劉敦煌

Inventor三維設(shè)計(jì)軟件在水利水電工程中的應(yīng)用

劉敦煌

（長(zhǎng)江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010）

Inventor軟件是全面智能化的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具。應(yīng)用Inventor軟件設(shè)計(jì)了鋼結(jié)構(gòu)、系船墩、變坡水槽等機(jī)械設(shè)備，高效準(zhǔn)確地解決了實(shí)際水力學(xué)工程問題。結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例介紹了軟件的基本功能，表明Inventor三維軟件是工程技術(shù)及科學(xué)研究的重要工具。進(jìn)一步掌握其技術(shù)和技巧，即可進(jìn)入設(shè)計(jì)的前沿，輔助實(shí)現(xiàn)工程技術(shù)及科學(xué)研究的創(chuàng)意與創(chuàng)新。

Inventor軟件；水利水電；工程技術(shù)；科學(xué)研究

1 研究背景

在水利水電樞紐的各個(gè)建筑物中，大量配套使用機(jī)械和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，如水輪機(jī)、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)、閘閥門等；樞紐原型建筑物的設(shè)計(jì)建造，也需要預(yù)先設(shè)計(jì)制作模型，模擬幾何、物理量等。這些設(shè)備與模型的形狀、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，需要高效準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，是樞紐建筑物安全運(yùn)行，保證發(fā)揮最大效益的關(guān)鍵；也是保證模型研究的數(shù)理分析和實(shí)驗(yàn)分析正確的回復(fù)到原型狀態(tài)的重要基礎(chǔ)。

應(yīng)用Inventor軟件設(shè)計(jì)了鋼結(jié)構(gòu)、系船墩、變坡水槽等機(jī)械設(shè)備，高效準(zhǔn)確的解決了實(shí)際工程課題。Inventor軟件是十分通用的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件工具，軟件包括多個(gè)基本的功能模塊，可以十分輕松的完成零件與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)；其附加模塊，可以進(jìn)行管路設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)、有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真演示等功能，同時(shí)具備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)，其設(shè)計(jì)功能，可以全面覆蓋水利水電工程及科學(xué)研究工作的設(shè)計(jì)需要，是全面提高生產(chǎn)力的有力工具。

Inventor軟件是具有全面智能化的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，具有強(qiáng)大、高效的功能，可以完成各種設(shè)計(jì)。為相關(guān)專業(yè)課題研究增添重要的基礎(chǔ)手段，形成多專業(yè)的先進(jìn)技術(shù)交叉取補(bǔ)，最大限度提高產(chǎn)品與成果的綜合品質(zhì)。

2 設(shè)計(jì)應(yīng)用示例

Inventor三維設(shè)計(jì)軟件有造型、裝配、計(jì)算、仿真等功能［1］，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)置及調(diào)用，就可以十分迅速有效地解決面臨的各種設(shè)計(jì)問題。

2.1 物理模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在力學(xué)研究中，需要對(duì)建筑物在不同條件不同狀態(tài)下進(jìn)行系統(tǒng)的觀察和測(cè)定，從原型數(shù)據(jù)中分析得到力學(xué)規(guī)律，這是最為可靠的方法。但是實(shí)際問題中，多數(shù)課題必須逆向研究，即根據(jù)力學(xué)相似原理預(yù)先在實(shí)驗(yàn)室，以適當(dāng)?shù)谋壤呖s小建造模型以及配套的設(shè)備，完整準(zhǔn)確地表現(xiàn)與原型成一定比例的力學(xué)現(xiàn)象，間接呈現(xiàn)原型建筑物狀態(tài)和各種參數(shù)。因此，物理模型的設(shè)計(jì)制作是準(zhǔn)確呈現(xiàn)原型數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。

通常物理模型的主要要素是幾何形態(tài)、材料屬性和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等?；趥鹘y(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，采用二維設(shè)計(jì)軟件以及機(jī)械制圖與畫法幾何知識(shí)完成平面形狀，然后再根據(jù)相關(guān)原理作分析計(jì)算才可完成。但在Inventor軟件設(shè)計(jì)里，首先定義模型材料的屬性，然后在二維狀態(tài)繪制平面形狀，再轉(zhuǎn)化為具有三維形式的立體形狀零件，在作尺寸與公差標(biāo)注的同時(shí)，也可即時(shí)修改零件外形。完成了全部零件后，接著進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)，在裝配設(shè)計(jì)過(guò)程中還可以對(duì)零件形狀作逆向修改。最后根據(jù)選定的材料屬性，得到物理參數(shù)，進(jìn)行必要的強(qiáng)度剛度校核。

在實(shí)際設(shè)計(jì)使用中，Inventor軟件可以較快地繪制形狀，設(shè)計(jì)者可以留有較多的時(shí)間考慮零部件功能、作用、關(guān)聯(lián)等實(shí)質(zhì)內(nèi)容。而且在物理模型尚未建造之前，就可通過(guò)裝配完成的虛擬模型，作預(yù)先的觀察與評(píng)估。

2.2 水下鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葛洲壩水利水電樞紐大江排砂孔進(jìn)水口底板高程為28 m，其淹沒水深約為38 m。為了觀察研究排砂孔進(jìn)水口門底板的流態(tài)及砂礫運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)的支架帶著水下攝像儀器安裝到進(jìn)水口門底板上，實(shí)時(shí)觀察記錄水下砂礫流動(dòng)過(guò)程。設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)排砂孔進(jìn)水口門以及水下觀察部位結(jié)構(gòu)，確定支架輪廓尺寸為8 000 mm×3 000 mm× 1 200 mm（寬×高×長(zhǎng)（水流方向））。

圖1 水下攝像儀固定支架Fig.1 Fixed bracket for underwater camera

用Inventor軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用圓形鋼管并確定了其材料屬性。由支架的作用要求與邊界條件擬定各個(gè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行構(gòu)件幾何設(shè)計(jì)和工藝造型，然后裝配各構(gòu)件成型，節(jié)點(diǎn)電弧焊連接，組成完整支架。進(jìn)一步可以將焊縫的物理特性輸出到電子表格，在實(shí)際制作中查詢各個(gè)焊道的名稱、類型、長(zhǎng)度、面積等參數(shù)。最后還可根據(jù)構(gòu)件受力狀態(tài)，作應(yīng)力與變形分析［2］，在此基礎(chǔ)上，修改構(gòu)件與整體幾何尺寸。在軟件中將其模擬安裝到進(jìn)水口底板，在實(shí)際應(yīng)用的部位觀察邊界及相關(guān)條件，確定幾何尺寸與功能作用效果，最后完成設(shè)計(jì)，出圖制造。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量以及支架整體質(zhì)量等非幾何數(shù)據(jù)同步在設(shè)計(jì)全過(guò)程中傳遞與共用。

設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①采用相同管徑的鋼管材料（管壁厚8 mm）焊接成形；②支架上安裝5臺(tái)攝像儀器與照明設(shè)備，分別有多個(gè)自由度，根據(jù)流態(tài)作調(diào)整，覆蓋需要觀察的范圍；③對(duì)支架設(shè)有位置限制構(gòu)件和頂緊固定機(jī)構(gòu)，水下安裝與拆卸過(guò)程迅速可靠；④支架整體具有足夠的自重，在動(dòng)水條件下，工作穩(wěn)定牢固；⑤結(jié)構(gòu)形狀影響水流流態(tài)最小。

在葛洲壩水利水電樞紐現(xiàn)場(chǎng)使用表明，支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔實(shí)用，設(shè)計(jì)尺寸準(zhǔn)確，儀器安裝方便牢固可靠；攝像范圍大，捕捉到全部信息。高效可靠的設(shè)計(jì)，是順利進(jìn)行水力學(xué)觀測(cè)，取得數(shù)據(jù)，完成合同的重要技術(shù)支撐。

3 結(jié) 語(yǔ)

在工業(yè)與工程建設(shè)等行業(yè)，已廣泛應(yīng)用三維軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品。Inventor三維軟件設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，界面清晰，應(yīng)用十分廣泛，上述例子僅僅是三維軟件工具最基本的應(yīng)用。軟件中的管路設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)等功能，同樣也能在水利水電工程中有重要應(yīng)用，如樞紐的監(jiān)測(cè)儀器信號(hào)電纜以及壓力管道埋設(shè)路徑設(shè)計(jì)等。

我們可以看到，設(shè)計(jì)的過(guò)程，就是策劃、構(gòu)想所設(shè)計(jì)對(duì)象的形狀、裝配、制造、使用等細(xì)節(jié)，將這樣的設(shè)想變成可以實(shí)施的結(jié)果方案。可見創(chuàng)成式的設(shè)計(jì)，最重要的是設(shè)計(jì)者必須清楚地知道產(chǎn)品的作用與功能，并據(jù)此設(shè)計(jì)出它的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、運(yùn)動(dòng)等參數(shù)和最終形狀。設(shè)計(jì)中的相關(guān)要素，在設(shè)計(jì)的全過(guò)程中要反復(fù)調(diào)整和配湊，是任何設(shè)計(jì)全過(guò)程中始終存在的動(dòng)作，只有智能化的設(shè)計(jì)軟件才會(huì)提供如此重要的功能。通過(guò)應(yīng)用我們可以得到，設(shè)計(jì)就是模擬加工、模擬裝配、模擬使用，這就是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件最具特色的功能和作用。

用Inventor軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一開始就以三維方式思考，完全進(jìn)入三維模型中，從零件受力、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力結(jié)果以及全部零件的關(guān)聯(lián)，表達(dá)出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的全部物理參數(shù)，從而建立了充分而完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步進(jìn)行零件的應(yīng)力分析、運(yùn)動(dòng)分析、裝配干涉分析，最后給出正確率高的二維加工圖和三維示意圖，完成設(shè)計(jì)。因此對(duì)于創(chuàng)成式設(shè)計(jì)，三維設(shè)計(jì)功能較二維設(shè)計(jì)效率高，而且由此生成的外觀色彩、動(dòng)作仿真和動(dòng)畫演示，對(duì)完成設(shè)計(jì)任務(wù)以及爭(zhēng)取市場(chǎng)合同都會(huì)產(chǎn)生更好的效果。

在工程建設(shè)以及科學(xué)研究全過(guò)程中，用圖形來(lái)表達(dá)成果是非常重要的形式。往往技術(shù)人員比較專注其自身專業(yè)的前沿科學(xué)技術(shù)，因此采用十分強(qiáng)大的具有通用性能的設(shè)計(jì)軟件為必備的圖形工具，就顯得非常重要。通過(guò)借鑒機(jī)械專業(yè)的優(yōu)秀設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，提高科學(xué)技術(shù)研究綜合能力，更好地為水利水電工程和科學(xué)研究服務(wù)。

［1］ 陳伯雄，董仁揚(yáng)，張?jiān)骑w，等.Inventor Professional 2008機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.（CHEN Bo-xiong，DONG Ren-yang，ZHANG Yun-fei，et al.Practices ofMechanical Design Using Inventor Professional 2008［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2008.（in Chinese））

［2］ 唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和運(yùn)動(dòng)仿真詳解［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.（TANG Xiangmin.Finite Element Analysis and Movement Simulation Using Autodesk Inventor［M］.Beijing：China Machine Press，2009.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

App lication of Inventor 3-D Design Software to W ater Conservancy and Hydropower Engineering

LIU Dun-huang
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The software Inventor is an intelligent tool for 3-D mechanical design.It is used in the present study to design mechanical equipment such as steel structure，bollard，and flume with variable slope，and has efficiently and accurately solved practical engineering problems.The basic functions of Inventor are presented by introducing design examples，which shows that Inventor is a crucial tool for the description and expression of engineering techniques and scientific research results.Utilization of Inventor is a key tomaster engineering design，and is essential for the creativity and innovation of engineering technique and scientific research.

software Inventor；water conservancy and hydropower；engineering technique；scientific research

TV52

A

1001－5485（2012）12－0119－02

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.024 2012，29（12）：119－120，126

2012－03－28；

2012－05－16

劉敦煌（1953－），男，湖北武漢人、高級(jí)工程師，主要從事工程水力學(xué)科研與機(jī)械設(shè)計(jì)工作，（電話）027－82829760（電子信箱）liudunhuang＠163.com。