尹偉波，孫 凱，魏魯雙

(1.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

水工鋼閘門結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，出圖量大，制約了鋼閘門優(yōu)化設(shè)計(jì)水平和與相關(guān)專業(yè)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì).目前鋼閘門三維設(shè)計(jì)多半是利用軟件已有功能來構(gòu)筑物理模型，然后利用手工進(jìn)行工程圖制作.尤其是鋼閘門設(shè)計(jì)過程中的材料清單生成等工作完全依賴人工進(jìn)行，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力［1］.三維建模依賴于具體項(xiàng)目的單體，在圖形的架構(gòu)、分類及劃分層次中沒有進(jìn)行科學(xué)的管理，圖形的可移植性和重復(fù)利用率低［2］.因此，在鋼閘門設(shè)計(jì)中提供屬于不同層次、不同級(jí)別的模板是快速化建模的關(guān)鍵，也是提高設(shè)計(jì)水平和效率的有效途徑.

筆者對(duì)平板鋼閘門的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了歸類，使用基本構(gòu)件的形狀信息、屬性參數(shù)和約束參數(shù)構(gòu)筑了構(gòu)件的信息模型［3］，以網(wǎng)軸線作為驅(qū)動(dòng)骨架，并建立了構(gòu)件各級(jí)別、各層次的數(shù)字圖形模板庫.

1 構(gòu)件分類

構(gòu)件的分類是三維建模中的關(guān)鍵一環(huán)，直接影響著建模的速度和效率以及用戶的操作體驗(yàn).分類過于具體(如所有結(jié)構(gòu)都以板材處理)，則導(dǎo)致建模繁瑣，不利于提升建模的速度和質(zhì)量.分類過于粗略(如將門葉作為一個(gè)整體)，則會(huì)使模型失去靈活性和適應(yīng)性.因此，筆者認(rèn)為比較合適的分類依據(jù)為:①各構(gòu)件能夠作為文獻(xiàn)［4］中獨(dú)立的計(jì)算單元，以便和計(jì)算部分銜接;②各構(gòu)件中使用的板材規(guī)格一般不超過3種;③各構(gòu)件的分類考慮層次和級(jí)別，以便和出圖部分銜接.根據(jù)上述基本原則，確定閘門構(gòu)件的分類如圖1所示.

在圖1構(gòu)件分類的基礎(chǔ)之上，總結(jié)平板鋼閘門常用的結(jié)構(gòu)型式，主要包括以下3種.

1)零件和標(biāo)準(zhǔn)件［3，5］.零件的特征是能由起始位置、結(jié)束位置和截面決定;標(biāo)準(zhǔn)件的特征是符合各種規(guī)范.

2)組合件.由零件、標(biāo)準(zhǔn)件和軸線組合而成，零件和標(biāo)準(zhǔn)件附著于軸線之上，隨著軸線的變化而相應(yīng)變化，零件和標(biāo)準(zhǔn)件能夠自由拆卸.

3)項(xiàng)目工程.由組合件、零件和軸線組合而成，組合件和零件附著于軸線之上，隨著軸線的變化而相應(yīng)變化，零件和組合件能夠自由拆卸.

對(duì)平板鋼閘門設(shè)計(jì)所使用的構(gòu)件進(jìn)行分類［6］:①零件級(jí)別包括20多個(gè)大類、150多個(gè)子類和400多個(gè)實(shí)例模型;②組合件級(jí)別包括120多個(gè)類;③項(xiàng)目級(jí)別包括25套模板.

2 數(shù)字圖形模板庫的建立

使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VB.Net對(duì)各模板按圖形數(shù)據(jù)方法進(jìn)行匯編，即可得到平板鋼閘門的數(shù)據(jù)圖形模板庫.

2.1 零件和標(biāo)準(zhǔn)件模板庫

零件在使用時(shí)，首先需要選擇截面類型和樣式，然后選擇生成路徑(以起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)代替)，即可生成(拉伸、放樣、掃略)構(gòu)件.鋼閘門構(gòu)件大部分屬于這類構(gòu)件，比如主梁、次梁、邊梁等各種梁系.標(biāo)準(zhǔn)件是符合規(guī)范的各種標(biāo)準(zhǔn)件，諸如螺栓、螺母等.零件的數(shù)字圖形模板庫如圖2所示.

圖2 零件圖形模板庫

2.2 組合件模板庫

組合件一般由定位位置和參數(shù)組成［7－8］.模板中首先需要使用約束(對(duì)齊、匹配、角度、插入)設(shè)定三維模型和參數(shù)，并確定整體插入位置.使用時(shí)選擇插入點(diǎn)并確定參數(shù)即可生成構(gòu)件.鋼閘門構(gòu)件中的封水結(jié)構(gòu)和門槽結(jié)構(gòu)一般屬于該種類型.組合件的數(shù)字圖形模板庫如圖3所示.

圖3 組合件圖形模板庫

2.3 項(xiàng)目模板庫

在組合件和零件的基礎(chǔ)之上組合成項(xiàng)目模型庫.把鋼閘門所包括的門葉結(jié)構(gòu)、門槽結(jié)構(gòu)、水封結(jié)構(gòu)等以整套模板存儲(chǔ)起來，供相似項(xiàng)目進(jìn)行快速移植.項(xiàng)目圖形模板庫如圖4所示.

圖4 項(xiàng)目圖形模板庫

在上述圖形模板庫基礎(chǔ)上構(gòu)建的各種項(xiàng)目級(jí)模板均可存入該項(xiàng)目級(jí)別模板庫中，以實(shí)現(xiàn)鋼閘門三維建模的智能累積功能.

3 數(shù)字圖形模板庫的應(yīng)用

利用Inventor軟件提供的面向?qū)ο蟮腁PI二次開發(fā)接口，筆者所在團(tuán)隊(duì)利用多年來總結(jié)的一系列關(guān)于三維設(shè)計(jì)的理論和方法［3，5－8］，提出了基于 Inventor平臺(tái)的平板鋼閘門智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并把數(shù)字圖形模板庫應(yīng)用到該系統(tǒng)的快速建模當(dāng)中.圖5是從組件模板庫中生成的模型.

圖5 單節(jié)門葉模型

4 結(jié)語

在對(duì)鋼閘門分類分層的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)圖形模板庫，能夠?yàn)殇撻l門的快速建模提供大量準(zhǔn)確精細(xì)的三維模型，實(shí)現(xiàn)了鋼閘門建模的智能積累，提高了設(shè)計(jì)的精度和效率.

［1］吳玉光，朱燈林.平面鋼閘門集成CAD軟件設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2001，13(1):44－47.

［2］余迎賓，賈剛.基于CATIA軟件的水工鋼閘門三維設(shè)計(jì)［J］.水電站設(shè)計(jì)，2009(1):17 －21.

［3］魏群，張國新，尉軍耀，等.拱壩三維可視化設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)與應(yīng)用［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，41(9):1087－1090.

［4］編者不詳.DL/T 5013—95水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:電力工業(yè)出版社，1995.

［5］尹偉波，魏群，姬廣坤.基于 BRep的自動(dòng)裝配技術(shù)在Inventor上的實(shí)現(xiàn)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(6):23－26.

［6］華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究院.智能鋼閘門設(shè)計(jì)系統(tǒng)研發(fā)報(bào)告［R］.鄭州:華北水利水電學(xué)院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究院，2012.

［7］魏群，姬廣坤，尹偉波.基于深層分析的方法的Inventor二次開發(fā)［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(5):1－5.

［8］魏群，張國新.巖土工程圖形計(jì)算力學(xué)的概念方法及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，27(10):2043 －2050.