MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN 1896-771X 33, s. 95-100, Gliwice 2007 NUMERYCZNA SYMULACJA PRACY MOSTU NOŻYCOWEGO WIESŁAW KRASOŃ, ŁUKASZ FILIKS Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowane, Wojskowa Akademia Techniczna, e-mail: wkrason@wme.wat.edu.pl Streszczenie. Mosty nożycowe są wysoko mobilnymi konstrukcjami modułowymi. Do budowy takich konstrukcji można zastosować przęsła mostu BLG (oznaczenie producenta). Jeden moduł-przęsło takiego mostu składa się z dwóch członów (gotowych jezdni wraz z konstrukcją nośną) połączonych złączami sworzniowymi. Ze względu na specyfikę konstrukcyjną (obiekt cienkościenny) i złożoność modułowej budowy (wielowariantowość zestawień), sposób łączenia, ruchomość elementów mostu względem siebie, występowanie luzów montażowych, analiza wytężenia takich obiektów jest mocno utrudniona. Tradycyjne metody stosowane w projektowaniu i w badaniach takich mostów sprowadzają się w dużej mierze do metod analitycznych.. Ze względu na wysokie koszty badań eksperymentalnych takich obiektów, a często również brak możliwości ich realizacji w warunkach rzeczywistych, w pracy omówione będą wybrane aspekty symulacji komputerowych pracy mostu nożycowego. Zaprezentowane będą modele geometryczne 3D oraz modele powłokowo-bryłowe pojedynczego przęsła mostu BLG. Modele takie zastosowane będą w symulacjach kinematyki procesu montażu i demontażu oraz w analizie wytrzymałości badanego mostu nożycowego. 1. WSTĘP Pod pojęciem mostu nożycowego [1] rozumiana jest wysoko mobilna konstrukcja modułowa transportowana na podwoziu samobieżnym i przerzucana automatycznie w bardzo krótkim czasie przez przeszkodę terenową. Jedno przęsło takiego mostu rozkładane jest za pomocą mechanicznego układacza, transportowanego na podwoziu samobieżnym razem z dwoma gotowymi, identycznymi segmentami, połączonymi złączami sworzniowymi (rys. 1). Standardowa konstrukcja jednoprzęsłowa wojskowego mostu nożycowego BLG, produkowanego w kraju na warunkach licencji, umożliwia organizowanie przepraw doraźnych o długości do 20m i nośności 500kN. Pojedyncze przęsła mogą być łączone w mosty dwu- lub trzyprzęsłowe, w tym także w zestawy z zastosowaniem dodatkowych podpór. Podpory te mogą być stałe, regulowane, a także pływające. Mosty takie mogą być zestawiane w zależności od doraźnych potrzeb, warunków terenowych i rodzaju przeprawianego sprzętu, w tymczasowe przeprawy o dowolnej długości, różnych konfiguracjach i o pożądanych charakterystykach technicznych. Mogą służyć do przeprawy pojazdów gąsienicowych lub kołowych.
96 W. KRASOŃ, Ł. FILIKS Rys. 1 Widok ogólny przęsła mostu BLG na podwoziu gąsienicowym podczas rozkładania do położenia roboczego nad przeszkodą terenową Ze względu na specyfikę konstrukcyjną takich obiektów przydatnych w specjalnych warunkach przepraw doraźnych, wspomnianą dużą różnorodność schematów konstrukcyjnych mostów nożycowych, zestawianych jako obiekty jednoprzęsłowe lub wieloprzęsłowe, z podporami pośrednimi stałymi, regulowanymi oraz pływającymi, konieczne jest określenie zakresu i możliwości modernizacyjnych istniejących konstrukcji, wykonanie badań konkretnych wariantów eksploatacyjnych takich zestawów, w których zostanie uwzględniona ich specyfika konstrukcyjna, a więc przede wszystkim: modułowość budowy, połączenia ruchome poszczególnych składników zestawu, luzy montażowe w złączach i różnorodność obciążeń towarzyszących wykorzystaniu tego typu przepraw. Ze względu na wysokie koszty badań eksperymentalnych oraz pewną nieefektywność metod tradycyjnych stosowanych w projektowaniu i diagnozowaniu tak złożonych konstrukcji, w pracy będą wykorzystane symulacje komputerowe do wielowariantowych analiz konstrukcyjno eksploatacyjnych [2]. W pracy omówiono wybrane aspekty symulacji kinematycznych i analiz wytrzymałości mostu nożycowego BLG oraz zastosowane w nich modele numeryczne badanej konstrukcji. Do symulacji kinematycznych procesu rozkładania z pozycji transportowej do położenia roboczego przęsła zbudowano model sztywny i zastosowano program MSC Visual Nastran4D. Analizowano parametry opisujące ruchy poszczególnych członów kompletnego układu oraz wytężenie węzłów połączeń w wybranych fazach procesu rozkładania. 2. MODEL GEOMETRYCZNY MOSTU NOŻYCOWEGO Rozważany most nożycowy jest cienkościenną konstrukcją o specyficznej, z punktu widzenia wytrzymałości, budowie. Składa się z dwóch rozdzielonych, gotowych odcinków jezdni usytuowanych równolegle względem siebie (rys. 1, 2a). Każda z tych części mostu zbudowana jest jako samonośny dźwigar złożony z dwóch segmentów o jednakowej długości, stanowiącej połowę długości kompletnego przęsła. Poszczególne segmenty połączone są ze sobą parami jak na rys. 1 za pomocą ruchomych złączy sworzniowych (rys. 2b). Dwa złącza sworzniowe zabudowane w połowie długości przęsła (rys.2a, b) zapewniają połączenie segmentów dźwigara w kompletne tory jezdne. Jednocześnie umożliwiają one wykonanie
NUMERYCZNA SYMULACJA PRACY MOSTU NOŻYCOWEGO... 97 wzajemnych obrotów członów mostu względem siebie i zmianę położenia elementów przęsła względem podwozia transportowego o zmniejszonych rozmiarach. a). Złącze sworzniowe Tor jezdny b). c). d). Rys. 2a). Widok złożeniowy mostu BLG w położeniu rozłożonym, 2b). złącze sworzniowe, 2c), 2d) stężenia pomiędzy dźwigarami mostu W omawianym moście płaszcz zewnętrzny dźwigarów wykonany jest z blachy, połączonej spoinami z elementami struktury wewnętrznej. W płaszczyźnie górnej dźwigarów poszycie wraz z dodatkowymi usztywnieniami stanowi gotową jezdnię (rys. 2a). Poszczególne segmenty stanowiące parami dźwigary i gotowe jezdnie mostu są zbudowane w większości jako cienkościenne konstrukcje złożone ze szkieletu struktury wewnętrznej oraz płaszcza zewnętrznego. Szkielet struktury wewnętrznej dźwigara wykonany jest w postaci połączonych za pomocą spoin usztywnień poprzecznych i żeber oraz usztywnień wzdłużnych w postaci podłużnic, jak pokazano na rys. 3b. W celu opracowania modelu do analiz numerycznych rozważanej konstrukcji zbudowano za pomocą programu Autodesk Inventor Professional v10 wirtualny model geometryczny mostu BLG, zaprezentowany na rys. 3a, b. W pierwszym etapie prac skonstruowano parametryczny model 3D mostu. Wykorzystano w tym celu szczątkową dokumentację konstrukcyjną oraz wyniki pomiarów wykonanych na istniejącym obiekcie rzeczywistym. Ponieważ, jak wzmiankowano powyżej, rozważany most jest typową konstrukcją cienkościenną, wykorzystano specjalizowany moduł tego oprogramowania, przeznaczony głównie do modelowania konstrukcji cienkościennych, który w znaczny sposób ułatwiał, a tym samym przyspieszał proces powstawania modelu 3D.
98 W. KRASOŃ, Ł. FILIKS a). b). Rys. 3a). Widok modelu geometrycznego mostu nożycowego w pozycji transportowej 3b).Widok modelu powierzchniowego i usztywnień wewnętrznych w pojedynczym segmencie 3. ANALIZA KINEMATYCZNA MOSTU NOŻYCOWEGO Przedstawiony model geometryczny 3D zastosowano w analizie kinematyki układu mostu nożycowego. Badania kinematyczne umożliwiły sprawdzenie poprawności wzajemnych ruchów podzespołów układu w procesach zmian położenia przęsła podczas jego rozkładania i składania, analizy parametrów ruchu, a także kolizji pomiędzy poszczególnymi elementami kompletnego mostu. Do wykonania analizy kinematycznej mostu wykorzystano program MSC Visual Nastran 4D [3]. W analizie numerycznej wykorzystano, opisany powyżej, geometryczny model bryłowy, który importowano do środowiska Visual Nastran. Przed wykonaniem przeniesienia modelu geometrycznego do środowiska Visual Nastran uproszczono go, eliminując elementy, które nie mają bezpośredniego wpływu na wyniki analizy numerycznej. Masę obiektu zdefiniowano, wykorzystując wyniki uproszczonych obliczeń charakterystyk masowych zrealizowanych programem Inventor. Analizę numeryczną wykonano dla jednego pasa jezdni (toru jezdnego mostu), biorąc pod uwagę fakt, że jezdnie te są symetryczne. Model dwóch segmentów pojedynczego dźwigara w postaci brył sztywnych uzupełniono więzami wewnętrznymi, definiując pomiędzy nimi odpowiednie połączenia kinematyczne. Ponieważ konstrukcja mechanizmu układacza jest złożona i sama w sobie mogłaby stanowić oddzielny obiekt analiz, zastąpiono ją prostszym układem kinematycznym, który funkcjonalnie symulował oddziaływanie rzeczywistego mechanizmu układacza na segmenty dźwigara mostu. Schemat zastosowanego zastępczego mechanizmu układacza wraz ze zdefiniowanymi połączeniami kinematycznymi przedstawiono na rys. 4. Ruch obrotowy ramienia układacza w zrealizowanej analizie wymuszono za pomocą silnika obrotowego, dla którego zdefiniowano funkcję przemieszczenia kątowego w czasie. W analizie uwzględniono najkrótszy eksploatacyjny czas rozkładania mostu, czyli 180 sekund. W podobny sposób zdefiniowano połączenie w przegubie głównym, używając do tego połączenia obrotowego oraz silnika obrotowego. Wymuszenie silnika zastępowało pracę lin, które obracają jednym z dźwigarów. Celem wykonanej analizy numerycznej było wyznaczenie reakcji w podporach, określenie przyspieszeń oraz zmian położenia wybranych elementów podczas procesu rozkładania mostu. Położenie elementów badanego układu podczas procesu rozkładania określane jest względem lokalnego układu współrzędnych, zlokalizowanego na końcu dźwigara.
NUMERYCZNA SYMULACJA PRACY MOSTU NOŻYCOWEGO... 99 Na rys. 6a i 6b przedstawiono odpowiednio zmianę położenia segmentu dźwigara opisaną współrzędną pionową oraz przebieg zmian wartości siły reakcji w przegubie głównym dźwigara w czasie trwania operacji rozkładania mostu. Wartość maksymalnej siły reakcji działającej na połączenie sworzniowe dźwigara nie przekracza wartości 15kN. Dźwigar_1 Połączenie obrotowe_1 Ramię układacza Napęd obrotowy Element układacza Dźwigar_2 Połączenie obrotowe_2 Rys. 4 Zastępczy mechanizm układacza w modelu kinematycznym pojedynczego toru jezdnego mostu nożycowego Rys. 5a). Widok położenia modelu w 135 sekundzie symulacji procesu rozkładania, 5b). Widok modelu toru jezdnego po zakończeniu procesu rozkładania 4. PODSUMOWANIE W prezentowanej pracy omówiono wybrane aspekty badań numerycznych mostu nożycowego BLG wykonanych w modelu złożonym z brył sztywnych. Celem zrealizowanej symulacji było wyznaczenie parametrów statycznych i kinematycznych wybranych elementów układu podczas procesu rozkładania mostu. W kolejnych etapach badań planowane jest
100 W. KRASOŃ, Ł. FILIKS wykonanie analizy numerycznej mostu metodą elementów skończonych MES. W odkształcalnym modelu przestrzennym MES, uwzględniającym efekty kontaktowe i luz w złączach pomiędzy segmentami dźwigara wyznaczone zostaną przemieszczenia oraz rozkłady naprężeń odpowiadające różnym wariantom obciążeń zewnętrznych mostu. Położenie [m] Położenie dźwigara w funkcji czasu 8 6 4 2 0 0-2 50 100 150 200-4 -6 Czas [s] Siła [N] Rekcja w przegubie w funkcji czasu 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0-2000 0 50 100 150 200-4000 Czas [s] Rys. 6a). Wykres zmian współrzędnej pionowej punktu na końcu dźwigara 6b). Przebieg zmian wartości siły reakcji w przegubie głównym w funkcji czasu trwania rozkładania mostu Podziękowanie Pracę wykonano w ramach Projektu Badawczego N509 017 32/1230 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego LITERATURA 1. Mosty wojskowe. Szefostwo Wojsk Inżynieryjnych.Warszawa 1994. 2. Krasoń W., Wieczorek M.: Wytrzymałość mostów pływających w ujęciu komputerowym. Warszawa: Wyd. BEL STUDIO, 2004. 3. MSC Visual Nastran 4D, Quick Reference Guide 2001. NUMERIACAL SIMULATION OF THE SCISSOR BRIDGE WORKING Summary. Scissor bridges are characterized by high mobility and modular structure. This structure can be composed of spans of BLG bridge which is produced in Poland. Single module-span is consist of two spanning part of the bridge (two main truck and support structure). Between modules of the single bridge span are used pin joints. Traditional methods are used in design and analysis such bridges, but some simplifications in static schemes are needed to introduced. It provides us lesser possibilities in automation of computations and adaptation in numerical analysis. Because experimental study are very expensive and often impossible to carry out, it has been decided to perform numerical investigations. Some aspects of this numerical analysis of scissor bridge operation in this paper will be presented. Geometrical and 3D shell and solid models of one span module of BLG bridge will be discussed. These models will be used in kinematical simulations of the fold and unfold process and strength analysis of the scissor bridge.