一种多体协同顶推全过程空间位姿模拟方法及系统与流程

本发明涉及桥梁施工模拟，具体涉及一种多体协同顶推全过程空间位姿模拟方法及系统。

背景技术：

1、空间变曲线钢箱梁桥在城市立交和匝道桥工程中应用广泛。这类桥梁通常采用工厂预制节段、现场逐段拼装、再通过步履式顶推就位的施工方法。由于设计线形与顶推路径往往不重合，加上节段间通过多向铰连接，顶推过程中各节段的位姿、铰缝的开闭状态以及墩位支撑条件均会动态变化，给施工安全和精度控制带来较大挑战。

2、现有技术均未能解决施工前优化设计阶段的全过程空间位姿模拟问题：

3、1.工程师通常凭经验确定铰点数量和位置，难以提前预判不同设铰方案下铰缝的最大张开量，容易在现场出现铰缝碰撞或过度张开，不得不临时增加铰点或采取加固措施，造成工期延误和成本增加；

4、2.顶推装置的横向纠偏能力、竖向调幅行程等参数往往按经验取值，但不同空间曲线桥梁的墩位横向偏位和垫高需求差异很大，经常出现装置选型过大造成浪费，或选型过小无法满足使用需求的情况；

5、3.由于设计线形与顶推路径不重合，每个墩位的垫高量和腹板偏移量在顶推过程中持续变化，现有方法只能在顶推至该墩位时现场实测，再计算下一阶段的理论值，比较被动，容易造成现场停滞调整；

6、多铰接系统在顶推过程中可能出现铰缝异常张开或挤压碰撞，现有技术只能在问题发生时发现，无法提前3~5个施工步发出预警，难以提前设计铰缝临时锁定措施或优化铰的构造。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种多体协同顶推全过程空间位姿模拟方法及系统，将复杂多体动力学问题简化为刚体变换问题，可实现施工前的主动设计优化。

2、为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种多体协同顶推全过程空间位姿模拟方法，包括：

3、获取设计线形离散点信息、节段划分信息、墩位布置信息及铰点设置信息，构建桥梁几何参数化模型；

4、根据设计线形离散点信息构建与设计线形对应的空间曲线函数；

5、根据空间曲线函数构建里程-坐标查找表，里程-坐标查找表中包括里程对应的空间坐标；

6、执行顶推全过程模拟迭代：对于每一个施工步，基于预设的顶推步长递增顶推前端里程，采用反向递推方式根据里程-坐标查找表确定当前激活节段集合，根据当前激活节段集合更新当前激活铰点集合以及当前激活墩位集合，根据铰点位置信息将当前激活节段集合划分为由韧性铰连接的多个组合刚性体，计算各个组合刚性体的位姿，计算铰点工程状态，根据墩位布置信息计算墩位工程状态；

7、利用各个施工步的铰点工程状态以及墩位工程状态，指导设计优化。

8、在一些实施例中，采用反向递推方式根据里程-坐标查找表确定当前激活节段集合包括：

9、若当前激活铰点集合为空集，则根据当前顶推前端和当前顶推尾端的直线距离、当前顶推前端的里程以及里程-坐标查找表计算当前顶推尾端的里程，根据当前顶推尾端的里程确定当前顶推尾端与初始顶推尾端的距离是否满足下一个待激活节段的激活条件，若满足，则激活该节段，并将该节段加入当前激活节段集合中；

10、若当前激活铰点集合不为空集，则根据当前顶推前端和第1个已激活铰点的直线距离、当前顶推前端的里程以及里程-坐标查找表计算第1个已激活铰点的坐标；根据第1个已激活铰点的里程和第2个已激活铰点的直线距离、第1个已激活铰点的坐标计算第2个已激活铰点的坐标；直至计算至第n个已激活铰点的坐标，n表示当前激活铰点集合中存在n个铰点；根据第n个已激活铰点和当前顶推尾端的直线距离、第n个已激活铰点的坐标以及里程-坐标查找表计算当前顶推尾端的里程；根据当前顶推尾端的里程确定当前顶推尾端与初始顶推尾端的距离是否满足下一个待激活节段的激活条件，若满足，则激活该节段，并将该节段加入当前激活节段集合中；

11、当前顶推前端表示当前激活节段集合中第一个节段的大里程端，当前顶推前端的里程根据初始顶推前端的里程与已顶推距离确定，当前顶推尾端表示当前激活节段集合中最后一个节段的小里程端，初始顶推尾端为开始顶推时的顶推尾端。

12、在一些实施例中，根据铰点位置信息将当前激活节段集合划分为由韧性铰连接的组合刚性体包括：

13、获取当前施工步中所有已激活的铰点，

14、若已激活的铰点的数量为零，则将当前激活节段集合中的所有节段聚合成第一个组合刚性体；

15、若已激活的铰点的数量为一个，则以前导梁前端为起点，将前导梁前端到铰点之间的节段聚合成第一个组合刚性体，其余节段聚合成第二个组合刚性体；

16、若已激活的铰点的数量大于一个，则按铰点激活顺序进行排序，以前导梁前端为起点，将前导梁前端到第一个铰点之间的节段聚合成第一个组合刚性体；后续相邻铰点之间的节段依次聚合成中间的组合刚性体；最后一个铰点到当前激活节段集合中的最小里程端之间的节段聚合成最后一个组合刚性体。

17、在一些实施例中，计算各个组合刚性体的位姿包括：

18、获取各个组合刚性体两端的初始空间坐标和当前空间坐标，根据组合刚性体两端的初始空间坐标计算初始方向向量，根据组合刚性体两端的当前空间坐标计算当前方向向量，根据初始方向向量和当前方向向量计算该组合刚性体的当前旋转角θ，根据当前旋转角θ计算刚体变换参数，刚体变换参数包括旋转矩阵r和平移向量t，对该组合刚性体中所有节段的端点坐标应用所述刚体变换参数，获得各个节段的当前位姿；

19、其中，组合刚性体两端的初始空间坐标为该组合刚性体初次形成时计算的该组合刚性体两端的空间坐标。

20、在一些实施例中，计算各个组合刚性体的位姿包括：选取组合刚性体对应的任一节段的横断面法向，确保变换前后该方向与设计线形主法向的偏差最小化，即通过最小化角度差对旋转矩阵进行微调。

21、在一些实施例中，计算铰点工程状态包括：

22、对于任一铰点，获取该铰点连接的两个组合刚性体的当前方向向量，计算两个组合刚性体的水平方向角和竖向倾角，计算两个组合刚性体的水平方向角的差值和竖向倾角的差值，根据两个组合刚性体的水平方向角的差值和竖向倾角的差值，计算两个组合刚性体的上下缝宽变化量和左右缝宽变化量。

23、在一些实施例中，根据墩位布置信息计算墩位工程状态包括：将墩位点在水平面内投影至对应节段的轴线上，计算投影点的坐标，计算投影点与墩位点的水平距离，该水平距离即为该节段的横向偏位量。

24、在一些实施例中，根据墩位布置信息计算墩位工程状态包括：基于节段两端的高程线性插值获取墩位点对应的投影点处的梁底设计高程，根据墩位点对应的投影点处的梁底设计高程和墩顶设计高程计算理论垫高量。

25、在一些实施例中，利用各个施工步的铰点工程状态以及墩位工程状态，指导设计优化包括：

26、记录各铰点在整个顶推过程中的最大缝宽变化量，当某铰点的最大缝宽变化量超过安全阈值时，则在该铰点位置增加临时铰或增加临时限位装置或调整该处铰点的构造形式。

27、在一些实施例中，利用各个施工步的铰点工程状态以及墩位工程状态，指导设计优化包括：

28、根据各墩位的横向偏位量和理论垫高量，为顶推装置的液压行程、油缸容量提供量化选型依据，使得顶推装置的横向纠偏行程和竖向调幅行程尽可能满足要求，并提前加工不同厚度的垫片组。

29、另一方面，本发明提供一种多体协同顶推全过程空间位姿模拟系统，包括：

30、数据获取与几何建模模块，用于获取设计线形离散点信息、节段划分信息、墩位布置信息及铰点设置信息，构建桥梁几何参数化模型；

31、空间曲线构建模块，用于根据所述设计线形离散点信息构建与设计线形对应的空间曲线函数；

32、查找表生成模块，用于根据所述空间曲线函数构建里程-坐标查找表；

33、顶推全过程模拟迭代模块，用于执行顶推全过程模拟迭代。

34、本发明的有益效果为：

35、1.本发明通过将多铰接系统动态划分为由韧性铰连接的多个组合刚性体，将复杂的多体动力学问题简化为多组刚体变换问题，结合预构建的里程-坐标查找表和反向递推激活判定方法，在满足工程精度的前提下，可将包含数百个施工步的全过程模拟耗时压缩至分钟级，实现施工前的主动设计优化。

36、2.本发明基于组合刚性体两端点的方向向量求解刚体变换参数，并引入节段横断面法向约束消除绕轴线旋转的自由度，避免了传统刚体平移假设带来的姿态畸变，能够精确还原空间变曲线桥梁顶推过程中各节段的真实空间位姿。

37、3.本发明可直接计算得到铰点的水平方向角差值、竖向倾角差值、上下缝宽变化量、左右缝宽变化量，以及墩位的横向偏位量、理论垫高量等工程设计与施工直接可用的参数，能直接用于指导施工设计。

38、4.本发明通过在施工前获取顶推全过程的铰点工程状态数据，能够提前预判碰撞风险，优化铰点构造与布置；通过在施工前获取墩位工程状态数据，可量化顶推装置的横向纠偏行程和竖向调幅行程需求，实现设备选型最优化；提前生成各墩位的理论垫高量序列，指导垫片组预制与施工路径规划，避免现场返工和工期延误。

39、5.本发明不仅适用于直线桥梁顶推模拟，更能精准适配空间变曲线钢箱梁桥的顶推施工场景，有效解决了设计线形与顶推路径不重合带来的位姿模拟难题。