關(guān)莉莉，侯黎黎

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004）

基于CAD的進(jìn)水閘仿真建模技術(shù)研究

關(guān)莉莉1，2，侯黎黎1，2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004）

通過仿真模型可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否正確和工程運(yùn)行管理是否合理。以進(jìn)水閘為例，分別從建模的思路、建模的技巧及應(yīng)用等方面闡述三維實(shí)體的仿真建模技術(shù)。運(yùn)用這些技巧可以快速地、準(zhǔn)確地建立仿真模型。

進(jìn)水閘；仿真建模；建模思路；建模技巧

0 引言

隨著水利行業(yè)信息化進(jìn)程的加快，仿真技術(shù)開始受到水利行業(yè)的重視。將仿真技術(shù)應(yīng)用于水利工程的模擬仿真和綜合管理，可以實(shí)現(xiàn)工程方案可視化和工程信息集成管理等功能，從而在工程方案比選、施工管理和調(diào)度仿真等方面發(fā)揮重要作用［1］。怎樣快速、準(zhǔn)確、優(yōu)化的建立三維可視化模型是仿真技術(shù)在水利工程中應(yīng)用的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可視化建模技術(shù)是一個強(qiáng)有力的工具。

人們從圖形上接受信息要比從文本或表格中接受信息更快，三維模型的修改與更新也更直觀、更快捷［2～3］。目前，用于三維建模的軟件主要有CAD、3DMAX、Creator、UG、Inventor、Solidworks等 ，我們可以根據(jù)建筑物的復(fù)雜程度，來進(jìn)行選取。對于復(fù)雜的形體，工程上一般用CAD進(jìn)行構(gòu)造三維實(shí)體模型，這主要是因?yàn)槠渌浖π螤顝?fù)雜的形體難以構(gòu)建，且不便修改。另外，用CAD建模，對于具有CAD一定基礎(chǔ)的教師或工程技術(shù)人員，簡單易學(xué)、上手快。

CAD實(shí)體建模技術(shù)應(yīng)用于仿真設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)一定的約束條件，直接用鼠標(biāo)將一些幾何元素或者若干個單元繪制在屏幕上，或者通過CAD自帶的編程語言繪制實(shí)體，也可以利用模型庫中已有的元件通“交”、“差”、“并”等形式，將幾何體運(yùn)算拼合成實(shí)體空間幾何模型。

三維模型的建立，不但需要掌握化整為零的思路，還需要掌握一些技巧。本文以地物進(jìn)水閘為例，在讀圖完成并對模型結(jié)構(gòu)分析后，根據(jù)填筑的材料以及各部分結(jié)構(gòu)的不同，將進(jìn)水閘分為上游連接段、閘室段和下游連接段，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，分別研究可視化建模的思路、方法、技巧及應(yīng)用等問題。

1 進(jìn)水閘上游連接段建模

1.1 建模思路

圖1 進(jìn)水閘上游連接段二維視圖Fig.1 Two-dimensional draw ing of intake gate upstream connection piece

進(jìn)水閘上游連接段由護(hù)底、護(hù)坡、圓弧翼墻等結(jié)構(gòu)組成，主要作用是引導(dǎo)水流平順地進(jìn)入閘室，防止水流沖刷河床和岸坡、降低滲透水流在閘底和側(cè)旁對水閘的不利影響。通過對二維圖形（如圖1所示）的分析，上游連接段的建?？煞譃閮刹糠郑鹤o(hù)底和護(hù)坡看作一個整體，用特征面法直接創(chuàng)建；圓弧翼墻用特征面的拉伸或掃掠創(chuàng)建，用復(fù)制旋轉(zhuǎn)命令將扶臂移動到圓弧翼墻的正確位置。各部分建模完成后，直接或間接的用布爾運(yùn)算的差集和并集得出上游連接段的三維效果圖（如圖2所示）。

圖2 進(jìn)水閘上游連接段三維效果Fig.2 Three-dimensional draw ing of intake gate upstream connection piece

1.2 建模技巧和應(yīng)用

在上游連接段建模時(shí)，運(yùn)用的技巧主要是特征面拉伸法和布爾運(yùn)算的運(yùn)用。

特征面法是創(chuàng)建三維模型比較基本的方法，主要是將拉伸的特征端面繪制出來，然后進(jìn)行拉伸。但是，特征面的運(yùn)用需要建立在讀圖能力比較強(qiáng)的基礎(chǔ)上，只有分析視圖的能力強(qiáng)，才能想象出形體的立體空間模型，從而找出形體的特征面，再進(jìn)行拉伸。所以，繪制人員的讀圖能力提高了，才會運(yùn)用自如。

圓弧翼墻是曲面結(jié)構(gòu)，用特征面法直接軸向拉伸是得不到的，需要建立曲導(dǎo)線才能得到。然而，路徑的曲導(dǎo)線放置位置是工程技術(shù)人員操作的難點(diǎn)。因?yàn)榍鷮?dǎo)線的位置不同，用其做出來的模型與實(shí)際模型的大小就不一樣。如圖3所示，繪制出圓弧翼墻特征面和曲導(dǎo)線，將同一條曲導(dǎo)線放置在不同位置，拉伸效果不同。因?yàn)閳A弧的半徑不同，曲線的長短也不一樣，用一根曲線拉伸會出現(xiàn)截然不同的結(jié)果。若在俯視圖中繪制出不同位置的曲線，然后放在特征面的對應(yīng)位置進(jìn)行拉伸，得出的實(shí)體就一樣了，如圖4所示。因此，在進(jìn)行特征面拉伸時(shí)，應(yīng)該先分析視圖，繪制出正確位置的路徑，再進(jìn)一步拉伸。在水工建筑物中，為了使水流平順、改善建筑物的受力狀況或增強(qiáng)工程結(jié)構(gòu)的功能，往往將建筑物建成曲面結(jié)構(gòu)。所以，對類似曲面建模的研究是非常有意義的［4］。

圖3 翼墻相同曲線在不同位置的拉伸效果Fig.3 Stretch results of same curves of w ing wall in different positions

圖4 翼墻不同曲線在不同位置的拉伸效果Fig.4 Stretch results of different curves of w ing wall in different positions

布爾運(yùn)算的運(yùn)用在三維建模中比較常用，能掌握一定的技巧是非常實(shí)用的。如本段的護(hù)底護(hù)坡與圓弧翼墻的連接就是一個難點(diǎn)，兩部分直接用布爾運(yùn)算差集是得不到的。若在圓弧翼墻部分繪制一個大點(diǎn)的輔助組合柱，或者是沿著圓弧翼墻做一個稍大的曲面（如圖5所示），將其與護(hù)底和護(hù)坡部分進(jìn)行差集，再與圓弧翼墻并集，繪制者就會發(fā)現(xiàn)，得到的效果是一樣的。

圖5 輔助組合柱面和曲面的方法Fig.5 M ethod of assisting combination column and surface

2 閘室段建模

2.1 建模思路

閘室段是進(jìn)水閘的主體，一般由閘底板、中墩、邊墩、胸墻、牛腿和上部結(jié)構(gòu)等組成，主要作用是控制水位、連接兩岸和上下游。根據(jù)對閘室段二維平面圖（如圖6所示）的分析，將閘底板、中墩、邊墩、胸墻、牛腿5個部分采用特征面法分別建模，再將各個部分按正確的位置放置，最后組合一起，效果如圖7所示。這就是化整為零的思路。

圖6 閘室段二維視圖Fig.6 Two-dimensional draw ing of lock chamber section

圖7 閘室段三維效果圖Fig.7 Three-dimensional draw ing of lock chamber section

2.2 建模技巧和應(yīng)用

閘室段模型的建立主要運(yùn)用到視圖的轉(zhuǎn)換和模型之間的定位問題。

在三維視圖中，可以運(yùn)用平面視圖中的當(dāng)前UCS（C）、世界UCS（M）、命令UCS（N），通過坐標(biāo)和角度的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)三維視圖的轉(zhuǎn)換，但這種方法太繁瑣。在創(chuàng)建三維模型中，可根據(jù)需要，在單個視口和多個視口之間進(jìn)行切換，運(yùn)用三維視圖中的6個基本視圖和東南、西南等4個軸測圖來轉(zhuǎn)換視圖。也可以根據(jù)形體的特征，選擇合適的視圖，繪制二維圖形，然后運(yùn)用構(gòu)建三維圖形的方法完成實(shí)體的創(chuàng)建。繪圖者只要具備比較強(qiáng)的讀圖能力，對視圖的概念等有比較深的理解，便能自如地通過轉(zhuǎn)換視圖來繪制圖形。如閘室段中閘底板的繪制，可將前視狀態(tài)打開，繪制閘底板的底面形狀圖（如圖8所示），當(dāng)轉(zhuǎn)換到西南等軸測狀態(tài)中時(shí)，運(yùn)用三維拉伸命令按尺寸進(jìn)行拉伸，就得到了閘底板的模型圖（如圖9所示）。

在閘室段模型的建立中，還有一個關(guān)鍵點(diǎn)就是，中墩與閘底板的定位。如果沒有二維圖形，直接在三維界面繪制，定位需要另外做輔助線；如果已經(jīng)做好了二維圖形，這種定位問題操作起來就更容易些。即，在“俯視”狀態(tài)，首先，將中墩的特征面進(jìn)行面域；其次，在邊墩上做一條輔助線；最后，在到三維圖中，以輔助線為基點(diǎn)，直接定位。這種方法操作起來比較簡單，但是要建立在二維圖形的基礎(chǔ)上。所以，在條件不同的情況下，應(yīng)該采用不同的方法。如果閘底板是平底板，可以直接繪制拉伸，比較好定位；如果閘底板是斜底板，應(yīng)該用輔助線法繪制。

圖8 閘底板主視圖縱斷面形狀Fig.8 Bottom shape of center gate floor of front view

圖9 閘底板等軸測圖Fig.9 Floor models of SW isometric measurement

3 下游連接段

3.1 建模思路

下游連接段一般由消力池、海漫段等組成，主要作用是引導(dǎo)水流平順地出閘和均勻地?cái)U(kuò)散，防止下游河床及岸坡的沖刷。根據(jù)對二維圖形（如圖10所示）的分析，消力池段主要由帶透水孔的底板和邊墻組成，這兩部分都可以用特征面法得到；海漫段主要由護(hù)底和扭曲面組成，可以將這兩部分看作是一個整體，用放樣的命令創(chuàng)建出三維實(shí)體，效果如圖11所示。

3.2 建模技巧和應(yīng)用

在下游扭曲段模型的建立中，關(guān)鍵的問題就是，運(yùn)用放樣命令時(shí)導(dǎo)線的選取。繪圖者經(jīng)常會遇到由于沒有合理繪制導(dǎo)線，致使創(chuàng)建的模型與實(shí)際建筑物形狀不符的情況。如在本段的扭曲面中，兩端面的邊數(shù)是一樣的，首先繪制出兩端面，如果不用導(dǎo)線直接放樣，效果如圖12所示，顯然與實(shí)際形體不符。如果用一條導(dǎo)線放樣，效果如圖13所示，符合實(shí)際形體。如果按對應(yīng)點(diǎn)全部連出導(dǎo)線，再放樣，效果如圖14所示。通過體積的查詢和二維圖形的對比，連一條和連多條導(dǎo)線的放樣效果是一樣的。但是，這是建立在兩端面邊數(shù)一樣的基礎(chǔ)上。所以，在兩端面的形狀不一樣、但邊數(shù)一樣的情況下，連接一條以上的導(dǎo)線，就能得到所需要的實(shí)體。

圖10 下游連接段二維視圖Fig.10 Two-dimensional draw ing of downstream connection piece

圖11 下游連接段三維效果圖Fig.11 Three-dimensionaldraw ing of downstream connection piece

圖12 扭曲面無導(dǎo)線放樣效果圖Fig.12 W arp surface w ithout w ire lofting effect

圖13 扭曲面一條導(dǎo)線放樣效果圖Fig.13 W arp surface w ith one w ire lofting effect

圖14 扭曲面全部導(dǎo)線放樣效果圖Fig.14 Warp surface with full w ires lofting effect

在三維建模中，還經(jīng)常會出現(xiàn)移動不到位的問題。即，在一個視圖中，觀察位置是正確的，但轉(zhuǎn)換視圖后就錯位了。就像扭曲面的兩端面，想要放樣兩端面，必須保證兩端面在同一個底面上。那么，想要保證一步移動到位，就需要進(jìn)行極軸的設(shè)置（一般可將極軸設(shè)置為90°或30°）。進(jìn)行極軸設(shè)置后，不僅大大提高了創(chuàng)建三維模型的準(zhǔn)確度，也提高了繪圖的速度。

扭曲面主要應(yīng)用在水閘、渠道等輸水建筑物矩形與梯形過水?dāng)嗝娴倪^渡段。該段建筑物形體不規(guī)則，空間形狀難以想象，應(yīng)用建模技術(shù)模擬仿真該形體，對設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工人員計(jì)算工程量等都有重要意義。

4 結(jié)語

綜上所述，運(yùn)用仿真CAD技術(shù)時(shí)，運(yùn)用一些建模的技巧，如特征面法、視圖的轉(zhuǎn)換、放樣導(dǎo)線法等，可以快速地、準(zhǔn)確地建立仿真模型。通過仿真模型的建立，可以用來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正誤、觀察竣工的效果，還可以從實(shí)體模型上計(jì)算出工程量。所以，運(yùn)巧妙的建模技術(shù)創(chuàng)建出仿真模型，推動了水利工程行業(yè)的發(fā)展。

［1］崔巍.水利工程虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與實(shí)踐 ［M］.北京：中國水利水電出版社，2012：1－11.

［2］鐘登華，宋洋.大型水利水電工程建筑物三維可視化建模技術(shù)研究［J］.水利水電技術(shù)，2003（4）：62－65.

［3］張圣敏.AutoCAD中文版入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：300－316.

［4］曾令宜.AutoCAD2012工程繪圖技能訓(xùn)練教程：土建類［M］.北京：高等教育出版社，2014：217－243.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

TV66.02

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1008-486X（2015）02-0017-04

2015-01-07

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年科研基金項(xiàng)目：仿真技術(shù)在水閘設(shè)計(jì)與施工中的應(yīng)用研究（2013QNKY002）。作者簡介：關(guān)莉莉（1981-），女，河南開封人，講師，主要從事工程制圖、計(jì)算機(jī)繪圖教學(xué)與研究工作。