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快速强化冻结法施工动态设计方法初探论文

时间：2023-01-15 07:53:37 论文收藏本文下载本文

快速强化冻结法施工动态设计方法初探论文（共6篇）由网友“克林”投稿提供，下面是小编为大家整理后的快速强化冻结法施工动态设计方法初探论文，以供大家参考借鉴!

快速强化冻结法施工动态设计方法初探论文

篇1：快速强化冻结法施工动态设计方法初探论文

关于快速强化冻结法施工动态设计方法初探论文

论文关键词：快速强化冻结动态设计设计程序实时监测冻强壁

论文摘要：结合我国冻结工程技术现状及发展趋势，阐述了快速强化冻结设计目标及原则，详细介绍了快速强化冻结设计程序和设计内容。指出了只要遵循强化冻结设计程序进行冻结设计，就能很好地满足深厚冲积层冻结井筒凿井施工要求，确保井筒掘砌施工安全顺利地进行。快速强化冻结设计方法可为地下工程冻结设计提供有益的参考。

岩土工程中，当遇到涌水、流砂、淤泥等复杂不稳定地层条件时，常采用冻结法施工。冻结法自1955年在我国首次获得实际应用以来，经过多年的发展，现已成为我国矿井通过深厚冲积层的主要施工方法之一。我国将冻结法应用于地下基础工程始于1987年。近年来，冻结法在上海、北京、广州等城市的地铁和市政基础设施等工程项目中得到了越来越广泛的应用。经过多年的实践，我国工程技术人员基本掌握了近水平冻结设计、施工方法以及地层变形控制方法，并积累了大量的第一手资料和丰富的工程经验。目前，我国已成为世界上冻结法应用较多的国家之一口I。]。实践证明，冻结法是在松散含水土层中施工地下结构工程的一种较为安全可靠的工法。但随着冻结深度的不断加大，原有的设计方法已不能适应冻结法施工发展趋势，研究快速强化冻结的动态设计方法势在必行。

1快速强化冻结设计目标及设计原则

快速强化冻结设计目标与安全、优质、快速、高效施工的工程总目标是一致的。从价值工程的观点来讲，就是要用最少的资源投入来实现最佳的地层冻结加固效果。但在实际工程中，由于地层和施工条件的不同，对冻结设计与施工的要求也不同。如深厚粘土层应重点解决冻结管断裂和外层井壁压坏等疑难技术问题；地层条件较好时，应重点解决降低冻结施工费用和提高井筒掘砌速度等问题。对于一个冻结井筒工程项目来说，冻结设计的最佳目标就是将解决冻结施工技术难题与降低冻结施工费用和提高井筒掘砌速度更好地统一起来。为实现这一目标，井筒快速强化冻结设计需遵循以下原则：

(1)冻结设计必须以实现工程总目标为核心，既要确保工程施工安全，满足工程质量和工期要求，又要采用经济合理的工艺技术，降低施工成本。

(2)根据不同的地层条件与施工要求，采用不同的冻结施工工艺。由于井筒地层条件差异很大，施工要求各不相同，冻结施工工艺也应有所区别。如在没有深厚粘土层的冻结井筒中，一般就没有必要采取强化冻结措施。

(3)根据系统工程观点，冻结设计要考虑井壁结构情况，并对井筒掘砌速度、掘进段高与井帮暴露时间、井壁变形特性参数等提出要求；或者根据掘砌施工要求，对冻结设计参数进行调整。在井筒冻结设计中，为便于操作，可先按合同规定的掘砌速度和有关规范对掘进段高的要求进行冻结施工参数设计；而后在井筒施工中，再根据冻结壁稳定性和掘砌施工能力，合理调整掘砌施工速度和掘进段高。

(4)根据动态控制观点，结合掘砌施工进度，考虑冻结壁发展规律来布置冻结孔和评价冻结壁的安全性。在整个井筒冻结施工过程中，冻结壁厚度和温度都是变化的；掘进到某一层位时，需要根据该层位的土层特性和当时的冻结壁发展状况来判断施工是否安全。这是优化冻结施工参数以降低施工成本和缩短工期的基础，也是快速强化冻结设计方法区别于传统冻结设计方法的根本点之一。

(5)深厚粘土层中经常遇到的冻结管断裂和外层井壁被压坏的问题主要与冻结壁变形有关。因此，在设计冻结壁时，应将控制冻结壁变形作为主要依据。但由于冻结壁变形是难以从理论上进行正确计算的，因此在冻结设计中，只能根据以往施工经验，将冻结管与井帮距离、冻土进入荒径量和掘进时的井帮温度作为布置冻结孔和设计冻结壁的重要指标。

(6)由于地层条件和施工情况的复杂多变，目前要对冻结壁进行精确设计计算是不现实的，需要借助于工程类比法来评价设计方案的'可靠性。同时工程类比应与理论分析相结合，以工程实测规律为依据。

(7)要做好实时监测和预测预报工作，实现对施工过程的有效监控。通过实时监测和预测预报，可实现对施工过程的有效监控，从而可使冻结凿井施工更加安全可靠，施工工艺参数更趋合理。

2快速强化冻结设计程序和设计内容

根据快速强化冻结设计原则，结合深厚冲积层冻结凿井工程设计与施工经验，提出了有别于常规的快速强化冻结动态设计方法；其设计程序和设计内容如下：

(I)收集和分析设计基础资料。包括井筒地质资料，井筒设计参数，冻结和掘砌工期要求，以及地层条件类似的冻结井筒施工经验等。

(2)分析冻结设计需要解决的主要问题，制定冻结施工方案总体设计思路，选择关键冻结工艺。 (3)确定冻结设计基本参数。主要包括冻结深度，冻结方式，供冷方式，冻结管直径，盐水温度，盐水流量，冻结壁设计控制层位，井筒开挖时间，掘砌施工至控制层所需时间，掘砌施工段高和井帮暴露时间等。

(4)按有关规定和施工经验，初步确定控制层位的井帮温度、井帮位移和冻结孔钻进精度等指标。对于砂性地层，可以不给出井帮位移控制值，但应给出冻结壁允许出现的塑性区范围。同时为防止发生严重片帮，对井筒浅部井帮温度也要提出控制值。

(5)计算深部主要控制层的冻结壁有效厚度。在冻结孔未布置前，按盐水温度、井帮温度、冻结孔最大间距、冻结时间等设计控制参数，初步确定冻结壁平均温度。

(6)布置冻结孑L，包括冻结孔布置圈径、各层位冻结孑L设计最大孔间距和向内及向其他方向的允许偏斜等。其中主冻结孔布置参数主要应依据深部控制层的冻结壁有效厚度、冻结孔向内偏斜距离、掘砌至控制层的冻结时间，以及冻结壁扩展速度来加以确定；如有防片帮加强冻结孔，则可按允许偏斜距离、井帮温度要求和冻结壁向内发展速度来加以确定。

(7)冻结壁形成的动态校验。包括冻结壁交圈时问，冻土进入荒径时间，不同掘进深度或冻结时间的冻结壁平均温度、井帮温度和冻土进入荒径位置等。如计算出的井帮温度等与控制值不符，则应返回到上一步，对冻结孔布置参数进行调整。必要时可返回到第2步，改变冻结工艺，调整基本冻结参数；在条件允许的情况下，还可改变冻结时间。如冻结壁平均温度与计算冻结壁有效厚度时初步取定的值不符，则需返回到第5步，重新进行计算。

(8)按冻结壁形成的动态过程分层验算冻结壁的强度和稳定性。如不符合控制要求，则需返回到第5步，重新布置冻结孔；或返回到第2步，改变冻结工艺，调整基本冻结参数。

(9)供冷系统设计。按照冻结孑L数量和单孔盐水流量来计算总盐水流量，按照冻结管散热面积来计算冻结系统总需冷量，根据盐水温度及制冷设备特性参数来确定冷冻机装机容量，最后确定出冷却水用量和进行冻结系统配套设备选型。

(10)监测与预测系统设计。监测内容主要包括冻结系统供冷量、冻结器工作状况、冻结壁温度变化、井帮温度，以及冻土进入荒径位置、井帮位移和底鼓量等。预测内容主要包括试挖预测、正式开挖预测和掘进过程预测等j。

(11)冻结施工方案经济分析与设计优化。根据冻结施工方案优化结果，可以对井筒掘砌施工方法等提出建议。一般来说，同一个井筒工程，可以有多个技术可行的冻结施工方案}冻结施工方案优化应从调整关键冻结工艺和设计基础参数人手。

3结语

通过以上步骤的反复设计计算，不但可使冻结设计能满足冻结工期、井帮温度、冻结壁强度和稳定性要求，而且可使冻结施工费用降到最低。冻结设计中，将井帮温度作为一个重要的控制指标，是为了弥补冻结壁强度和稳定性计算正确性方面所存在的不足，为掘砌创造良好的施工条件。

此外，由于地层条件和施工情况的复杂多变，井筒冻结设计不可能完全符合施工实际情况。因此在井筒施工中，应根据实时监测情况，及时对设计参数进行修正和对冻结壁状态进行预测预报；必要时可调整冻结和掘砌施工参数，以确保井筒施工顺利进行。

篇2：浅谈公路隧道施工中的动态设计论文

浅谈公路隧道施工中的动态设计论文

论文关键词：隧道施工动态设计超前预报反馈

论文摘要：公路隧道动态设计是在预设计的基础上，对衬砌结构进行合理的修改，以使其适应更为具体的围岩条件，在隧道施工中得到广泛应用。主要介绍了我国近年来公路隧道动态设计的特点及设计方法。

0引言

新奥法作为隧道工程设计施工的方法和原则，目前在公路隧道工程设计施工中被广泛应用。在依据新奥法原理建设的现代隧道中，按照设计规范规定，依据施工之前的地质调查、钻探及物探等资料，采取工程类比方法进行设计。由于地质条件的不确定性及复杂性，在施工过程中会遇到断层、破碎带、瓦斯、严重风化层等特殊地质，而仅仅依据施工前的地质勘探成果，是不能完全真实反映出来的，所以面对施工反馈的实际地质情况，必须进行有针对性的动态设计。

动态设计是在预设计的基础上，对衬砌结构进行合理的修改，以使其适应更为具体的围岩条件。动态设计的依据是施工过程中反馈的各种信息，包括地质超前预报、监控量测数据、掌子面的地质描述和实际存在的地质条件，通过分析与反分析所获得的这些信息，与预设计时的地质资料对比，根据地质变化情况，对隧道施工方法(包括特殊的、辅助的施工方法)、断面开挖步骤及顺序、支护参数等进行合理调整，以保证施工安全、围岩稳定、施工质量和支护结构的经济性，然后依据现行相关规范与项目规定的要求，经过原设计部门作出修改设计，报经隧道动态设计决策机构审定，由施工单位具体实施。在实施过程中，监理、监控量测、地质预报等部门，依据修改设计方案，进行监理、监测，再次获得信息，反馈到设计、施工单位，如此反复循环，直至工程完工交付使用为止。

1超前地质预报

目前超前地质预报分为长距离和短距离超前地质预报两类，长距离超前地质预报的预测范围一般为100～3001TI，短距离超前地质预报范围一般可达掌子面前方l5～30m．长距离超前地质预报方法有：TSP、超前钻探法、断层参数预测法等。短距离超前地质预报方法有：掌子面地质素描法、地质雷达法等。

1．1TSP超前预报法

TSP超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来判定并预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况，其最大探测距离为掌子面前方300～500In，设备限定的.有效预报距离为掌子面前方1001TI，最高分辨率为大于等于1in地质体。TSP超前地质预报系统是目前世界上地质探测领域最为先进的科技成果，它具有适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、提交资料及时的特点。

1．2超前钻探法

超前钻探法即通过在掌子面布置若干地质钻孔并取芯，根据地质钻孑L施工要求，记录钻孔施工各种信息并在室内完成相关力学试验，获得地层岩性、节理裂隙、岩石各项力学参数、溶洞空间分布、溶洞填充物、构造带发育特征等各项地质内容，同时还可以通过地质钻孔观察预测掌子面前方可能涌水情况，以此判断前方围岩级别及各种地质病害类型、具体部位及规模。根据一次探测距离的长短可分为深孔探测和浅孔探测。

1．3断层参数预测法

断层参数预测法是一种利用断层影响带内的特殊节理(1)节理)和其集中带有规律分布的特点和经过大量断层影响带系统编录得出的经验公式(LiuZhigang公式)超前预报隧洞断层破碎带的位置、规模的新技术。由于隧道中大多数不良地质(如溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等)与断层破碎带有密切的关系，所以，预报了断层破碎带，依据地质学原理，就可推断其他不良地质体的位置和规模。

1．4掌子面地质素描法

掌子面地质素描法又称编录预测法。主要通过对掌子面已揭露地质体(岩层、不良地质体等)进行观测与编录，对掌子面出露地质体向掌子面前方延伸情况进行有依据的推断。

1．5地质雷达法

地质雷达法是采用甚高频―超高频电磁波检测地下介质的地质特征、不同岩性分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁波技术。地质雷达能发现隧道施工开挖面前方20～30m地层的变化。由于电磁波对水敏感，所以，对于断裂带特别是含水带、破碎带地层，地质雷达是很好的预报手段。但由于目前其探测的距离较短，对于长大隧道的预报只能多次分段进行预报。

2施工监控量测

2．1量测规定

由于岩体的生成条件和地质作用的复杂性，在隧道施工中，开挖方法、支护方法、支护结构刚度等对围岩稳定性都有影响，所以寻求能正确反映岩体状态的物理力学模型非常困难。因此现场监控量测是验证设计、施工是否正确的关键步骤，是监视围岩是否安全、稳定的最直接手段。

2．2量测计划

现场监控量测计划应根据隧道的地质地形条件、支护类型和参数、施工方法和其他有关条件制定。计划内容应包括：监控量测项目及方法、量测仪器的选定、测点布置、数据处理及量测人员组织等。

2．3量测的任务和目的

a)掌握围岩和支护的动态，进行隧道日常的施工管理。

b)经过监控量测数据的分析处理与必要的计算和判断后，进行预测和反馈，提供动态设计的基础数据，指导施工，以保证施工安全和隧道稳定。

c)已有工程的量测结果可以应用到其他类似工程中，作为设计和施工的依据。

2．4量测内容

隧道施工的监控量测旨在收集可反映施工过程中围岩动态的信息，据以判定隧道围岩的稳定状态，以及预设计所定支护结构参数和施工的合理性。量测项目可分为必测项目、选测项目和抽检项目。必测项目包括：地质和支护状况观察、周边位移、拱顶下沉、地表下沉；选测项目包括：围岩体内位移(洞内设点)、围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力及外力、支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测、围岩弹性波测试；抽检项目包括：锚杆拉拔力检测。

2．5量测数据反分析

隧道工程反分析方法是根据工程现场量测数据(如应力、位移和应变等)来反演初始地应力和岩体性态参数的方法，即利用现场量测到的信息，或者说测量到的来自工程施工引起的结构与介质的扰动量，包括位移、应变、二次应力或地层压力，依据给定的材料模型，来反演工程介质材料的性状参数和初始荷载。

根据设计施工中的不同阶段，反演分析方法可分为施工前反分析法和施工中反分析法。施工前反分析法分为：a)位移反分析法，是由监测位移反演局部区域应力分布的方法，此方法目前应用较多；b)应力回归分析方法，是在预设计时由现场有限个点的地应力实测值，通过应力函数或数值计算方法回归分析得到研究区域应力分布的方法。施工中反分析法分为：a)增量位移法，是将模拟开挖的有限元模型与优化反分析方法相结合，利用某一开挖步前后监测所得增量位移，对某隧道开挖土体参数进行反演，并根据反演结果预测后续施工对土体及支护的影响．b)根据隧道开挖过程中围岩破坏信息进行的反分析法。

3动态反馈设计

动态反馈设计是根据开挖面揭示的地质条件、监控测量获得的数据以及地质超前预报结果，对隧道支护结构的设计、施工方案及时进行修改的设计模式。旨在使隧道支护结构的形式能随时适应实际的围岩地质条件，从而使工程建设既能经济合理，又能确保安全。下列情况需进行动态反馈设计：

a)开挖面揭示的围岩级别与工程地质勘查报告提供的资料有较大差别。

b)隧道开挖后围岩地层的变形量持续增长，且总变形量已接近设计估计值。

C)隧道开挖后，围岩地层的变形量明显大于设计估计值。

d)超前地质预报揭示开挖面前方岩层存在不利地质构造时。

3．1设计要点

a)隧道穿越地层的实际围岩级别与原有地质资料对围岩级别的判断相差较大时，应按修正后的围岩级别重新确定合理的支护结构类型、尺寸和开挖施工方法。

b)监测数据增长速度异常，或总位移量接近临界值时，应采取措施加强支护结构，同时优化施工方案。反之则可减弱支护结构，以节约投资。

c)反馈设计中如有必要对支护结构进行设计计算时，宜通过反分析方法确定围岩地层的初始应力，以及本构模型及其特性参数的估计值。

d)应重视超前地质预报信息的作用，可能遭遇险情时应预先提出设计对策预案。

3．2设计内容

动态反馈设计的内容包括施工方法变更的建议、施工工序的变更、预留变形量的修正、设计参数的修改或确认等4个方面。

3．2．1施工方法变更的建议

由于采用的施工方法与断面形式不同，围岩――支护体系的应力状态也不一样，当某种方法不能满足该围岩稳定性要求时，应及时变更施工方法及选择对隧道稳定有利的断面形式或辅助施工措施。

3．2．2施工工序的变更

当施工信息反映出不稳定征兆时，应检查是否由于工序不当所造成。改变施工工序，如暂停开挖、及时喷锚、二次喷混凝土紧跟或提前施作仰拱等，都可能促使围岩支护体系趋向稳定。

3．2．3预留变形量的修正

施工前预设计的预留变形量，是采用工程类比或理论计算确定的，因此，预留变形量不可能和实际变形完全一致。当预留变形量与现场量测结果不符时，应及时修正未开挖地段的预留变形量，以满足设计净空和二次衬砌的厚度要求，或减少开挖量及二次衬砌的回填量，以节省投资。

3．2．4设计参数的修改或确认

同预留变形量一样，施工前预设计的设计参数，也是采用工程类比或理论计算确定的，也不可能和实际情况完全一致。在施工过程中，根据超前地质预报和监控量测信息，对未开挖地段或已开挖地段设计参数进行修改或确认，使之满足结构受力要求并减少不必要的工程浪费。

4结语

由于隧道工程地质条件的复杂性、多样性，通过一般的地质勘察及室内岩土力学试验，很难在设计阶段全面准确地对隧道的围岩情况做出判断，因此在隧道施工过程中，通过对围岩及支护系统进行超前预报及监控量测，及时把获得的信息数据反馈于设计中是非常必要的一项措施。隧道动态设计作为隧道工程新奥法设计、施工的重要手段，保证了隧道施工的安全并取得了良好的经济效益，收到了良好的效果。随着隧道工程实践和施工技术的发展，隧道动态设计将会得到更加广泛的应用。

隧道动态设计工作是一项具体而又复杂的工作’在实际过程中尚需不断积累经验和完善相关理论。

篇3：航天器桁架结构快速设计方法研究论文

引言

桁架具有净空间值高、受运载包络限制少等优点，多为高次超静定结构且刚度和整体性较好，因而越来越多地作为主承力结构应用到航天器结构中，且其结构形式呈现大型化、复杂化的发展趋势。

当前，随着航天事业的快速发展，航天器结构设计面临着‘‘设计约束多样、迭代更新频繁、周期控制困难”的局面。而在传统设计模式下，桁架设计不仅需经过概念设计、详细设计等多个阶段迭代，设计工作量大且周期冗长m。同时，由于参照关系和装配关系复杂多样，常出现桁架结构基础数据修改而导致模型再生失败的现象,大大影响了设计效率，无法满足“快速响应设计约束、迭代更新高效”的需求。因此，亟需采用新的技术方法来提升桁架结构设计效率，促进桁架结构的应用和发展。

本文针对传统桁架结构设计的弊端，基于自顶向下(Top-)own)模式和参照柔性相关思想，提出了航天器桁架结构快速设计方法。实际应用验证表明,航天器桁架结构快速设计方法逻辑关系明确，简便实用,能够实现结构元件自动创建和装配，快速响应外部约束并自适应更新，确保设计状态的迭代有效可控，能显著提升桁架结构设计效率，可推广应用于航天器桁架结构设计。

篇4：航天器桁架结构快速设计方法研究论文

相对而言,桁架构型复杂、部件繁多、连接关系多样，如何实现管控构型、自动创建部件、快速装配是桁架设计的关键，而基于Top-)own模式,运用参照柔性相关的装配方法和多级骨架模型能够有效解决这些问题，实现桁架结构的快速设计和更新。

1.1基于Top-Down模式的桁架结构设计

Top-)own模式要求先进行系统全局设计,使全局设计能够初步满足设计约束要求，而后才在全局设计的框架下进行详细设计，其本质上是设计数据从系统顶部传递到底端的过程。这种模式符合渐进设计过程和人员思维方式,且因自上而下的信息传递可以有效地适应外部需求变化而进行结构设计重构，极大地便利了设计状态的迭代和更新。

Pro/E软件提供了多种形式的数据传递方法实现Top-Down模式设计,骨架模型是其中较为常用的一种。骨架模型通常由基准面、基准线、基准坐标系和外形曲面组成，能够直观地表达空间包络约束和与设计有关的特征。通过骨架模型，一方面在设计初期就能够确定设计意图,定义初步的产品结构，另一方面可利用骨架模型传递信息的能力,将设计意图传递贯穿系统设计的全过程，便于自上而下的参数化设计变更[2。

对于航天器桁架结构而言，运用自顶向下设计模式，建立桁架系统自上而下的骨架模型,利用骨架模型作为信息传递载体,在概念设计阶段通过对总体布局、外部参照等进行抽象和空间几何构建，将产品的功能规划转化为产品设计需求,反映产品的空间布局、拓扑关系等&],进而使产品设计趋于清晰，便于设计模型的确立；其次，基于自顶向下的信息传递和继承，设计意图和约束能够充分贯穿整个系统，辅以骨架模型驱动的产品参数化设计和变更，既能够非常方便地通过对上层基本骨架的调整来实现对下层设计的调整和修改，又不会影响到整个产品的装配关系，降低了设计模型迭代更新失败的风险。

1.2参照柔性相关

虽然基于自顶向下模式采用骨架模型进行数据信息传递，能够便捷地传递和继承约束信息，加强系统控制能力，但在详细设计过程中，仍存在着一个不容回避的事实，即基于Top-Down模式的设计将在设计模型中引入复杂直接参照关系，一旦出现元件替换、增删等情况，原有参照关系中的某一参照源就可能丢失,进而使设计状态失控，引发一系列问题。

为了确保设计状态有效可控，需要在自顶向下的设计过程中对各个层级参照源和参照关系进行归并和统一，避免形成复杂参考关系，保证设计状态的`独立性和参照关系传递的准确性。

从Pro/E软件的设计思想上来看，参照是Pro/E全参数化建模的灵魂，其本质是特征或组件的定位标识，系统根据这些标识构件特征或定位组件。基于参照的本质，运用“参照柔性相关”的设计思想，在数据信息传递过程中，从骨架模型外部添加与骨架模型中参照源柔性相关的新参照源并进行传递。通过骨架模型和柔性参照两者的结合，不仅能够对设计模型的参照源进行归并和统一，简化内部参照关系，还能借助全面统一的基础参照，发挥骨架模型对设计状态的控制，确保设计状态的独立性,减少设计再生失败的现象。

篇5：航天器桁架结构快速设计方法研究论文

按照Top-Down模式,航天器桁架结构的设计过程分为结构全局设计、多级骨架模型创建、部件自动创建与装配设计3个环节。

2.1结构全局设计

航天器桁架结构的装配层级通常为“系统-舱段-部件”。基于Top-Down模式的结构全局设计主要针对系统和舱段进行,是确定桁架包络空间、构型的关键步骤。典型的结构全局设计流程如图1所示。

结构全局设计主要包括：

1)设计约束导入。全局设计的约束主要有外部参照、总体布局等，通常以基准坐标系、基准线、基准面和空间几何等形式反映到全局设计中。这些约束信息不仅表征结构构型的布局包络、设计空间等信息，还将作为系统顶级约束,在必要的时候向下级传递。

2)拓扑关系构造。在设计约束已知的前提下，通过对系统装配层级的分解和子级包络约束等，定义系统拓扑关系的构造，获取系统装配层级和子级包络以及基本元件的空间分布。

3)提取基础数据描述。根据系统的拓扑关系，提取桁架接头元件中心点，运用柔性参照相关的方法,基于基准坐标系对中心点进行一致性描述，使其获取柔性参照关系,形成结构空间构造的基础数据描述，为后续骨架模型和部件创建与装配等提供基础参照。

2.2多级骨架模型创建

结构全局设计获取了桁架结构拓扑关系和空间构造的基础数据描述，而据此进行的多级骨架模型创建则是将全局设计由模糊概念向清晰构型转化的关键步骤。

在通常情况下，结构元件作为系统的基本单元不需要布局骨架模型，骨架模型只需布局于系统和舱段级。因此，桁架结构多级骨架模型创建主要包含系统级骨架模型创建和舱段级骨架模型创建2个方面。

1)系统级：创建结构系统骨架模型，定义系统的纵、横向骨架模型。在系统级，主要围绕系统拓扑关系开展骨架模型创建。为保证系统级骨架对系统模型具有足够的控制能力，需在统一空间描述的基础上，依据自顶向下的思路和结构拓扑关系，对子级骨架包络进行分解和归并，形成清晰明确的子级骨架连接关系和界面。

2)舱段级：继承系统骨架模型，创建舱段级骨架模型。在舱段级，主要围绕子级拓扑关系开展骨架模型创建。基于全局设计阶段形成的基础数据描述和对系统级骨架模型充分的继承，利用基础数据描述和基准面、空间曲线等元素,创建舱段级结构骨架模型。在舱段级骨架创建过程中，依据中心点基础参照,运用柔性参照相关的方法，通过参数化的接头杆件偏离关系,标定杆件装配局部坐标系，确保自上而下的骨架模型信息传导的正确性和控制能力，为后续部件创建和装配设计提供了统一参照。典型的桁架结构多级骨架模型创建如图2所示。

2.3部件设计与装配设计

通过创建多级结构骨架模型，形成了具有足够控制能力的多级骨架模型，使桁架构型逐步清晰。基于此，只需利用骨架模型的信息，即可完成部件自动创建和装配设计，实现桁架结构的实体化充实。

2.3.1桁架杆件和桁架接头设计

由于舱段级骨架模型固化了桁架杆件的空间信息，因而需要充分利用舱段级骨架标定的空间位置信息，通过预置杆件模板，设计并创建骨架模型中特定曲线处的结构杆件。

在中心点基础数据描述的基础上，结合杆件与中心点之间的柔性参照关系以及骨架模型中定义的延伸方向，复制并向接头设计空间映射杆件几何截面信息,通过简单的实体特征操作，即可以全自适应的方式快速设计和创建桁架接头。

2.3.2装配设计

避免过于复杂冗长的参照装配关系，是实现桁架结构快速迭代更新的重要保证。为确保桁架结构元件参照装配关系紧凑，充分利用自上而下的骨架对结构元件的有效控制，借助于多级骨架模型和柔性参照关系,采用统一参照、坐标系装配的形式,使得元件在设计前已经具有配合关系。创建及装配都在装配关系中进行，元件之间拥有共同的基础参照和一致的骨架模型，可有效地避免设计再生失败。与此同时，由于骨架模型间接的表征结构元件之间的装配关系，因而在完成结构设计后，可以通过可变参数的调整，非常方便地引起结构元件的适应性调整，极大地便利了结构三维设计。

篇6：航天器桁架结构快速设计方法研究论文

为简化行文,本文以单一装配层级的桁架结构为例，阐述桁架快速设计方法的应用。

3.1桁架结构的全局设计

在桁架结构全局设计阶段,依次进行设计约束导入、拓扑关系构造、基础数据描述提取等步骤。

1)根据运载包络、布局需求等，抽象结构设计的外部约束,形成桁架结构统一的基础参照等；

2)在设计空间内进行结构拓扑关系构造,获取系统装配层级和桁架接头杆件的空间分布；

3)基于统一的基础参照，提取桁架接头中心点并进行一致性描述，使中心点获得局部参照基准。

结构全局设计最终形成的是桁架空间构造的基础数据描述，主要包括基础参照、中心点空间位置和一致性描述局部参照基准等，具体如图3所示。

3.2桁架结构多级骨架模型创建

根据全局设计获得的桁架结构基础数据描述，利用曲线将中心点首尾连接形成空间曲线，代表桁架杆件空间位置。逐一连接各中心点，直至生成结构骨架模型。结构骨架模型包含基准坐标系、基础参照、桁架基础数据描述和空间曲线等。典型的结构骨架模型如图4所示。

为了确保自上而下的骨架模型信息传导的正确性和控制能力，将中心点作为部件的柔性装配参照，创建结构杆件装配局部坐标系（如图5所示），设置该局部坐标系与接头中心点局部坐标系之间的偏离关系。

3.3接头杆件自适应创建与装配设计

在前述结构骨架模型的基础上，根据结构杆件装配局部坐标系标定的空间位置，选择杆件模板并创建骨架曲线处的结构杆件，复制并向接头设计空间映射杆件截面几何，形成接头各通几何截面,根据杆件装配局部坐标系与接头中心点局部坐标系之间的偏离关系，以全自适应的方式创建生成桁架接头。杆件、接头创建如图6所示。

借助于多层次骨架模型和柔性参照关系，采用缺省坐标系对齐装配等形式，使得部件之间拥有共同的参照基准和骨架模型，可以有效地避免结构设计再生失败，能保证骨架模型对桁架结构的有效控制。桁架结构设计完成后，仅调整骨架模型的可变参数，即可引起结构杆件和接头的适应性调整。典型桁架结构的创建与装配如图7所示。

4结束语

针对传统结构设计模式与当前航天器桁架结构快速设计需求的差距，本文基于Top-)own模式和参照柔性相关思想,提出了航天器桁架结构的快速设计方法。实际应用验证表明：基于Top-Down设计模式,采用多级骨架模型和参照柔性相关的桁架结构设计方法，具有逻辑关系明确，简便实用等特点，能够实现部件自动创建和装配，加快结构设计对外部约束的响应，能确保设计状态的自适应更新有效可控，显著提升航天器桁架结构设计效率，可推广应用于航天器桁架结构设计。