黃志澎，楊 敬，趙永剛，胡云明

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 前 言

我院自引進(jìn)了MatrixOne和CATIA/VPM(Virtual Product Management)，通過(guò)同時(shí)使用這兩個(gè)系統(tǒng)，部署了統(tǒng)一的協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境。水電設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程可以在這個(gè)無(wú)縫的協(xié)同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，將復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)活動(dòng)和業(yè)務(wù)流程管理連接起來(lái)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

DS(Dassault Systemes)公司正全面利用ENOVIA開(kāi)放式SOA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)任何業(yè)務(wù)流程和軟件的無(wú)縫集成，這將給不同行業(yè)中的客戶(hù)都帶來(lái)無(wú)可比擬的益處。

DS公司在收購(gòu)MatrixOne之后，開(kāi)發(fā)出了全球性的ENOVIA解決方案。該解決方案將CATIA/ENOVIA VPM的具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息和MatrixOne強(qiáng)大的協(xié)同業(yè)務(wù)流程管理能力和企業(yè)可見(jiàn)性相結(jié)合。通過(guò)這個(gè)新的解決方案將設(shè)計(jì)部門(mén)和管理部門(mén)無(wú)縫地集成在一起。

得益于ENOVIA靈活的SOA架構(gòu)，DS公司的CATIA/ENOVIA VPM客戶(hù)將通過(guò)MatrixOne解決方案實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)大的協(xié)同業(yè)務(wù)流程能力的全面兼容。從MatrixOne到ENOVIA VPM工程的現(xiàn)行工作環(huán)境的直接存取將會(huì)給項(xiàng)目經(jīng)理提供工程活動(dòng)和項(xiàng)目情況的實(shí)時(shí)可見(jiàn)性，使得他們能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的早期就發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，從而降低改進(jìn)決策的時(shí)間和成本，客戶(hù)也因此從這個(gè)全新的ENOVIA解決方案中獲益。借助于ENOVIA MatrixOne，DS公司傳遞了一種完全的、統(tǒng)一的ENOVIA協(xié)同環(huán)境。

采用3D PLM設(shè)計(jì)與生產(chǎn)產(chǎn)品早已不是一種單純的概念，而是企業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，連不可一世的AutoCAD也從2007版本開(kāi)始大幅度地增強(qiáng)了3D功能，將它過(guò)去的2D繪圖環(huán)境定義成“經(jīng)典工作空間”，將“三維設(shè)計(jì)空間”放在了第一位。由于無(wú)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)與生產(chǎn)方式給企業(yè)帶來(lái)的將是革命性的變化，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，近幾年采用CATIA、UG等這類(lèi)軟件的用戶(hù)群也在進(jìn)一步擴(kuò)大。

拱壩三維協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程是通過(guò)MaxtriOne平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程管理和質(zhì)量關(guān)口控制，在CATIA/VPM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)拱壩結(jié)構(gòu)的在線(xiàn)并行協(xié)同設(shè)計(jì)。在充分掌握和分析壩址地形、地質(zhì)等基本設(shè)計(jì)資料基礎(chǔ)上，并經(jīng)論證、核實(shí)后合理確定各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，直接在三維地質(zhì)模型上進(jìn)行多人并行的三維設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析。同時(shí)開(kāi)展相關(guān)的研究工作和模型試驗(yàn)工作，充分采用已有的先進(jìn)科研成果，借鑒國(guó)內(nèi)外其它拱壩的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的分析研究，直接通過(guò)三維模型來(lái)表達(dá)最終的拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)三維拱壩協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)分析計(jì)算模型、工程圖與三維幾何模型保持關(guān)聯(lián)更新能力，大大提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)概述

VPM系統(tǒng)是為實(shí)施基于CATIA的在線(xiàn)設(shè)計(jì)而搭建的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)統(tǒng)一存放在服務(wù)器的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理，進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)分解與分配、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)協(xié)同和歸檔。

在沒(méi)有VPM協(xié)同的情況下，設(shè)計(jì)人員通過(guò)單向、靜態(tài)的反復(fù)溝通達(dá)到協(xié)同的目的，這中間，沒(méi)有共享、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，溝通的過(guò)程信息有所損失，溝通是單向的，同一個(gè)信息可能要反復(fù)傳遞，造成效率降低和數(shù)據(jù)管理無(wú)序。

在有VPM協(xié)同的情況下，設(shè)計(jì)人員通過(guò)集中的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)達(dá)到協(xié)同設(shè)計(jì)的目的，實(shí)現(xiàn)信息的集中管理、集中發(fā)送，達(dá)到完全共享的目的，帶來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)溝通效率的提高，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理、有序共享。

目前我院VPM和MatrixOne擁有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫(kù)(見(jiàn)圖1)，采用MatrixOne作為項(xiàng)目管理平臺(tái)、VPM作為三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)。專(zhuān)業(yè)處室在MatrixOne中進(jìn)行拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)分解、指派計(jì)劃，同時(shí)在VPM中建立拱壩結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)，并分配設(shè)計(jì)人員。目前我院還沒(méi)建立MatrixOne的任務(wù)節(jié)點(diǎn)與VPM的模型節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，未來(lái)的目標(biāo)是通過(guò)ENOVIA VPM與MatrixOne軟件的集成化開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)MatrixOne的計(jì)劃任務(wù)與VPM模型節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)。

圖1 VPM協(xié)同平臺(tái)的C/S模型

拱壩協(xié)同設(shè)計(jì)流程是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析、管理的虛擬設(shè)計(jì)過(guò)程，專(zhuān)業(yè)負(fù)責(zé)人可以從更高的高度來(lái)管理設(shè)計(jì)流程，即使這么做的利益不會(huì)馬上顯現(xiàn)。設(shè)計(jì)人員可以重用現(xiàn)有的模板、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，或者構(gòu)思重復(fù)利用的設(shè)計(jì)流程。 鼓勵(lì)使用可替代的技術(shù)和方法(例如模板、標(biāo)準(zhǔn)件、工程結(jié)構(gòu)組件)，通過(guò)主骨架模型來(lái)驅(qū)動(dòng)孔口、廊道、電梯井等結(jié)構(gòu)模型，而非從頭到尾逐個(gè)建立三維模型及繪制圖紙。當(dāng)新的方案修改了，只需更新或重用現(xiàn)有的模板。這種重用機(jī)制的應(yīng)用允許企業(yè)僅通過(guò)調(diào)整總體骨架、重用模板等技術(shù)，而非被迫進(jìn)行大規(guī)模新建三維模型，能在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)變化的設(shè)計(jì)方案、復(fù)雜的工地現(xiàn)場(chǎng)條件作出快速響應(yīng)。

協(xié)同設(shè)計(jì)不僅僅是一種三維設(shè)計(jì)的方法論,還包含協(xié)同管理理念。例如，應(yīng)用VPM協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，管理者可以方便地管理各個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)度，并在深度和廣度上進(jìn)行延伸。其原理是，通過(guò)分析上下游專(zhuān)業(yè)之間、專(zhuān)業(yè)內(nèi)部工程結(jié)構(gòu)之間的相互引用，使項(xiàng)目管理人員方便地了解什么時(shí)候、什么原因、哪些設(shè)計(jì)工作完成或正在進(jìn)行、設(shè)計(jì)流程瓶頸出現(xiàn)在哪個(gè)環(huán)節(jié)等的數(shù)據(jù)信息，這樣就幫助了項(xiàng)目管理人員或?qū)I(yè)室主任監(jiān)控、優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)流程，降低了決策時(shí)間和成本。

在線(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)的一個(gè)中心思想就是使企業(yè)應(yīng)用擺脫專(zhuān)業(yè)間面向事后溝通協(xié)調(diào)的解決方案的束縛，輕松應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)資料輸入變化、跟進(jìn)施工現(xiàn)場(chǎng)的需要，提前對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性評(píng)估。單個(gè)孤立的專(zhuān)業(yè)模型是無(wú)法反映上下游專(zhuān)業(yè)間的數(shù)據(jù)輸入輸出及相互影響關(guān)系，即使是一個(gè)大型的工程模型，仍然不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)過(guò)程中的施工現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)計(jì)方案不斷修改、變化的缺口。

通過(guò)三維協(xié)同，可以使得整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程在3D狀態(tài)下，對(duì)項(xiàng)目各單元工程數(shù)據(jù)可視化管理，與業(yè)主、施工單位、專(zhuān)業(yè)間進(jìn)行更方便高效的溝通。

通過(guò)VPM系統(tǒng)的完整變化的設(shè)計(jì)上下文環(huán)境，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)管理，能夠支持參考已有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)知識(shí)模板重用，提升CATIA應(yīng)用性能，數(shù)據(jù)共享更安全。VPM系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)協(xié)同、在線(xiàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以提高協(xié)同工作的效率，很好地保證數(shù)據(jù)單源性和實(shí)時(shí)更新，縮短拱壩設(shè)計(jì)周期。

3 專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)

通過(guò)三維協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線(xiàn)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)成果集中管理，可以避免專(zhuān)業(yè)之間、專(zhuān)業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)盲區(qū)，降低出錯(cuò)概率；通過(guò)參數(shù)化和關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)快速建模，提高三維設(shè)計(jì)效率。

VPM虛擬產(chǎn)品管理解決方案，可以幫助企業(yè)建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)的協(xié)同設(shè)計(jì)管理平臺(tái)，對(duì)CATIA模型數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次、特征級(jí)的數(shù)據(jù)挖掘。正是由于VPM能夠基于3D數(shù)字電站協(xié)同的充分“理解”，為工程師高效管理三維模型數(shù)據(jù)提供了有力的幫助。

VPM系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)協(xié)同、在線(xiàn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以提高協(xié)同工作的效率，很好地保證數(shù)據(jù)單源性并實(shí)時(shí)更新，縮短設(shè)計(jì)周期。采用自上而下的模型結(jié)構(gòu)組織方式，層次明確，比較適合復(fù)雜拱壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)任務(wù)逐級(jí)分解，實(shí)現(xiàn)跨專(zhuān)業(yè)、專(zhuān)業(yè)內(nèi)的協(xié)同工作。

與地質(zhì)專(zhuān)業(yè)協(xié)同，主要涉及到拱壩建基面開(kāi)挖、基礎(chǔ)處理、邊坡支護(hù)等。地質(zhì)模型的建立過(guò)程可以用“盲人摸象”和“雕刻藝術(shù)品”的迭代過(guò)程來(lái)比喻。把前期獲得各種片斷的地質(zhì)信息放在三維模型里面反演、推測(cè)，通過(guò)綜合比較這些地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)，去偽存真，匯總成一個(gè)整體的地質(zhì)模型。然后根據(jù)施工進(jìn)展所揭示的新的地質(zhì)信息，補(bǔ)充新的勘探資料，再修正、更新地質(zhì)模型，使地質(zhì)模型不斷逼近和反映真實(shí)地質(zhì)情況。在傳統(tǒng)的二維圖設(shè)計(jì)模式下，各種地質(zhì)資料變更信息比較多，難于管理及分類(lèi)，以及無(wú)法量化、形象、及時(shí)地判斷地質(zhì)變化對(duì)水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響程度和范圍。

在三維協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下，水工設(shè)計(jì)人員可以從整體上把握工程的地質(zhì)情況，根據(jù)需要剖切生成二維圖，并能實(shí)時(shí)了解地質(zhì)信息變化。而無(wú)需查閱各種地質(zhì)二維圖紙和地質(zhì)勘探資料，通過(guò)想象力形成空間三維的地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

例如在錦屏一級(jí)拱壩的建基面開(kāi)挖中(見(jiàn)圖2、3)，地質(zhì)專(zhuān)業(yè)人員根據(jù)新的揭露的地質(zhì)信息，調(diào)整斷層巖脈位置后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)只通知引用關(guān)聯(lián)該斷層的建基面、混凝土網(wǎng)格置換結(jié)構(gòu)進(jìn)行更新。斷層位置在建基面上變化，是否需要調(diào)整混凝土網(wǎng)格置換設(shè)計(jì)方案，一目了然。還可以對(duì)地質(zhì)信息變更后的建基面巖體質(zhì)量重新評(píng)估、統(tǒng)計(jì)比較開(kāi)挖方量，確定是否需要調(diào)整基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)方案等。在VPM上可以保留不同設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)模型及其對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)處理措施設(shè)計(jì)成果，方便追溯以往的設(shè)計(jì)成果，如作為后期整理和積累工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的素材。

與機(jī)電專(zhuān)業(yè)協(xié)同，主要有拱壩的孔口群閘門(mén)啟閉設(shè)備、廊道內(nèi)部的監(jiān)測(cè)設(shè)備、管線(xiàn)、壩頂門(mén)機(jī)等設(shè)備布置等。由于這些機(jī)電設(shè)備依附于拱壩結(jié)構(gòu)，由拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在完成這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，按照機(jī)電專(zhuān)業(yè)的要求，將結(jié)構(gòu)控制元素先發(fā)布出來(lái)并通知機(jī)電專(zhuān)業(yè)，然后由機(jī)電專(zhuān)業(yè)引用所發(fā)布的控制元素進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的布置。這樣拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)電設(shè)備布置可以并行進(jìn)行，互不干擾。同時(shí)機(jī)電設(shè)備通過(guò)引用拱壩專(zhuān)業(yè)已經(jīng)發(fā)布的控制元素，保持上下文關(guān)聯(lián)，無(wú)需因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)位置的變化而重新布置機(jī)電設(shè)備。當(dāng)機(jī)電設(shè)備在拱壩結(jié)構(gòu)內(nèi)無(wú)法布置或互相交叉干涉時(shí)，通過(guò)三維會(huì)簽方式，直接修改拱壩細(xì)部結(jié)構(gòu)，再由機(jī)電專(zhuān)業(yè)人員重新布置設(shè)備，不斷調(diào)整，提高了專(zhuān)業(yè)間的溝通和設(shè)計(jì)效率。

圖2 拱壩建基面開(kāi)挖(與地質(zhì)專(zhuān)業(yè)協(xié)同)

圖3 建基面開(kāi)挖及基礎(chǔ)處理(與地質(zhì)專(zhuān)業(yè)協(xié)同)

圖4是在三維協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中，拱壩設(shè)計(jì)人員將下游閘墩弧形閘門(mén)的支鉸點(diǎn)控制點(diǎn)元素發(fā)布出來(lái)，機(jī)電專(zhuān)業(yè)人員在VPM環(huán)境中，根據(jù)所發(fā)布的支鉸點(diǎn)元素直接定位、安裝弧形閘門(mén)。如果弧形閘門(mén)無(wú)法在虛擬閘墩上布置，可以通過(guò)調(diào)整閘門(mén)尺寸，或調(diào)整閘門(mén)的支鉸位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)這種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)方式可以實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化、實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)，可以大大避免在施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的安裝調(diào)試的各種問(wèn)題。

圖4 出口閘墩布置弧形閘門(mén)(與機(jī)電專(zhuān)業(yè)協(xié)同)

4 拱壩結(jié)構(gòu)的骨架驅(qū)動(dòng)、參數(shù)化設(shè)計(jì)

通常我們用裝配樹(shù)表達(dá)拱壩的層次化結(jié)構(gòu)。在分析拱壩結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上, 研究壩體、孔口、廊道、電梯井、基礎(chǔ)處理的關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)方法, 采用了在VPM在線(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下直接進(jìn)行拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法, 通過(guò)控制骨架的方式實(shí)現(xiàn)拱壩層次化結(jié)構(gòu)，管理各個(gè)單元結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性、建立各層模型的裝配關(guān)系。在專(zhuān)業(yè)內(nèi)，各個(gè)拱壩結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由多人在線(xiàn)并行設(shè)計(jì)，結(jié)合具體的零件特征建模方法，實(shí)現(xiàn)整個(gè)拱壩結(jié)構(gòu)的全相關(guān)驅(qū)動(dòng)(見(jiàn)圖5)。

圖5 骨架驅(qū)動(dòng)的模型節(jié)點(diǎn)

在可研設(shè)計(jì)階段就采用自頂向下設(shè)計(jì)方法,建立拱壩整體骨架模型和控制參數(shù)，逐層分解細(xì)化。經(jīng)過(guò)可研、招標(biāo)、技施的不同設(shè)計(jì)階段的迭代設(shè)計(jì)過(guò)程, 得到最終拱壩結(jié)構(gòu)的三維模型。在可研設(shè)計(jì)階段，很多設(shè)計(jì)方案不確定，其幾何模型也不確定, 隨著設(shè)計(jì)的深入、結(jié)構(gòu)的細(xì)化, 逐步建立起清晰的拱壩結(jié)構(gòu)裝配模型和零件幾何模型。 因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)初期就詳細(xì)考慮了拱壩的層次化結(jié)構(gòu)、整體控制骨架布置和主要設(shè)計(jì)參數(shù), 并通過(guò)發(fā)布/引用機(jī)制管理各個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，所以很少出現(xiàn)反復(fù)修改裝配結(jié)構(gòu)的情況。 這樣以后整個(gè)拱壩結(jié)構(gòu)模型的更新只由控制結(jié)構(gòu)或關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量來(lái)控制, 大大提高了拱壩的快速設(shè)計(jì)效率。

以拱壩設(shè)計(jì)流程為對(duì)象，研究主骨架模型技術(shù)和內(nèi)涵，采用參數(shù)化、設(shè)計(jì)工程、模板標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)實(shí)現(xiàn)快速建模。通過(guò)主骨架模型將各工程結(jié)構(gòu)，如孔口、廊道、電梯井、壩后橋、壩頂結(jié)構(gòu)、閘門(mén)、基礎(chǔ)處理等關(guān)聯(lián)起來(lái)，目的就是要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新零件或部件, 以保證設(shè)計(jì)結(jié)果的一致性。 實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是要解決相關(guān)約束在零件間、部件間以及零件與部件間的傳播與求解,使整個(gè)拱壩各個(gè)結(jié)構(gòu)只被少量的幾何框架或設(shè)計(jì)參數(shù)控制，從而極大地提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期(見(jiàn)圖6)。

在構(gòu)建水工標(biāo)準(zhǔn)件模板UDF的時(shí)候，可以應(yīng)用CATIA 知識(shí)工程建模技術(shù)，如Parametric Curve(參數(shù)曲線(xiàn))、Design Table(設(shè)計(jì)表)、Rule(規(guī)則)、Check(檢查)、Reactions 等，使結(jié)構(gòu)相似的拱壩結(jié)構(gòu)統(tǒng)一表達(dá)為一個(gè)CATPart 文件。當(dāng)設(shè)計(jì)者在調(diào)用模板的時(shí)候，只需修改模板設(shè)計(jì)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)快速建模。通過(guò)已有的拋物線(xiàn)拱圈模板，快速建立溪洛渡、錦屏一級(jí)、大崗山等拱壩模型，并調(diào)整拱圈參數(shù)實(shí)現(xiàn)拱壩體形優(yōu)化。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，可以迅速適應(yīng)設(shè)計(jì)方案發(fā)生變更，無(wú)需重復(fù)建模，提高設(shè)計(jì)效率。

圖6 采用骨架驅(qū)動(dòng)、模板參數(shù)化的拱壩模型

5 二維出圖

在水電設(shè)計(jì)行業(yè)，二維圖被作為最終設(shè)計(jì)方案成果表達(dá)。為了減少手工修改二維圖的繁瑣工作，盡量保持二維圖與三維模型的關(guān)聯(lián)性，可以極大地提高效率。對(duì)于結(jié)構(gòu)規(guī)則、可復(fù)用程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)圖可以采用文檔模板出圖，如廊道典型斷面結(jié)構(gòu)圖及鋼筋圖、壩體澆筑塊結(jié)構(gòu)圖、基礎(chǔ)處理的洞室斷面及洞內(nèi)圍巖支護(hù)圖。但拱壩大部分結(jié)構(gòu)屬于非標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以直接通過(guò)投影、剖切等方式生成二維圖，與三維模型保持關(guān)聯(lián)。由于經(jīng)過(guò)校審后的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)尺寸基本已經(jīng)確定，最后完成的二維圖的元素與三維模型可保留關(guān)聯(lián)或打斷關(guān)聯(lián)關(guān)系，作為最后藍(lán)圖存檔。

6 拱壩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析一體化

傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，分析的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)的后驗(yàn)校核和事故分析。目前CAE工具存在多個(gè)系統(tǒng)并存的局面，使用不方便，而且培訓(xùn)成本比較高。同時(shí)將幾何模型轉(zhuǎn)成分析模型，參數(shù)化信息丟失，不能與原來(lái)的CAD模型保持關(guān)聯(lián)，當(dāng)幾何模型的結(jié)構(gòu)和尺寸發(fā)生變化，只能重新建立分析模型，導(dǎo)致分析品質(zhì)和效率的低下。

20世紀(jì)90年代前大部分CAD模型都是非參數(shù)化的，90年代開(kāi)始以參數(shù)化為主，到2000年之后，發(fā)展到知識(shí)工程化。從本世紀(jì)初開(kāi)始，以CATIA V5為代表的CAD軟件商強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的智能化，所有的數(shù)據(jù)都是參數(shù)化的，如各種設(shè)計(jì)方案可以通過(guò)EXCEL表格來(lái)驅(qū)動(dòng)，用戶(hù)可以自己定義特征、規(guī)則等。在這種情況下，在PLM中集成CAE功能就非常重要了。與之相對(duì)應(yīng)的，CAE的發(fā)展軌跡，從FEM到計(jì)算力學(xué)，再到CAE，參數(shù)化CAE已成為主流，通過(guò)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)參數(shù)化，容易進(jìn)行形狀優(yōu)化。此時(shí)的主流CAE開(kāi)始講究與CAD系統(tǒng)界面的融合,使設(shè)計(jì)方案能夠得到快速檢驗(yàn)。理想的情況下，設(shè)計(jì)和分析在同一環(huán)境下，也就是在PLM集成平臺(tái)，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-分析的快速循環(huán)，使得傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)變成短過(guò)程的開(kāi)發(fā)過(guò)程，即設(shè)計(jì)-分析的循環(huán)型產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程，也就是基于CAE或基于分析的設(shè)計(jì)。

未來(lái)CAE的發(fā)展，是要達(dá)到設(shè)計(jì)仿真一體化、分析模擬的數(shù)據(jù)和流程的統(tǒng)一管理、多學(xué)科仿真及混合有限元分析等。無(wú)論怎樣，設(shè)計(jì)、仿真一體化都是大勢(shì)所趨，未來(lái)CAE要更多為設(shè)計(jì)服務(wù)，為水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新提供更好的支撐。

CATIA分析與仿真解決方案為我們提供了高度自動(dòng)化、透明的分析解決方案。CATIA能夠自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和初步的有限元分析，同時(shí)與原三維模型保持關(guān)聯(lián)。當(dāng)三維模型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有限元模型也跟隨更新，無(wú)需重新建立模型，大大縮短了建模時(shí)間和提高了分析效率。設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)修改三維模型，分析人員可以利用已有的三維模型，進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移等計(jì)算分析。

利用CATIA自帶的網(wǎng)格剖分工具生成的網(wǎng)格，提取節(jié)點(diǎn)、單元信息，按照ANSYS的格式編寫(xiě)輸入文件，然后在ANSYS讀入節(jié)點(diǎn)單元信息，再賦值材料信息、荷載、邊界約束，進(jìn)行有限元分析。

以錦屏廊道配筋計(jì)算為例，在對(duì)廊道進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，首先進(jìn)行包括基礎(chǔ)的拱壩空間三維整體有限元靜力分析，將各個(gè)檢查廊道、監(jiān)測(cè)廊道等細(xì)部結(jié)構(gòu)模擬到壩體上，并取隔離體，重新加密單元網(wǎng)格，指定與整體模型同樣的分析類(lèi)型和分析選項(xiàng)，并將整體模型上子模型對(duì)應(yīng)邊界插值位移載荷數(shù)據(jù)文件讀入模型中，施加水壓、沙壓、溫度場(chǎng)、重力，然后求解分析子模型,并得出相應(yīng)結(jié)果，并得出廊道周?chē)膽?yīng)力分布情況(見(jiàn)圖7～8)。

有限元配筋方法：根據(jù)有限元計(jì)算成果，將應(yīng)力成果插值到相應(yīng)的計(jì)算剖面特征方向線(xiàn)上，繪制該特征方向線(xiàn)的應(yīng)力圖形，再根據(jù)應(yīng)力圖形面積，確定所需的鋼筋量(見(jiàn)圖9～10)。

圖7 錦屏一級(jí)廊道子模型及各個(gè)廊道相對(duì)位置

圖8 錦屏一級(jí)某廊道斷面的S1應(yīng)力等值線(xiàn)

圖9 錦屏一級(jí)某廊道斷面廊壁附近的主應(yīng)力

以錦屏邊坡穩(wěn)定分析為例，通過(guò)以下步驟完成邊坡塊體的剛體極限平衡法的分析：

(1)在VPM協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境下，在滿(mǎn)足計(jì)算精度的前提下，對(duì)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的地形、地質(zhì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化、輕量化處理(見(jiàn)圖11)。

(2)在CATIA 完成拱壩建基面、纜機(jī)平臺(tái)、墊座邊坡的三維開(kāi)挖(見(jiàn)圖12)。

(3)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將巖層面和裂隙面等結(jié)構(gòu)面假設(shè)為平面，用參數(shù)控制結(jié)構(gòu)面的位置、走向、傾向，切割生成可能存在的塊體(見(jiàn)圖13)。

(4)利用CATIA 軟件的測(cè)量功能獲取各個(gè)結(jié)構(gòu)面的面積、形心位置及滑塊的體積，將這些幾何信息和結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)換算為揚(yáng)壓力、滑動(dòng)力、壓力、重力及其方向，按照穩(wěn)定計(jì)算程序輸入格式編寫(xiě)，然后用穩(wěn)定計(jì)算程序計(jì)算滑塊的抗滑安全系數(shù)。

(5)按照一定步長(zhǎng)調(diào)整各結(jié)構(gòu)面位置、走向、傾向參數(shù)，計(jì)算出新的安全系數(shù)，求得邊坡最小抗滑安全系數(shù)。

圖10 錦屏一級(jí)某廊道斷面的各種應(yīng)力

圖11 錦屏一級(jí)左岸地形地質(zhì)簡(jiǎn)化模型

圖12 錦屏左岸纜機(jī)平臺(tái)及建基面、墊座開(kāi)挖模型

圖13 錦屏一級(jí)左岸纜機(jī)平臺(tái)開(kāi)挖前后的滑塊體模型

通過(guò)結(jié)合CATIA進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，可以直觀地反映塊體的幾何形狀，可以直接察看楔體滑塊和滑動(dòng)面的情況，有時(shí)候根據(jù)塊體邊界面的位置方向就可以直接判斷是單滑還是雙滑模式；能輕松獲取各個(gè)結(jié)構(gòu)面的面積、形心位置及滑塊的體積，減少了大量重復(fù)工作，提高了計(jì)算效率。在進(jìn)行巖質(zhì)邊坡楔體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，通常構(gòu)成楔體的某一組或兩組結(jié)構(gòu)面位置并非完全確定，這就要在一系列滑動(dòng)面組合下搜索最小穩(wěn)定安全系數(shù)，滑動(dòng)面組合情況越多，利用CATIA 軟件進(jìn)行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)越明顯。

DS的全生命周期管理工具，CATIA、ENOVIA VPM、Composor等在我院的數(shù)字錦屏一級(jí)電站、溪洛渡電站、坪頭電站、伊朗巴哈梯亞瑞電站設(shè)計(jì)過(guò)程中，得到了全面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、分析的緊密結(jié)合和數(shù)據(jù)共享，在全相關(guān)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了三維數(shù)字電站循環(huán)型的協(xié)同設(shè)計(jì)、分析過(guò)程。未來(lái)水工結(jié)構(gòu)CAE仿真趨勢(shì)是仿真PLM一體化、分析模擬的數(shù)據(jù)和流程的統(tǒng)一管理、多學(xué)科仿真以及有限元仿真的融合。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)部署MaxtriOne和CATIA/VPM協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，整合了拱壩設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)流程管理，大大提高了質(zhì)量和效率。通過(guò)VPM在線(xiàn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)間、專(zhuān)業(yè)內(nèi)的協(xié)同，設(shè)計(jì)分析一體化。通過(guò)對(duì)拱壩三維協(xié)同設(shè)計(jì)的探索，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字拱壩信息模型的數(shù)字化產(chǎn)品移交的設(shè)計(jì)模式奠定基礎(chǔ)。

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