第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景与意义
自二十世纪九十年代开始，在中国经济发展的过程中，公、铁路运输扮演着十分重要的角色。公、铁路的建设是一项利国利民的大工程，有利于改善大众的出行方式，提高物流运输的效率，加快城镇化发展，从而推动社会经济的快速发展。长时间以来，我国经济发展的需求不能被当下的运输条件所满足。在春节、国庆、暑假等特殊节假日，人流量十分大，致使铁路运输情况紧张。因此为了满足实际需要，应当加快公、铁路建设，进一步提高运输能力。在 2013 年公布的《国家公路网（2013~2030）》中规划国家公路总线路长为 40.1 万公里。在原来“四纵四横”的基础上，2016 年铁路网规划中提出了构建“八纵八横”的方案[1]。截止 2020 年末，运输线路总长已达 15 万公里，其中高铁占比高达 25% [2]。而建设这些公、铁路需要穿过高山、河流、深谷等复杂的地形，经受恶劣多变的施工环境，一般采用预制方案[3]。预制法是由工厂加工梁片，在施工现场进行安装[4]。因其性能优、方便高效、成本低等优点被普遍应用于实际工作之中，同时对施工的起吊设备提出了更高要求。对已经建设完成的高铁线路进行统计得知，50%以上里程的线路采用了钢筋混凝土的预制箱梁。在架设山区或不是平原地区的高速铁路时，线路的规划设计上应用了数量庞大的隧道和桥梁，因此相继出现了大纵坡桥、大横坡桥、斜桥、小曲率圆弧桥等桥。而这些特殊的桥梁架设工况，对架桥设备的性能提出了新的挑战。
架桥机是在桥梁结构上沿纵向自动变换支承位置的设备，主要用于将预制桥梁的梁体安装在桥墩的指定位置上[5]。现有的各种结构形式的架桥机在桥梁架设施工中被广泛应用，但是对于大纵坡桥、大横坡桥、斜桥、小曲率圆弧桥等桥型的桥梁架设受到了制约[6]。在这些工况中，操作人员与技术人员普遍是根据以往的经验，利用架桥机主梁的弹性变形以及相应支腿部件行走机构的不同步产生的干涉方式强制调整架桥机的姿态以满足施工需求[7]。这样的操作使用严重损坏了架桥机设备的完好程度，预埋了设备事故隐患，极易造成严重的设备和人身事故。为了满足大纵坡桥、大横坡桥、斜桥、小曲率圆弧桥等多工况桥梁架设，设计了一款面向多工况的双梁架桥机。目前，设计人员多采用类比与经验的方法对架桥机进行结构设计，设计的周期比较长，且精度差，从而导致架桥机的体积大，质量重。针对以上问题。通过对实际作业时处于不同危险工况下的架桥机进行理论分析，并应用 ANSYS Workbench 进行静力学与动态性能仿真，将静力学的理论结果与仿真结果相互对比，校核架桥机结构满足刚度与强度。然后结合动态分析结果，验证架桥机结构设计的合理性。最后对架桥机进行结构轻量化设计，降低制造加工的成本，降低材料能耗，提高产业效益，为其他类型的架桥机结构设计与优化提供参考。
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1.2 架桥机的分类与发展现状
1.2.1 架桥机的分类
架桥机是一种将架设的预制梁段安装到指定位置的大型桥梁施工设备，在架桥的效率与速度方面具有很大优势，但对于架桥机的工作条件要求严格。受施工环境与地形的限制，以及不同的梁跨、梁片质量等方面的影响，因此设计出多种类型的架桥机。架桥机的结构类型应根据施工现场的地形情况以及架设桥梁的形式进行设计。因此，可将架桥机进行如下分类如图 1-1 所示[8，9]。
图 1-1 架桥机类型
第 2 章 双梁架桥机结构设计与作业工序
2.1 双梁架桥机结构布置
架桥机设备广泛应用于桥梁架设之中，架桥机结构都包括主梁、支腿与吊梁天车。目前架桥机分为单导梁架桥机与双梁架桥机，单导梁架桥机结构紧凑，双梁架桥机相比于单导梁架桥机承载能力强，稳定性好且载荷分布均匀，调整更加灵活，便于架设大纵坡桥、大横坡桥、斜桥、小曲率圆弧桥等特殊桥型。架桥机主梁选择三角桁架结构，由腹杆、上弦杆、下弦杆和销轴板等组成，在上弦杆与下弦杆间焊接筋板，便于增加主梁的刚度。三角桁架式主梁相较于箱型梁，其迎风面积小，稳定性好，自身质量也更轻。此架桥机桥架的前后主梁和左右横梁可根据架设要求拉成平行四边形，其使用转向座联接提梁小车等连接部位，且可调整主梁之间与上、下横梁的宽度。通过调整连接处的角度架设桥梁，使架桥机满足架设小曲率圆弧桥梁的需要。双梁架桥机结构主要包括操作平台、电气系统、后横联、后支点装置、中支点装置、提升小车总成、纵导梁总成、前支腿总成、横移机构、前辅助顶杆、液压系统等，如图 2-1 所示，双梁架桥机总体布置如图 2-2 所示。
图 2-1 双梁架桥机示意图（单位：mm）
2.2 双梁架机的主要性能参数
双梁架桥机的主要性能参数如表 2-1 所示。
表 2-1 双梁架桥机主要性能参数
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第 3 章 双梁架桥机结构设计计算 .................................... 23
3.1 许用应力法 ............................................ 23
3.2 主梁结构设计计算 ..................................... 24
第 4 章 架桥机主梁结构动静态有限元分析 ................................... 39
4.1 有限元分析方法 ........................................ 39
4.2 主梁结构静态分析 ....................................... 39
第 5 章 基于响应面的主梁结构多目标优化设计 .................................... 53
5.1 优化设计理论 ....................................... 53
5.1.1 优化设计三要素 .............................. 53
5.1.2 优化设计方法 ................................... 54
第 5 章 基于响应面的主梁结构多目标优化设计
5.1 优化设计理论
5.1.1 优化设计方法
最优化方法是为了求解系统的最优目标。经典的优化算法可以求解得到优化目标的最佳结果，对于一些简单的优化问题有效。但是经典算法却无法解决复杂的函数关系问题，比如具有多个极值、变量与变量之间不能用线性关系表达等问题。为了解决此类优化问题，研究人员设计出新的算法——智能优化算法。该算法主要是对实际问题研究改进得到的，通过程序来模拟自然界的一些特殊现象或者是进化过程。下面将简单介绍几种常用的智能优化算法：
（1）粒子群优化算法
粒子群优化算法是一种研究鸟群获取食物行径的方法。当鸟类寻找食物时，搜索到距离食物最近的鸟的范围就是最便捷的觅食方法。鸟类之间通过信息分享，将觅食过程从没有顺序转变为有序，最终得到最优结果。该算法参数较少，寻找范围大，记忆性高，运算速度等优点。但粒子群初始化流程是随机的，使个体质量得不到保证，且求解局部最优的能力比较差。
（2）模拟退火优化算法
模拟退火优化算法源于物理上固体降温的模拟，并与求解优化问题的过程相结合。该算法使用比较灵活，受最初的条件限制较少，比较通用和容易实现。但是优化过程长，收敛速度比较慢，不容易控制其参数。
（3）蚁群优化算法
蚁群优化算法源于对蚁群觅食行为的模拟。蚂蚁前行时通过感知她之前在这一路径留下的外激素物质获得路径方向，物质浓度越强，蚂蚁越倾向于此方向。蚂蚁根据外激素分享信息获取食物。该算法可以实现全局优化，分布式计算，容易与其他优化算法相结合求解。但更适用于求解路径规划问题，且正反馈易使求解出现停滞，所花费成本较大。
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结论
1、总结
为满足架设大纵坡桥、大横坡桥、斜桥、小曲率圆弧桥等桥梁的工艺要求，设计了一款双梁架桥机，首先对双梁架桥机的结构组成、主要性能参数与架设不同桥型的作业工序进行介绍，采用许用应力法进行结构设计，并利用有限元软件对双梁架桥机的主梁进行静态、模态与谐响应分析，用以验证结构设计合理性，最后对主梁进行优化设计，并对优化后主梁进行仿真分析，确保结构优化设计的合理性。通过对全文的概述总结，得出以下结论：
（1）对架桥机的主要性能参数与结构组成，以及各结构的部件组成与工作原理进行说明，对于架桥机架设直桥、坡度桥与斜桥的作业工序进行了详细描述。
（2）通过采用许用应力法对双梁架桥机进行结构设计，并对架桥机结构的强度、刚度与横向、纵向的抗倾覆稳定性方面进行理论计算，得到架桥机各部件满足许用要求，设计合理。
（3）通过使用有限元软件对双梁架桥机主梁进行静态与动态特性分析。选取架桥机过孔与架梁作业中的悬臂工况、跨首工况、跨中工况、跨端工况与边梁工况下的主梁进行静力学仿真，根据这五种典型工况仿真结果对比分析得到，悬臂工况时主梁的变形值最大，最大变形值为91.133mm 小于许用刚度103.9mm ；而在边梁工况时主梁的应力值最大，最大应力值为161.74MPa 小于许用强度 220MPa 。选取架桥机悬臂工况与架梁工况下的主梁进行模态与谐响应分析。在模态仿真中查看前 6 阶主梁的模态结果，得到两工况垂直方向的最小固有频率小于 2Hz。谐响应分析得到架梁工况垂直方向频率为 3.44Hz 响应最大，架桥机工作时应避免此频率的外载荷出现。综上可知架桥机结构设计合理，符合要求。
（4）对双梁架桥机进行轻量化设计。选择主梁上、下弦杆的板厚与腹杆的钢管厚度作为设计变量，设定主梁质量、悬臂工况的主梁的最大变形、边梁工况下主梁的最大应力及架梁工况时第三阶模态频率为目标函数，在满足许用要求的情况下，基于响应面模型分别与 MOGA、Screening 算法相结合的方法对主梁结构进行多目标优化设计，对比分析两种算法的优化方案得到多目标遗传算法可使质量更轻。选择 MOGA 求解的方案 1，更改模型尺寸进行仿真验证。优化后的架桥机主梁结构质量减轻了 9.8%。最后对优化后的主梁结构进行仿真分析，验证设计的合理性。
参考文献（略）