麥麥提吐孫·庫爾班 艾拉提·托克遜

（新疆水利廳喀什噶爾河流域管理處 新疆 喀什 844000）

伴隨科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，三維技術(shù)和電子應(yīng)用也獲得了前所未有的發(fā)展，尤其是在工程設(shè)計(jì)方面顯示出了強(qiáng)大的生命力，在工程技術(shù)方面運(yùn)用三維技術(shù)，可以大幅度節(jié)約設(shè)計(jì)資金，使設(shè)計(jì)的時(shí)間大大縮短，有效保證了設(shè)計(jì)的成功率，能夠使企業(yè)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大潮中增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而使企業(yè)在發(fā)展當(dāng)中永葆活力，所以三維設(shè)計(jì)在實(shí)際中的應(yīng)用越來越廣泛。與三維設(shè)計(jì)緊密相關(guān)的有限元技術(shù)則是最合理的計(jì)算方法，所以為了更快地得到設(shè)計(jì)結(jié)果需進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算，水利水電方面的進(jìn)水口設(shè)計(jì)運(yùn)用三維設(shè)計(jì)和有限元計(jì)算方法是切實(shí)可行的，能夠較深層次地分析進(jìn)水塔在完成各種功能時(shí)的能力和計(jì)算工況下的應(yīng)力、內(nèi)力和位移的各種數(shù)據(jù)和分布情況，以此為進(jìn)水塔的設(shè)計(jì)提供了許多參考方法和保證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全的許多措施。

1 水利水電工程進(jìn)水口設(shè)計(jì)的概述

在大型水利水電工程設(shè)計(jì)中，為了保證進(jìn)水口設(shè)計(jì)的安全性及實(shí)用性，往往需要考慮多方面因素，如要考慮洪水泄出、利用水能發(fā)電和上流沖下的泥沙等實(shí)際情況，還要考慮進(jìn)水口的位置選擇。為保證實(shí)際應(yīng)用性，常常選擇在天然河道、人工水庫或調(diào)節(jié)池的上下落差較大部設(shè)置進(jìn)水口。進(jìn)水口的設(shè)計(jì)方法有很多種，比如斜坡式、封閉式、豎井式等，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要根據(jù)實(shí)際情況和具體應(yīng)用，水流狀況、地質(zhì)條件等綜合考慮進(jìn)水口的設(shè)計(jì)[1]。水利水電工程的進(jìn)水口壩段的建設(shè)是整個(gè)水利水電工程的重要組成部分，如果把進(jìn)水閥門閉合，就可以把上游的水擋在閥門以外，如果開啟進(jìn)水閥門，就能夠把積蓄的水放出，形成巨大的落差水位，有效利用水能發(fā)電，因此，進(jìn)水口的建設(shè)在整個(gè)水利水電工程中占有非常重要的地位，它的構(gòu)造形式一般都包括很多的孔洞，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)中要高度重視。為了積蓄更多的水能，一般情況下進(jìn)水口的形狀比較大，它結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給日常的設(shè)計(jì)工作帶來了很多困難，建設(shè)科學(xué)合理的進(jìn)水口大壩，對(duì)于洪水期的安全，以及整個(gè)水利水電工程的安全都有非常重要的作用。

2 主要設(shè)計(jì)辦法

工程設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的創(chuàng)造性過程，主要應(yīng)該研究建設(shè)的需要、工程的功能、工程的具體構(gòu)造、各個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)等，進(jìn)行工程的設(shè)計(jì)就是把工程的各項(xiàng)功能運(yùn)用模型的形式表現(xiàn)在大家面前，再利用幾何概念對(duì)它進(jìn)行計(jì)算與展現(xiàn)的過程。

2.1 通用的設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)階段比較通用的設(shè)計(jì)方法是CAD系統(tǒng)，首先設(shè)計(jì)完成零件的模型，然后運(yùn)用各個(gè)零件的相互關(guān)系，把制作好的各個(gè)零件再裝配成模型，關(guān)于概念設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)則在后面的工作中完成，這就是當(dāng)前普遍運(yùn)用的CAD設(shè)計(jì)。在工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用Top-Down這種設(shè)計(jì)方法，就要在不同的設(shè)計(jì)時(shí)期建設(shè)不同的主導(dǎo)模型，這種主模型給設(shè)計(jì)人群制訂了設(shè)計(jì)方向，保證設(shè)計(jì)人群在主模型規(guī)定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而可以保證設(shè)計(jì)的實(shí)用性與科學(xué)性，可以使設(shè)計(jì)工作突出工程設(shè)計(jì)的總體思想，使設(shè)計(jì)人員的工作不走彎路，時(shí)刻與總體設(shè)計(jì)緊密相聯(lián)，各個(gè)零件的微小變化只表現(xiàn)在相對(duì)應(yīng)的裝配問題方面，使得整個(gè)設(shè)計(jì)工作具有完整性，避免了重復(fù)性工作。普通地講，工程的主模型設(shè)計(jì)就是由一些幾何中常見的點(diǎn)、線、面來構(gòu)成一個(gè)大致模型，進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)，也是運(yùn)用了主模型中的一些元素來進(jìn)行比較設(shè)計(jì)。

圖1 雙層進(jìn)水口單聯(lián)機(jī)組鏡像前各向視圖

圖2 模型顯示方式

圖3 雙層進(jìn)水口全體機(jī)組裝配前視圖

圖4 模型導(dǎo)入后顯示

2.2 零件制作設(shè)計(jì)

在進(jìn)行較為繁瑣的工程設(shè)計(jì)時(shí)，不可能迅速完成，這種設(shè)計(jì)過程和一般簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)不同，需要對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行反復(fù)修改。只有在各個(gè)零件全部制作完成之后，才能制作整個(gè)模型，這種設(shè)計(jì)的主要工作流程是利用設(shè)計(jì)初步設(shè)想圖，也就是草稿圖，再運(yùn)用零件的設(shè)計(jì)，初步建造三維模型，對(duì)它經(jīng)過反復(fù)修改，逐步完善設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)工作，才能建設(shè)完成三維模型。在設(shè)計(jì)各個(gè)零件時(shí)，主要方法是利用實(shí)體，對(duì)構(gòu)造進(jìn)行深入地研究和分析，掌握哪些構(gòu)造是最為基本的，然后再進(jìn)行零件的先后建設(shè)工作，這個(gè)建設(shè)過程是：

（1）在制圖工具的草圖制作區(qū)域進(jìn)行模型的草圖制作，初步制作工程的二維圖紙。CATIA當(dāng)中具有豐富的草圖制作工具，可以進(jìn)行各種草圖的制作，它是進(jìn)一步進(jìn)行零件制作的基礎(chǔ)，可以制作出大致模型，然后退出草圖制作，再進(jìn)入圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模塊，利用初步制作的二維圖紙進(jìn)行零件的實(shí)體制作[2]。

圖5 導(dǎo)入后修正體顯示

（2）利用制圖工具中的零件設(shè)計(jì)建模工具來建設(shè)主模型，依據(jù)每一個(gè)零件的外形特征自動(dòng)制作下一個(gè)零件，在工具模塊中能夠一次完成整個(gè)模型的制作。零件的制作工作就是工程草圖的執(zhí)行情況，所以在運(yùn)用零件設(shè)計(jì)前，必須要完成工程的草圖制作，才能以此為依據(jù)，進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)工作，實(shí)際就是以二維草圖為基礎(chǔ)，運(yùn)用零件的制作功能，把二維草圖升級(jí)制作成為三維模型。制圖工具中的零件制作模塊具有把二維圖紙升級(jí)為三維模型的功能，比如伸展、充實(shí)、轉(zhuǎn)動(dòng)等，可以使平面設(shè)計(jì)成為立體模型；也能夠先行制作三維立體模型，然后在此模型上面進(jìn)行打洞、鉆孔或變形等；在此制圖工具中，零件設(shè)計(jì)制作的功能一般有六種，它們是：①把二維制圖升級(jí)為三維立體模型的功能；②在三維模型上進(jìn)行二次加工的功能；③在曲面上進(jìn)行二次加工的功能；④可以進(jìn)行實(shí)體之間的交換；⑤可以把不同的實(shí)體進(jìn)行二次組合；⑥可以在任意空間建設(shè)點(diǎn)、線、面的能力。

（3）還可以依據(jù)不同的要求對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行修飾加工，保證模型的整體不進(jìn)行大的改動(dòng)，而在它的細(xì)部進(jìn)行精加工制作，可以完成各個(gè)倒角、倒棱、拔模工作、不同程度的加厚工作、各種替換工作等，對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)進(jìn)行完美設(shè)計(jì)。在建模過程中，把進(jìn)水口的全部模型制作分為下面幾個(gè)零件：進(jìn)水塔身、具體山體、地形改變路段、二次混凝土和工作橋。關(guān)于雙層取水口的機(jī)組各個(gè)視角的圖紙制作如圖1所示，模型的多種方式如圖2所示。

2.3 模型的裝配工作

進(jìn)行模型的裝配設(shè)計(jì)是CATIA的一個(gè)重要應(yīng)用，很多模型都包括大量零件和部件需要裝配，從而可以顯示設(shè)計(jì)的效果。在進(jìn)行零件裝配時(shí)，一般運(yùn)用梯次裝配形式，從模型的最低級(jí)開始裝配，逐步增高，直到最后模型完成。在各種工程模型的裝配工作中，一般都采用這種裝配方式，以便監(jiān)管和有效提高裝配速度，即使不用進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析工作，也能夠及時(shí)對(duì)模型的各種零件進(jìn)行修改，保證整體的聯(lián)系性。假如在裝配過程中要對(duì)某個(gè)零件進(jìn)行改動(dòng)，則利用制作工具中的自動(dòng)更新功能，就可以真實(shí)反映零件的變化情況。整體模型對(duì)各個(gè)零件的部位要求精密，在實(shí)際裝配時(shí)，要依據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行裝配，關(guān)于它的裝配過程在下面有所提示：

（1）把進(jìn)行裝配的零件導(dǎo)入裝配文件，假如遇到重復(fù)零件，能夠利用制圖工具中的各種功能把零件實(shí)例化，從而保證零件的正常導(dǎo)入。

（2）依據(jù)設(shè)計(jì)當(dāng)中各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系，進(jìn)行調(diào)整，把不同的零件放入自己的位置。

（3）利用裝配工具研究裝配時(shí)各個(gè)零件之間的缺點(diǎn)，以及裝配中出現(xiàn)的各種問題，解決各種實(shí)際問題。

3 以ANSYS為基礎(chǔ)進(jìn)行三維有限元研究

運(yùn)用CATIA進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS進(jìn)行有限元計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中具有積極地意義，能夠進(jìn)行各種大型的工程設(shè)計(jì)工作。這種實(shí)際應(yīng)用將隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展而逐步完善和發(fā)展，將會(huì)有效提高設(shè)計(jì)效率，從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)收入，具備鮮活的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

詳細(xì)操作流程是，首先把小特征層次上的面和線關(guān)鍵點(diǎn)全部去掉，再找出各種具有這種特性的邊界線，使其形成一條線，做成較大的曲面。利用工具的打斷功能制作出與大面相連的線，進(jìn)而利用制圖工具把這些線制成小的曲面。這種形式的圖形制作能夠使面和面中間具有公共線和關(guān)鍵點(diǎn)[3]。在利用模型導(dǎo)入以后，在圖形顯示中只有大致形象，如圖4，再在圖形制作工具中輸入實(shí)體顯示命令，如圖5所示。

把設(shè)計(jì)完成的零件模型導(dǎo)入到ANSYS當(dāng)中，進(jìn)行各種形式的修改，然后再進(jìn)行網(wǎng)格剖分。在此次實(shí)際應(yīng)用中使用了SOLID45實(shí)體。

4 靜力工況研究

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、邊緣計(jì)算以及工況計(jì)算。

（1）邊緣應(yīng)該具備的條件：地基的下表面要完全符合設(shè)計(jì)規(guī)格，地基的四周也要符合設(shè)計(jì)規(guī)格。

（2）關(guān)于能夠承擔(dān)的負(fù)荷情況計(jì)算。能夠?qū)M(jìn)水塔形成負(fù)荷的因素主要有：混凝土的重量、閘門有關(guān)設(shè)施的重量、啟閉機(jī)的設(shè)備重量、靜水壓力、各種地質(zhì)情況、上游沖下的泥沙重量、各種形式的波浪壓力。靜力工況中，在順?biāo)较蚝拓Q直方向上位移都比較小。而且順?biāo)较虻奈灰贫喑霈F(xiàn)在攔污柵墩頂部位置，豎直水流的位移多出現(xiàn)在進(jìn)水口的左右側(cè)部位，主要都是由各種設(shè)施的自重引起的。

總之，在水利水電工程設(shè)計(jì)中，特別是在實(shí)際操作過程，出現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員頭腦中的形象全部是三維立體形式，實(shí)踐證明，在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中運(yùn)用三維設(shè)計(jì)，可以使設(shè)計(jì)人員的思路更加清晰，直接把思考的設(shè)計(jì)形象展現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖紙中，從而省略了中間的很多環(huán)節(jié)，提高了設(shè)計(jì)效率，也可以形象地體現(xiàn)設(shè)計(jì)形狀，再現(xiàn)各種構(gòu)造之間的空間關(guān)系，方便各種工程數(shù)值的計(jì)算工作，從而保證了設(shè)計(jì)工作的速度，使設(shè)計(jì)工作更加簡(jiǎn)單和方便。在水利水電工程當(dāng)中引入三維設(shè)計(jì)方法，可以提高工程的建設(shè)質(zhì)量，有效節(jié)省建設(shè)成本，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，保證設(shè)計(jì)成果的有效利用，這種方法將會(huì)在未來的水利水電設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。陜西水利

[1]張社榮，顧巖，張宗亮.水利水電行業(yè)中應(yīng)用三維設(shè)計(jì)的探討 [J].水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2008（3）.

[2]黃鶴飛.三維設(shè)計(jì)在水利水電行業(yè)中的應(yīng)用探討[J].科技資訊.2009（26）.

[3]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（01）.