h ep a r a m e t r i cm o d e l i n go ft h eb r i d g eb e a r i n g sb a s e do n t h eu g w a v et e c h n o l o g ya n de x p r e s s i o nm o d e l i n gt e c h n o l o g y t h e n ，u s et h eu g o p e n m e n u s c r i p ta n du i s t y l e ra st h et o o lt od e v e l o pt h eu s e ri n t e r f a c eo f t h eb r i d g eb e a r i n g s p a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l e ，a n du s e t h eu g o p e na p ia n dv i s u a ls t u d i o2 0 0 8a st h et 0 0 1t o d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo fb r i d g eb e a r i n gp a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l e ，a n du s e t h e m i c r o s o f ta c c e s sa sd a t a b a s es u p p o r tt oa c h i e v et h eb e a r i n gp a r a m e t e ri n f o r m a t i o ns t o r a g e a n dr e t r i e v a l ，a n du l t i m a t e l yd e v e l o pac o m p l e t eb r i d g eb e a r i n gp a r a m e t r i cd e s i g nm o d u l e ， a n dt h r o u g ht h ee x a m p l et or e a l i z et h ep a r a m e t r i cd e s i g no f b r i d g eb e a r i n g k e yw o r d s ：b r i d g eb e a r i n g ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；u gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ；p a r a m e t e r t r a n s f e r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题的研究意义 第1 章绪论 随着我国社会经济的高速发展，交通运输系统越来越发达，在国民经济中占据着 越来越重要的地位。而桥梁作为交通运输网络中的重要组成部分，广泛存在于公路、 铁路、市政工程等基础设施中。据统计，我国现有各类现代桥梁5 0 万余座。 交通运输系统的不断发展和完善，使得作为其重要组成部分的桥梁建设也得到相 应发展：跨越大江( 河) 的各种长大桥梁项目不断出现，对桥梁支座的承载能力、适 应位移和转角能力的要求不断提高。为了适应这种大型工程项目建设的迫切需求， 与此相适应的各种新型桥梁支座的开发和研究迅速发展起来。特别是交通运输“十二 五”发展规划战略目标的提出，对桥梁支座的设计和制造水平提出了更高的要求。 对于企业来说，随着信息技术的迅猛发展和全球经济一体化进程的加快，现代制 造业企业所面临的环境也发生了重大变化，主要表现为：产品生命周期缩短；交货期 成为竞争的重要因素；用户需求多样化个性化，多品种小批量的订单增加。因此，在 制造企业中全面推行参数化设计技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深 化计算机辅助和系统集成等技术，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，促 进传统机械产业在各方面的技术革新，才能使企业在持续动态多变、不可预测的全球 性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势瞻3 。 再加上不同的桥梁在功能及设计参数上各不相同，对支座尺寸及性能的要求也干 差万别。不同的桥梁需要不同型号的支座，这就导致了支座生产企业经常面临多型号 小批量的订单，设计人员进行重复设计的工作量较大。 因此，进行桥梁支座参数化设计技术平台的研究具有较好的现实意义。通过建立 桥梁支座参数化设计技术平台，可以构建桥梁支座总体及主要部件的参数化设计模 型，形成规范统一的典型支座参数化样机，提高支座结构设计的可靠性，减少设计人 员重复设计工作量，缩短产品研发及制造周期，提高企业的核心研发能力和市场竞争 力。同时，通过桥梁支座的参数化设计技术平台可以实现“虚拟现实 ，提前进行产 品的“样品设计 ，从而使客户从屏幕上看到新产品的外观，便于用户多方面观察和 评审设计产品。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1桥梁支座国内外研究现状 交通运输系统建设的高速发展促进了桥梁技术的日益提高，同时也带来了世界各 国对于桥梁支座的研究与开发的热潮，使得桥梁支座的类型不断增加。英国的工业革 命催生了现代炼钢法，钢筋混凝土的广泛使用为现代桥梁的发展提供了有利条件。早 期的桥梁支座主要采用的就是钢支座。钢支座这种支座类型在制作上比较简单，技术 难度较低，因此在2 0 世纪6 0 年代之前，广泛运用于桥梁建设中。 由于钢支座铸造部件在光、热、潮湿等物理作用下容易产生锈蚀，从而导致支座 的失效，于是从2 0 世纪6 0 年代初起，新型桥梁支座盆式橡胶支座与板式橡胶支座开 始被广泛运用。法国早在2 0 世纪3 0 年代，就已经将橡胶支座运用于小跨度桥梁建设 中。美国、前苏联、日本等国家都属于世界上较早使用板式橡胶桥梁支座的国家。1 9 6 7 年，新西兰研究出铅芯橡胶支座，使得桥梁支座在减震隔震技术上取得突破性进展。 2 0 世纪7 0 年代开始，球形支座被研制出来，由于其各向转动性能一致，广泛适用于 弯桥、坡桥、斜桥、宽桥及大跨径桥和低温地区桥梁建设中。德国对1 9 6 0 - - - 1 9 8 0 年 本国修建的混凝土桥梁支座使用情况进行了统计调查，结果如图1 - 1 所示。由该图可 以看出：1 9 6 4 年之前，德国桥梁全部使用钢支座；盆式橡胶支座于1 9 6 5 年开始使用， 并在桥梁建设中使用占比越来越大；球形支座于1 9 8 0 年开始出现】。德国桥梁支座的 使用情况展示出桥梁支座类型的不断发展与进步。 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研制板式橡胶支座，并从1 9 6 5 年起应用于中小跨度 的公路桥上，1 9 6 8 年以后又开始运用在太原铁路局、上海铁路局、沈阳铁路局等一些 铁路桥梁上。7 0 年代中期以来，为适应我国桥梁建设事业日益发展的需求，铁道部科 学研究院庄军生、夏子敬等科学工作者组织开展了新型桥梁支座的系统研究工作。近 十年中，在大力推广盆式橡胶支座和板式橡胶支座的同时，积极开展球形支座的研制。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 量量量曼量曼曼曼曼量量曼曼曼曼鼍曼量曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼量i i _i i l i l l l l i i 皇曼 测试一修改设计 这样一个过程，并且往往会反复很多次才能设计出合格的产品。这 就导致了传统设计方式效率低，耗费物力财力多，且开发周期长，使得产品上市周期 延长，不利于企业抓住转瞬即逝的市场机遇。 随着计算机技术的迅猛发展，从2 0 世纪6 0 年代开始，基于三维c a d 与c a e 技 术的现代设计技术数字化设计技术产生并迅速发展起来。1 9 6 3 年，美国麻省理工 学院( m i t ) 机械工程系的孔斯( s c o o n s ) 在美国计算机联合会上提交了“计算机 辅助设计系统的要求提纲( a no u t l i n eo ft h er e q u i r e m e n t sf o rac o m p u t e ra i d e d d e s i g ns y s t e m ) 的论文，首次提出了计算机辅助设计( c a d ) 的概念h 1 。1 9 6 5 年， 美国洛克希德飞机公司推出全球第一套基于大型机的商品化c a d 软件系统叫a d a m 。 商品化软硬件的推出促进了数字化设计技术的发展，c a d 的概念逐渐为人们所接受。 2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代，随着个人计算机( p c ) 和工作站的出现，数字化设计 技术开始广泛使用并走向成熟。1 9 8 2 年，美国a u t o d e s k 公司推出基于p c 平台的 a u t o c a d 二维绘图软件，具有较强的绘图、编辑、尺寸标注以及二次开发功能，对推 动c a d 技术的普及发挥了重要作用。1 9 8 8 年，美国参数技术公司( p t c ) 推出的p r o e 产品，具有数字化、基于特征以及单一数据库等优点，使得设计过程完全具有相关性， 既保证了设计质量，也提高了设计效率。随后，c a t i a 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d g e 、 u g 、i n v e n t o r 等各种优秀的c a d 软件相继出现并在各行业中得到了广泛的应用，成为 现代设计技术中不可或缺的先进工具，推动数字化设计技术取代传统的设计技术。 我国数字化设计技术的研究和应用普遍晚于国外。针对传统的手工绘图模式，在 国家“六五 、“七五 、“八五”计划和国内企业开展数字化设计技术应用的基础上， 原国家科委及时提出“甩掉绘图板 的目标。国家科技部也曾提出“到2 0 0 0 年，机 械制造业应用数字化设计技术的普及率达7 0 以上，c a d c a m 的应用水平达到国外工 业发达国家8 0 年代末、9 0 年代初的水平。” 进入9 0 年代以后，随着改革开放的深入和经济全球化，我国在数字化设计领域 迅速与世界接轨。以清华同方、北航海尔、华中天喻等为代表的公司开发出的国产c a d 支撑软件及应用软件得到广泛应用。其中，二维c a d 软件的功能与世界知名软件相当， 且更深刻地满足国内客户的需求和提供更富个性化的实施策略；以北航海尔( c a x a ) 为代表的国产三维c a d 软件功能逐步完善，并具有一定的市场占有率，开创了具有自 身特色的技术创新道路，为我国的数字化设计技术的发展做出了重要贡献。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 1 3 本文研究的主要内容 本文拟在深入分析当前桥梁支座设计现状及面临问题的基础上，结合现代设计方 法，将数字化设计技术引入到桥梁支座的设计当中，以u g o p e n 为开发工具，以 m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 8 为开发环境，构建桥梁支座总体及主要部件的参数化 设计模型，建立桥梁支座参数化设计模块，以实现桥梁支座的参数化设计，减少设计 人员重复设计工作量，提设计效率。 1 、对桥梁支座结构特性和传统设计流程进行分析，针对其中存在的重复设计工 作量较大的问题，提出将基于u g 的参数化设计技术用于桥梁支座设计，以改进传统 设计中存在的弊端。 2 、对选定的桥梁支座进行参数化研究，建立支座参数关联关系，基于u g w a v e 技术和表达式建模技术实现了桥梁支座的参数化建模，并建立桥梁支座参数化设计系 统总体框架。 3 、研究参数化设计系统开发技术，利用u g o p e n 二次开发工具、v i s u a ls t u d i o 2 0 0 8 开发环境和m i c r o s o f ta c c e s s 数据库，开发出完整的桥梁支座参数化设计模块， 并通过实例实现桥梁支座的参数化设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 第2 章桥梁支座结构特性及设计流程分析 2 1 桥梁支座概述 支座是桥梁系统的重要组成部分，起着连接桥梁上部结构和下部结构的作用。其 架设于桥梁墩台上，顶面支承桥梁上部结构，承受作用在桥梁上部结构的各种载荷。 在载荷、温度、混凝土收缩和徐变作用下，桥梁支座能够适应桥梁上部结构的转角和 位移，将桥梁上部结构的反力和变形可靠地传递给桥梁的下部结构，使桥梁上部结构 可以自由变形而不产生额外的附加内力1 。 桥梁支座起着传递载荷、承上启下和协调自身运动的作用，其能否正常工作对桥 梁的安全运营有着至关重要的影响因此，其必须具满足以下作用和功能要求： ( 1 ) 、必须能够支承从上部结构传递的恒载、活荷载等垂直载荷和风力等因素产生的 横向载荷，并安全可靠地传递到下部结构( 墩、台) 。 ( 2 ) 、必须适应由活荷载和温度变化产生的上部结构水平位移和由挠度产生的支点转 角变位。 ( 3 ) 、为了提高地震时整个桥梁的抗震性能，支座应具有减震和隔震性能，即在地震 和风力( 如台风) 等作用下，具有适应瞬时大变位的作用。 ( 4 ) 、具有安装、维护和更换的方便性。 ( 5 ) 、在车辆行驶作用下具有缓冲作用1 。 2 2 桥梁支座分类 一 随着科学技术的不断发展，桥梁支座从选材到作用都在不断变化与进步。目前的 支座种类繁多，结构各异。根据不同的划分标准，桥梁支座被划分为不同的类型。首 先，根据支座采用的材料进行分类，可将其分为：钢支座、橡胶支座、聚四氟乙烯支 座、混凝土支座、铅支座等；其次，根据支座变型的可能性大小，可将其分为：固定 支座、单项活动支座、多向活动支座；再次，根据支座的特定结构形式，可将其分为： 弧形支座、摇轴支座、辊轴支座、盆式橡胶支座、板式橡胶支座、球形支座以及双曲 面支座等1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 钢支座 钢支座具有承载能力强的特性，它主要是通过钢部件在中间部位的滚动、滑动、 晃动等来实现桥梁支座的转动以及位移变化的一种支座。钢支座在2 0 世纪6 0 年代以 前被广泛使用于我国公路以及铁路桥梁上，在我国交通运输桥梁建设中发挥了巨大的 作用盯。但是，钢支座本身还是具有一些缺点，主要体现在：一方面钢支座一般架构 尺寸较大，耗材多。另一方面钢支座在外部气候温度等因素影响下易锈蚀，维护起来 比较困难，成本较高。而且由于刚度过大给桥梁下部造成较大压力，从而较易损坏桥 梁下部结构。现阶段，钢支座已逐渐被其他种类支座所取代。 卜基层钢2 一硬层钢3 一不锈钢 图2 - 1 钢支座 2 板式橡胶支座 2 0 世纪6 0 年代以后，板式橡胶支座开始被普遍使用。如图2 - 2 所示，板式橡胶 支座主要是通过将许多层橡胶片与薄钢板进行组装，并在钢板和各层橡胶之间通过使 用胶粘剂，对胶粘剂进行加压硫化使钢板与橡胶牢牢地融合为一体。板式橡胶支座具 有以下几个特点：首先这种支座在水平方向具有较大的柔性，在使用车辆制动力、混 凝土收缩、温度和徐变以及活荷载作用下能够实现梁体的水平位移，而且该支座的厚 度更够适应梁体转角的需要；其次该支座在竖直方向上则具有足够的刚度，在最大的 竖直方向作用力下能够保证只发生较小的压缩变形盯1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 图2 - 2 板式橡胶支座 - 3 盆式橡胶支座 在板式橡胶支座的使用过程中，人们通过不断的技术改进从而产生了一种新的支 座盆式橡胶支座。盆式橡胶支座的运作原理主要是：在钢制盆腔内设置橡胶板， 通过橡胶板承压和转动，并用不锈钢板和四氟乙烯板之间的平面滑动来满足桥梁的位 移要求。由于橡胶板设置于钢制盆腔内，在三向应力的状态下，相比于板式橡胶支座， 盆式橡胶支座的承载能力大大提高。同时，钢盆中的橡胶在三向应力作用下具有类似 液体的特性，能够促使桥梁部件灵活地转动的起来。盆式橡胶支座由于结构较紧凑、 建筑高度低、承载能力大、转动灵活、容许支座位移量大等优点，更加适用于大吨位 的桥梁结构似1 。其结构如图2 - 3 所示。 1 下支座板2 承压橡胶板3 黄铜紧固圈4 密封圈i5 中间钢 衬板6 上支座板7 中问滑板8 密封圈9 聚四氟乙烯扳 图2 - 3 盆式橡胶支座 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 4 球形支座 球形支座是在盆式橡胶支座的基础上发展而来的一种性能更加优越的新型支座， 一般由下支座凹板、球面衬板、聚四氟乙烯滑板( 平面、球面各一块) 、上支座板等 部件组成。其工作原理是：通过上支座板的不锈钢板与平面四氟板之间的滑动来满足 支座的位移需要；通过下支座凹板与球面四氟板之间的滑动来满足桥梁大转角的需 要，适应桥梁多向转动的要求擒1 。其结构如图2 4 所示。 球形支座传力可靠，转动灵活，既具备盆式橡胶支座承载能力大、位移量大的特 点，又能够较好地适应支座大转角的需要。 ， 2 3 桥梁支座结构特性 图2 3 球形支座 f 支成板 桥梁支座经过长期的发展，已经由初期最简单最基本的功能逐步完善，形成具有 现代化功能要求的支座。现代支座的一般结构与功能如图2 4 所示。 广支承垂直力功能接触结构，传递结构 广载荷的传递结构1 l l - 支承水平力功能接触结构，传递结构 r 一基本功能1广水平移动功能剪切结构，滑动结构等 i l 适应变形结构 一 ，il - 转动功能弹性变形，滚动结构等 ) 一、厂一历程阻尼历程阻尼结构 支座的功能lj i厂减震结构弋 黏性阻尼黏性阻尼结构 l 抗震附加功能一 l 摩擦阻尼摩擦阻尼结构 l 隔震结构一滑动型精动结构 剪切型剪切结构 图2 4 支座的功能与结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 1 载荷传递结构 ( 1 ) 垂直力支承机构 垂直力支承结构是将上部结构的垂直力可靠地传递到下部结构的结构。其接触形 式一般有面接触、线接触和点接触三种。其中，面接触又分平面接触、圆柱面接触、 球面接触和其他接触。作为用于承受上下部结构和支座垂直力的结构，平面接触力学 性能最安全可靠。采用曲面接触时，接触面的滑动可以兼作转动机构；线接触结构既 可滚动也可兼作转动和水平移动机构凹3 。 ( 2 ) 水平力支承机构 作用在支座的水平力，一般在上部结构与下部结构之间的作用线的滑动面上。因 此，水平力的支承结构往往由多个结构组合而成。在接触面上，由于与水平方向接触 面的摩擦也是传递载荷的机构，可把垂直支撑力的结构合并考虑。 2 适应变形的结构 ( 1 ) 水平移动机构 水平移动机构是为适应在支座处产生的水平力，作为吸收上部结构与下部结构相 对变形的结构。其一般有滚动、平面滑动、曲面滑动、剪切变形等几种形式。圆柱的 滚动和滑动形式，抵抗力小，任何方向变位的适应性优越。因为滚动方向性极强，所 以设计施工时移动方向应与结构所约束方向一致。 ( 2 ) 转动机构 转动机构是为适应在支座处产生的转动，作为吸收上部结构与下部结构相对变位 的结构。其一般有滚动、圆柱面滑动、球面滑动、弹性转动变形等几种形式。滚动形 式的转动机构阻力最小，方向性较强。弹性转动形式转动机构主要材料是橡胶，其利 用的是橡胶受压可产生较大弹性变形的特性。 3 减震结构 作为在地震时具有减震功能的支座结构有历程衰减结构、摩擦衰减结构、黏性衰 减结构等。这些结构都会吸收地震时产生的振动能量。仅仅采用衰减结构时会存在较 大的残余变形，所以通常与橡胶的水平弹簧等多个结构合并使用。 ( 1 ) 历程阻尼结构 历程阻尼结构是利用材料力学的非线性阻尼结构，根据弹性变形与塑性变形的反 复作用吸收振动能量。通常采用刚才、铅等金属材料和应力一应变特性强并具有非线 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 性高阻尼橡胶等作为原材料使用，其阻尼性能可以通过构件的非线性特性和截面面积 的增减进行控制。 ( 2 ) 黏性阻尼结构 黏性材料，如油和特殊聚合物等，是利用速度比例增加抵抗力的减震结构，可以 根据材料黏性和阻尼孔开口度的增减来调节其抵抗力。 ( 3 ) 摩擦阻尼结构 摩擦阻尼结构是利用摩擦力与移动方向相反方向作用的减震结构。根据接触面的 材质和适当选择粗糙度调整摩擦系数就可以控制减震性能固1 。 4 隔震结构 隔震结构是将上部结构支承在水平方向柔性的下部结构上，以加长固有周期、降 低地震影响力的结构。一般有利用滑动变形和剪切变形的两种形式。 2 4 桥梁支座设计流程 在传统的桥梁支座设计中，一般需要经过如下流程： 1 、支座选型：设计部门根据市场或客户需求接受设计任务，进行需求分析，根 据产品需要实现的功能，确定选用支座的类型，如固定支座、单向活动支座、多向活 动支座、可调高支座等；根据产品需要实现的性能，确定选用支座的种类，如板式支 座、盆式支座、球形支座、减隔震支座等。 2 、受力分析和位移分析：支座在使用过程中受力情况较为复杂，因此在设计前 必须对其进行受力分析和位移分析，求得支座上所承受的竖向力和水平力，以及需要 适应的转角和位移，并以此为依据作后续设计，才能保证设计出的产品能够满足使用 需求。， 3 、设计计算：根据选型结果，查询相应种类支座的设计规范和国家、行业标准， 结合受力分析和位移分析的结果进行设计计算，确定出产品的初步参数。 4 、详细设计：根据前期选型和设计计算结果，由设计人员进行详细设计，包括 结构形式、材料选用、部件设计、装配等，最终形成工程图样。 5 、样品试制：由生产部门根据设计出的工程图样和相应的工艺方法，对采购的 毛坯零件进行试生产，将加工出的零部件组装成样品，同时在此过程中检验产品设计 在工艺上的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 6 、分析校核：桥梁支座是桥梁系统的关键部位，其可靠性至关重要。因此在设 计过程中必须要对设计方案的样品进行强度、刚度和稳定性的分析校核，确保设计出 的产品满足使用条件和设计要求。 传统的桥梁支座设计过程存在以下几方面的不足： l 、每一个环节都是主要依靠设计者用手工方式来完成。从本质上来说，很大程 度上依赖于设计者直接或间接的经验知识来确定设计方案，绘出产品及部件的装配图 和零件工作图，编写技术文件，从而完成产品设计。 2 、设计者的大部分时间和精力都耗费在装配图和零部件工作图的绘制上，绘图 工作约占设计时间的7 0 左右，因而对产品全局的问题难于进行深入的研究，对于一 些困难而费时的分析计算，常常只得用作图法或类比定值等粗糙的方法，因此具有极 大的局限性。 一 3 、由于桥梁支座订单呈现多型号小批量的特性，导致重复性设计工作量较大， 设计工作周期长，效率低。 鉴于此，本文提出提出将参数化设计技术引入到桥梁支座的设计当中，对桥梁支 座进行参数化研究，建立桥梁支座的参数化模型，开发出完整的桥梁支座参数化设计 模块，实现桥梁支座的参数化设计。这样，能够有效解决传统设计过程中绘图工作占 据过多时间和人力的问题，减少重复设计工作量，提高设计效率，使企业增强对多品 种小批量市场需求的响应能力。 2 5 本章小结 桥梁支座是桥梁系统的重要组成部分。本章主要介绍了桥梁支座的概念、作用及 类型，在此基础上，进一步探讨了桥梁支座各构成部分的特点及功能，以及传统的桥 梁支座的设计过程，为后文对桥梁支座进行参数化设计研究奠定基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章基于u g 的参数化设计技术 3 1 参数化设计概述 产品设计是一个创造性的过程，往往需要经过多次反复的修改、优化、完善，才 能设计出满意的产品。在参数化设计出现以前，机械产品设计主要依靠传统的c a d 设 计方法。传统的设计方法中，模型内部各部分是孤立的，当需要改变尺寸或者其他参 数进行优化时，往往只能将全部设计进行重新绘图，这就导致设计过程中出现大量的 重复劳动，设计效率低下，设计周期长，不能快速响应市场需求。在这种情况下，参 数化设计应运而生，弥补了传统设计方法中的种种不足。 参数化设计的本质是基于一定条件约束下的产品描述表达方法，在部分参数变动 下，系统能够实现几何模型的自动更新。具体是指设计人员根据几何关系和工程关系 来指定设计要求，通过用一组尺寸参数和约束来定义产品的几何图形，当约束或者尺 寸参数的任一因素发生改变时，可以及时改变几何图形进而促使产品几何模型发生相 应的更新n 们。参数化设计的应用可以很大程度地提高模型的生成和改变的速度，广泛 地应用于产品的相似设计、系列设计、变型设计以及专用c a d 系统开发方面。根据参 数化设计对象层次的不同，可将参数化设计分为零件级参数化设计和部件级参数化设 计。 3 1 1 零件级参数化设计 零件级参数化设计是指在单个零件内部，用尺寸参数和几何约束来定义其参数化 模型，通过对约束或参数的更改来达到零件的更新h 钠。该方法是最早提出和完善的参 数化设计方法，在设计中得到广泛使用。 相对而言，零件级参数化设计是比较低级的一种参数化设计，因为其仅仅是通过 几何约束和尺寸约束在零件内部实现了参数化设计。构成零件的基本单元是几何形状 特征，因此，零件级参数化的本质是几何形状特征的参数化。构成形状特征的几何元 素之间的拓扑关系是不变的，通过指定不同的特征参数值来实现几何特征形状的变 化。零件的参数化设计转化为对构成零件的几何特征的参数值进行修改，而不用直接 修改几何元素的相对位置和拓扑关系，大大方便了零件的设计修改过程，提高了设计 效率和准确性3 。 目前，其应用已经比较成熟，绝大多数商用c a d 软件都能实现零件级参数化设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 3 1 2 部件级参数化设计 相对于零件级参数化设计，部件级参数化设计是一种更高级的参数化形式，因为 它不再局限于单个零件的内部，而是针对由多个零件组成的部件进行参数化，强调在 修改某一个零部件的参数化模型时，部件中其它与之相关的零部件间的关联关系，包 括形状关联和尺寸关联，都能够得到同步更新n 羽。 部件级参数化设计的实现是以各组成零件的参数化设计为基础的，但又不是组成 部件的各零件的参数化的简单累加。部件的参数化设计不仅需要解决各组成零件的参 数化设计，还必须解决参数化时的同步更新问题。这里的同步更新，是指当进行部件 的参数化设计时，对其中某一个零件的参数进行更改后，与之相关联的其他零件能够 实现自动更新。同步更新主要有两方面的要求，一是部件参数化设计中，各零件的相 对位置要始终保持正确，二是各零件之间有配合关系的尺寸参数始终保持正确。 部件级参数化设计技术在产品设计过程中显得尤为重要，因为产品的设计是一个 创造性的过程，往往会经历反复修改，不断完善的过程。在设计过程中，如果对产品 中某一个零部件的修改，所有与之关联的零部件都能依据关联关系及时得到更新，这 样就能减少重新绘图的工作量，从而提高产品的设计效率。 3 2 基于u g 的参数化设计技术 u g ( u n i g r a p h i c s ) 是s i e m e n sp l ms o f t w a r e 公司推出的当今世界上最先进的高 端产品工程解决方案之一。其技术先进，功能强大，广泛运用于航空、航天、汽车、 机械、模具、造船等工业领域。世界知名的波音飞机公司、通用汽车公司、贝尔直升 飞机公司等企业，都以u g 作为企业计算机辅助设计、制造和分析的软件平台n 羽。 u g 软件先进的技术和强大的功能促使越来越多的学者开始致力于基于u g 的参 数化设计技术的研究中，目前基于u g 的参数化设计技术主要有以下三种方法： ( 1 ) 使用草图对零件进行参数化设计 草图是某个指定平面上点、线等二位几何元素的总称。草图的绘制是实现u g 参 数化特征建模的基础，通过它可以快速绘制出大概的形状，在添加尺寸和约束后完成 轮廓的设计，能够较好地表达设计意图。在建模时可以用草图曲线来绘制模型的大致 轮廓。通过对截面拉伸、旋转等操作，即可得到相应的参数化实体模型。通过修改草 图的尺寸参数，就可以修改零件模型。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 ( 2 ) 使用表达式对零件进行参数化设计 表达式是参数化设计中的一个重要工具。一般使用表达式来实现零件的尺寸参数 控制。可通过建立相应的算术和条件表达式来实现调整和控制一个零件特征之间的位 置和尺寸关系。同时，表达式还可以控制多个草图之间的相互关系尺寸，使草图之间 产生关联性。使用表达式的优点是能够更加容易地对零件进行修改以及更加方便地实 现零件的系列化生产。通过修改表达式中的任一参数就可改变零件的三维模型的形 状。 ( 3 ) 利用形状约束条件建立截面之间的对应关系来对零件进行参数化设计 对于一些复杂的曲面设计，一般需要首先建立各截面的形状，可通过求出实体平 面、表面、曲线与指定平面之间的交线或交点，利用几何形状约束条件以及这些交点 交线建立起截面间的相关关系，由此确立各个截面间的相关参数化关系。通过这种参 数化关系可以实现对其中一个截面进行修改时，整个三维模型都会随之发生变动n 羽。 除了上述基于u g 的参数化设计方法，u g 软件还提供了u g w a v e 技术和表达式建 模技术，为实现部件级参数化设计提供了较好的支持。 3 2 1 u g w a v e 技术 u g w a v e ( w h a ti fa l t e r n a t i v ev a l u ee n g i n e e r i n g ) 技术是s i e m e n sp l m s o f t w a r e 公司推出的总体参数设计技术，该技术可实现相关部件间的关联建模。利用 此技术可以实现在不同部件间建立关联关系，也就是能够通过一个部件的几何体或者 位置去设计另一个部件，是一种全相关的产品级设计技术。并且，部件之间的引用不 是简单的复制关系，当一个部件发生变化时，另一个基于该部件的特征所建立的部件 也会发生相应的变化。由于u g w a v e 技术的运行原理，使得该技术具备了许多优点。 比如：运用该技术建立关联集合对象可以减少修改设计的成本，保持设计的一致性； 其次，由于该技术能够实现产品的装配与控制结构同步并行设计，在很大程度上提高 了产品的设计效率m 1 。 u g w a v e 技术提供了一系列工具，包括：w a v e 几何链接器、部件间链接浏览器、 关系浏览器、关联性管理器和加载部件间数据等，以此来建立部件间关系以及了解、 控制和管理依附性。这些工具在装配下拉式菜单上调用，如图3 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 工具瞧) 臣回堡璺里 n 遘 关麟制q 组件屯) 迂参j 爆炸图q ) - oj 扩顺序匿) 分析睡) 首选项哩) 窗口迥) 帮助也) i 墨q 萱蚕蜃蚕固i i 敏：麓 高级哩 l 畸部件问链接浏览器哩卜注安磊 报告 毫关系浏览器 镭墅墅塑 图3 3u g w a v e 工具 ( 1 ) w a v e 几何链接器 w a v e 几何链接器是允许在部件间选择性地拷贝几何体，建立部件间关系的工具。 最终的几何体被相关地连接到另一个部件的父几何体。用几何链接器，仅拷贝能满足 设计意图的几何体。可以拷贝点、曲线、草图、基准、表面、表面区、实体或镜像体。 ( 2 ) 关联性管理器 如果一个装配件内包括相关部件间关系，编辑在一个部件中的几何体可能潜在地 影响许多其他部件。相关性管理器让你控制这些更新，因而不必等待在作业中所有部 件一次更新。相关性管理器也允许把冻结状态作用到部件，因而当对父几何体做一个 改变时，它们将不被更新，这对发放部件是有用的。 ( 3 ) 部件间链接浏览器 部件连接浏览器允许了解在装配体中部件间的关系。它用于判断什么连接特征是 在一个部件中，什么部件含有连接特征的父几何体。 ( 4 ) 关系浏览器 关系浏览器允许了解在不同部件中几何体间的关系。可以从图形区选择特定的几 何体决定它的父几何体及任一连接到它的其他装载的几何体。 ( 5 ) 加载部件间数据 除非子部件装载( 含有连接几何体) 和父部件( 含有父几何体) 是完全装载外，部件 间的连接将不更新。装载w a v e 数据选项可完全装载含有连接几何体或父几何体的部 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 3 2 2 表达式建模技术 表达式是u g 模型中的一种重要对象，是用于控制部件特性的数值或条件声明。 表达式可以定义和控制模型的很多尺寸，如特征尺寸或草图尺寸。例如某一部件的厚 度可以使用其长度来表达，如果长度发生变换，则厚度会自动更新。因此，在部件的 参数化设计中表达式尤其重要，可以使用表达式来控制部件特征之间或装配体部件之 间的关系n 6 3 。 1 表达式的组成 一个表达式是一个定义关系的声明，所有表达式都有一个数值，表达式的数值将 被赋值给表达式的左方，即表达式的名称。因此，一个表达式是一个形如“n a m e = v a l u e 的名称一数值对，如图3 - 4 所示。表达式的左方被称为l h s ( 1 e f t h a n d s i d e ) ，必须是 一个单一的变量；表达式的右方被称为r h s ( r i g h t h a n d s i d e ) ，可以是一个数值声明 也可以是一个条件声明，可以包括变量、数值和操作法以及它们的组合。系统计算表 达式的m s ，并将其值赋值给表达式的l h s 。 左方右方 ( 表达式变羹) ( 表达式字符串) r b 4 - c 图3 - 4 表达式形式示意 2 表达式的编辑与应用 在u g “建模 应用模式中，选择下拉菜单“工具 一“表达式 可以打开如图 3 - 5 所示的“表达式”对话框，该对话框可以列出当前部件的所有表达式。对话框提 供了一些选项来编辑表达式，如更改表达式的名称，创建表达式等，同时该对话框也 提供了一些选项来控制与其他部件中表达式的链接。 部件间表达式可用于在部件之间建立关联。例如，一个销钉部件被设计为与另一 部件的孔相互配合，此时可以建立销钉参数与另一部件孔参数之间的关联。当孔的直 径被修改后，销钉直径自动更新。单击“表达式对话框上的“创建部件间引用”按 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 画画回 翘圆匝 二二二囝 ，o _ - _ _ - _ _ - 、，_ _ - _ - o ，l _ _ _ - _ _ k 嗣睁舄剥 ，n 癯用一取消一”1 图3 - 5 表达式对话框 钮，系统会显示“选择部件”对话框，使用该对话框选择相关部件，即可在“表达 式列表”对话框中选择表达式以创建引用。 几何表达式允许用户参考特定几何特征的属性，用于定义特征参数之间的约束关 系。例如，表达式“p 1 6 = b o d y _ m e a s u r e m e n t l o v o l u m e 即为一个几何表达式，该表 达式的值为一部件的体积。 3 3u g 二次开发工具 u g 二次开发工具是建立在u g 软件平台上，根据用户或者企业的要求，为了实现 某种特定的功能，而专门开发的面向用户或企业的软件。目前u g 二次开发工具包括 有：u g o p e nm e n u s c r i p t 、u g o p e nu i s t y l e r 、u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 。这 些开发工具相互间能实现调用。比如：u i s t y l e r 开发的对话框能被m e n u s c r i p t 开发 的菜单以及工具条调用：u g o p e na p i 和u g o p e ng r i p 开发的程序可被m e n u s c r i p t 和u i