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基于3Dmax的隧道衬砌台车协调动作的仿真设计 隧道衬砌

发布时间:2019-02-21 04:43:41 影响了:

  摘要:衬砌台车在隧道设计施工中,机构协调工作是个复杂的过程。本文介绍了种将整个衬砌台车设计、使用进行三维可视化,并针对工作过程的协调性问题进行衬砌过程的仿真的方法。首先设计一台传统全液压自动行走衬砌台车,并用AutoCAD绘制二维零件图,通过运用3Dmax将整个台车主要工作零件进行装配,在3Dmax进行建模组成完整的台车模型,通过3Dmax的动画处理,将起隧道衬砌台车协调动作进行模拟,以直观的动画展示台车的工作流程。
  关键词:仿真 隧道衬砌台车 3Dmax 工程机械
  中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)01-0115-02
  
  1、引言
  衬砌模板台车(简称台车)是浇筑隧洞二次衬砌混凝土的施工设备,配合其它辅助机械,可大量降低劳动力,提高隧洞二衬施工的机械化效率,提升施工进度,具有投入成本低、结构可靠、操作方便、隧洞成型面好等优点,因此,在公路、铁路、水利水电及市政、国防军工等工程施工中广泛应用。而在衬砌台车设计工作中,因台车种类多、设计时间短,用以往的二维绘图软件,设计结果总不尽人意,而且很不直观,容易出错,同时在传统的安装说明也很难表达安装步骤与各部分的安装方法。本文对衬砌台车的设计、安装进行三维可视化,并针对工作过程的协调性问题进行衬砌过程的仿真,有利于对产品进行直观的技术说明,并对技术人员的专业培训提供条件。这也是衬砌台车设计工作中有待解决的问题。
  2、隧道衬砌台车的结构
  衬砌台车是隧道施工过程中二次衬砌不可或缺的非标产品,主要有简易衬砌台车、全液压自动行走衬砌台车如图(图1)和网架式衬砌台车(图2)。全液压衬砌台车又可分为边顶拱式、全圆针梁式、底模针梁式、全圆穿行式等。全圆式衬砌台车常用于水工隧道施工中,不允许隧道有砼施工纵向接缝,在水工隧道跨度较大时一般使用全圆穿行式,边顶拱式衬砌台车应用最为普遍,常用于公路、铁路隧道及地下洞室的砼二次衬砌施工。
  本文设计一全液压自动行走衬砌台车。台车是靠自身具有的支撑体系、模板体系,同时又具有走行系统,形成既能快速移动又能快速支撑和拆除的一整套模板系统。台车由行走机构、台车架、钢模板、模板垂直升降和侧向伸缩机构、液压系统、电气控制系统6部分组成。
  具体结构如图3所示。
  3、衬砌台车的设计
  衬砌台车是按衬砌断面图和技术要求来设计的。钢模板衬砌台车外轮廓与隧道衬砌理论内轮廓面一致,通过封堵模板两端的开挖仓面,与已开挖面形成封闭的环形仓,然后浇注混凝土而实现隧道的衬砌施工。台车动力为电机驱动,轨行式行走系统;模板动作方式为液压缸活塞运动方式,完成立收模及模板中心偏差的调整等动作;台车立模后,需要通过丝杠把模板与架体连成整体,以承受混凝土浇注过程中荷载。
  3.1 就位
  台车试车合格后,在确保台车上下、左右无障碍物的情况下,启动行走电机,操作台车前行至待衬砌里程,前后反复动作几次,使台车结构放松,停在正确衬砌位置,关闭行走电机,并在行走轮处打好木楔或使用阻车器,防止溜车或衬砌中骨架受偏力产生位移,引起跑、爆模。旋紧底梁下的螺旋支腿,应确保底板落在坚实的基础上。
  3.2 浇注
  (1)浇注起始,应从距离基础上约1.5~2m处的作业窗开始浇注,并注意倒换浇注位置,防止局部受力过大引起变形、甚至跑模。严禁由拱顶的浇注口直接浇注。(2)浇注混凝土的速度严禁大于6~7m3/h。(3)当浇注至拱肩处时,应设专人在拱部端头处观察排气口,以防灌满后过度泵送压坏模型板。(5)浇注过程中,采用捣固棒捣固即可,若需在模型板内侧安装使用平板式振荡器,应事先增加辅助支撑。
  3.3 行走
  钢模板台车脱模之后先收起门架下面的支撑千斤顶,然后旋紧顶部台架支撑千斤顶和模板限位装置,启动行走电机即可行走。
  4、隧道衬砌台车协调动作仿真设计
  4.1 3D模型的建立
  利用3DMAX建立零部件的三维模型,大部分模型可直接通过几何体完成,部分零件模型例如挡板需通过可编辑几何体形式建立,由于模型面数过多会减慢渲染速度,所经需建高级建模以有效的减少模型面数,有利于后期动画制作,如图4所示。最后在MAX中将所有零部件进行组装,建立台车模型。
  4.2 模型导入与组装
  将建立好的各个零件图,进行组装,如图5所示。读取INode的材质的时候,如果存在多个SubMaterial,可以通过Mtl的接口NumSubMtls获得子材质数量,然后通过GetSubMtl接口获得每个材质(参数为从0开始的下标)。一个INode节点中的所有三角形面可能应用了不同的材质,因此必须将这些三角形面按照应用的材质索引分类存储。无论是通过Mesh的接口getFaceMtlIndex,还是通过Face的getMatID接口,都可以获得指定三角形面。
  4.3 3DMAX路径动画的制作
  利用目标摄影机结合LINE线命令制作路劲动画,利用MAX手动关键点功能调节制作零部件客观运作动画。具体的制作过程如下:
  (1)进行运动形式的策划,在所有操作之前第一步我首先思考了运动的一个过程和方式。
  (2)通过手动关键点设置动画流程:如图7所示,通过3DMAX动画制作区域手动关键点功能,制作挤压机零部件在每个帧时间段的运动轨迹以及运动时间。
  (3)设置播放速度:考虑到动画播放时长必须增加关键点的个数,3DMAX默认关键点个数为100,通过点击 时间设置 按键进入时间设置界面,将动画一栏长度参数由100修改为800其他参数不变,如图7所示。在设置窗口中“帧速率”是设置时间长短的关键默认采用的是NTSC模式,在此模式下每30帧将耗时1秒。而“播放”一栏所控制得是动画播放的速度,默认为1X也就是输出后的正常播放速度。
  (4)确定关键之位置:设计动画演示流程之后,用手动关键点的形式确定关键点的位置,根据要求可以适当增加关键点的数目。如果编辑复杂程度较大,可以增加关键点数目到1200。
  (5)绘制漫游路径:在MAX中利用LINE线条命令绘制视角漫游路线。在绘制完毕后会发现线条拐点处太过于尖锐会造成视角动画部够流畅,所以要对绘制的直线路径进行圆滑处理。为了能更多方位的观察挤压机运行过程以及机构特点,在3DMAX中运用目标摄像机制作视角移动效果,制作过程包括设定摄像机,利用LINE线命令绘制漫游路线,将目标设想机绑定在线路上,同样的设置时间参数,完成视角漫游动画的制作。
  (6)目标摄影机的设定:目标摄影机的设定是非常重要的,在动画中它就相当于我们的眼睛,所以它的位置,视角范围都要进行严格的设置从而达到一个最完美的视角效果。最后将设定好的目标摄影机绑定在线条路径上完成路径动画的制作,目标摄影机的设定如图8所示,其摄影追踪效果如图9所示。
  (7)演示成品渲染输出:用3D自带动画演示确定动画无误后,调节渲染参数最后输出动画,如图10、图11所示。
  5、结语
  本文根据隧道衬砌台车结构特点,对全液压自动行走衬砌台车工作流程进行了3D仿真,这不仅在设计开发阶段可以进行机器的优化设计,还可以对操作工人进行安排的调试的培训,通过虚拟程序就可深刻的了解机器的操作与运行。3DMAX高质量的衬砌台车运行动画使仿真效果更加清晰,可以对产品的起到宣传和市场竞争力的作用。
  参考文献
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  [6]王克伟.《3DS max7 三维动画特效精髓》[M].北京:兵器工业出版社,2005.
  作者简介
  卢桂萍(1976.4-),女,硕士研究生,工程师,研究方向:虚拟现实与网络化制造;
  孙在辉(1973.8- ),男,工程师,研究方向:机械工程及自动化。
  基金项目
  北京理工大学珠海学院机械工程及自动化特色专业(2010001T)。
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