程漢鼎 毛擁政

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 引言

三維設(shè)計(jì)的出現(xiàn)是工程設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)，三維設(shè)計(jì)能更準(zhǔn)確地表達(dá)技術(shù)人員的設(shè)計(jì)意圖，更符合人們的思維方式和設(shè)計(jì)習(xí)慣。CATIA平臺(tái)是一款功能強(qiáng)大的CAD/CAE/CAM一體化終端，其設(shè)計(jì)技術(shù)和解決方案在世界上處于領(lǐng)先地位，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、電器電子、土木工程等領(lǐng)域，并逐漸向水利水電工程、巖土工程、地理信息、資源環(huán)境等領(lǐng)域發(fā)展。

本文以三維設(shè)計(jì)軟件CATIA為平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)了三河口水利樞紐拱壩壩身泄洪建筑物設(shè)計(jì)，解決了泄流表孔、底孔曲面結(jié)構(gòu)及同拱壩曲面復(fù)雜的相交問題，實(shí)現(xiàn)了泄洪建筑物快速、精確的設(shè)計(jì)。

2 CATIA軟件的特點(diǎn)

CAT IA是基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模軟件，它的草圖設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的CAD二維繪圖技術(shù)區(qū)別關(guān)鍵在于采用了參數(shù)化造型系統(tǒng)，可使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖隨著某些結(jié)構(gòu)尺寸的修改而自動(dòng)修改圖形。CATIA的內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、三維建模、分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到人機(jī)交換等實(shí)用模塊。其特點(diǎn)表現(xiàn)在：

（1）三維參數(shù)化設(shè)計(jì)功能。拱壩泄洪建筑物形狀復(fù)雜、參數(shù)嚴(yán)密，可以完全拋開傳統(tǒng)的曲面建模方式，直接輸入?yún)?shù)公式，利用法則曲線生成泄流表孔的堰面曲線，通過變量和參數(shù)化混合建模方法建立精確的三維模型，達(dá)到與實(shí)物完全一致的效果，并能夠用于各種后期的受力分析研究。采用的參數(shù)化造型系統(tǒng)，可使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)圖隨著某些結(jié)構(gòu)尺寸的修改而自動(dòng)修改圖形。

（2）裝配設(shè)計(jì)功能。CATIA中的裝配模塊是基于各個(gè)零部件之間的約束關(guān)系將各個(gè)零部件組裝起來(lái)。裝配過程完全體現(xiàn)了設(shè)計(jì)者對(duì)零部件之間的約束關(guān)系的理解，能方便的定義裝配件之間的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)定位，并檢查裝配件之間的一致性。水電工程中絕大多數(shù)的模型都包含多個(gè)零件或組件，需要通過裝配達(dá)到設(shè)計(jì)的最終目的。

（3）知識(shí)工程模板功能?？梢詫㈦[形的設(shè)計(jì)實(shí)踐轉(zhuǎn)化為嵌入整個(gè)設(shè)計(jì)過程的知識(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，在參數(shù)和特征之間建立各種簡(jiǎn)單或復(fù)雜的規(guī)則。用戶通過公式、規(guī)則、分析和檢查，將其知識(shí)嵌入到設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的知識(shí)化，并建立可交互式的用戶特征，可在設(shè)計(jì)的任何文件中調(diào)用。

（4）三維輔助設(shè)計(jì)功能。在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)CATIA具有方便的后期修改能力，無(wú)論是實(shí)體建模或曲面造型，根據(jù)CATIA提供的智能化樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便快捷地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改及各種比較方案的設(shè)計(jì)。

3 泄洪建筑物三維設(shè)計(jì)方法

本次采用了自上向下的設(shè)計(jì)過程，即遵循概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)順序，即在零件設(shè)計(jì)的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)之后，再實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

根據(jù)泄洪建筑物的功能，先設(shè)計(jì)出初步方案及結(jié)構(gòu)草圖，并建立由約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品主模型，主模型是一些簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線、面組成的一個(gè)模型的骨架或軀干，在各零部件的建模過程中，僅是引用了主模型中的某些點(diǎn)、線、面作為各零部件建模時(shí)的參考元素；通過設(shè)計(jì)計(jì)算，確定設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并建立用戶特征，通過幾何約束求解及調(diào)用用戶特征將零件裝配成產(chǎn)品；對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，并與相關(guān)專業(yè)協(xié)調(diào)修改后，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

圖1 泄洪建筑物三維設(shè)計(jì)流程圖

圖2 三河口水利樞紐總布置圖

圖3 泄洪建筑物骨架圖

圖4 泄洪建筑物零部件圖

圖5 拱壩及泄洪建筑物模型圖

4 工程應(yīng)用

4.1 泄洪建筑物布置

三河口水利樞紐大壩泄洪建筑物采用了“壩身分層出流、消力塘消能”的布置型式，由壩身泄洪表孔、放空泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱壩壩身，泄洪表孔采用淺孔布置形式，泄洪底孔相間布置在三個(gè)表孔之間，形成三表孔、兩底孔的布置格局。泄洪表孔由堰頂上游段堰面曲線、堰頂下游段堰面曲線、反弧段、出口挑坎組成。底孔由進(jìn)口段、中部有壓流段和出口消能段三部分組成。三河口水利樞紐總體布置如圖2所示。

4.2 泄洪建筑物三維設(shè)計(jì)過程

在本次設(shè)計(jì)過程中，將泄洪建筑物的整體模型分為五個(gè)零部件：左表孔、左底孔、中表孔、右底孔及右表孔。

4.2.1 模型骨架設(shè)計(jì)

骨架是三維設(shè)計(jì)的核心，能確定水工建筑物空間定位和相互關(guān)系，是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)平臺(tái)。泄洪建筑物骨架設(shè)計(jì)是對(duì)其進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)和分解后，結(jié)合設(shè)計(jì)流程，運(yùn)用控制元素對(duì)整個(gè)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的總體控制，形成類似樹干狀的結(jié)構(gòu)，并建立有效的參數(shù)信息傳遞線框及流程的自上而下的設(shè)計(jì)方法。本次建立的泄洪建筑物骨架如圖3所示。

4.2.2 零部件設(shè)計(jì)

在草圖繪制器中進(jìn)行輪廓設(shè)計(jì)，利用繪制的輪廓圖構(gòu)造實(shí)體零件對(duì)象或曲面特征。零部件設(shè)計(jì)的主要思路是由整體設(shè)計(jì)到局部設(shè)計(jì)，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)。即通過草圖中所建立的二維輪廓，利用零件設(shè)計(jì)所提供的功能，創(chuàng)建三維實(shí)體。根據(jù)泄洪建筑物的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)三維實(shí)體加以編輯修改及細(xì)部的外型設(shè)計(jì)，如開槽、鉆孔或倒角等，從而完成泄洪建筑物的零部件設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程從整體到細(xì)節(jié)逐步加深，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)者的意圖，控制零部件的體型。

4.2.3 模板設(shè)計(jì)

應(yīng)用CATIA的知識(shí)工程模塊，創(chuàng)建泄洪建筑物五個(gè)零部件的標(biāo)準(zhǔn)件模板UDF，將零件內(nèi)部的某些幾何特征的創(chuàng)建過程記錄下來(lái)，如實(shí)體特征或曲面特征等，具體分為超級(jí)副本和用戶自定義特征。本次采用的用戶自定義特征創(chuàng)建了泄流表底孔的特征模板，可作為相似工程設(shè)計(jì)時(shí)的零件直接調(diào)用。而且，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。

4.2.4 裝配設(shè)計(jì)

水工專業(yè)通過骨架及模型實(shí)現(xiàn)了零部件的定位，金結(jié)、機(jī)電及其他專業(yè)可通過裝配關(guān)系，采用約束的方法實(shí)現(xiàn)專業(yè)協(xié)同。將所需要裝配的零件導(dǎo)入裝配模型中，根據(jù)各零件間的裝配關(guān)系施加適當(dāng)約束，通過裝配空間分析發(fā)現(xiàn)零件的缺陷及與其它建筑物之間的裝配沖突，并做進(jìn)一步的修改后完成零件的設(shè)計(jì)。

4.3 泄洪建筑物成型

根據(jù)泄洪建筑物的層次化結(jié)構(gòu)、整體控制骨架和主要設(shè)計(jì)參數(shù)，通過發(fā)布/引用功能管理各個(gè)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)性，并在骨架控制元素（點(diǎn)、線、面）的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)好的泄洪建筑物零部件模板通過調(diào)用的方式進(jìn)行組裝。建立的泄洪建筑物泄流表底孔零部件設(shè)計(jì)成果如圖4所示。

本次設(shè)計(jì)運(yùn)用了三維協(xié)同設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行集中管理，以泄流表底孔與拱壩壩體的設(shè)計(jì)為例，協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了壩體與泄洪建筑物之間相互關(guān)聯(lián)及完美結(jié)合。最終，建立的三河口水利樞紐大壩壩身泄洪建筑物三維設(shè)計(jì)模型如圖5所示。

5 結(jié)論

（1）應(yīng)用CATIA軟件的三維設(shè)計(jì)手段，對(duì)水工拱壩泄洪系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，探索了建模方法、參數(shù)化技術(shù)、模型裝配以及模塊化設(shè)計(jì)等在復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，完成了三河口水利樞紐壩身泄洪建筑物的三維設(shè)計(jì)。

（2）三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，在模型建立之后，只需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改，即可自動(dòng)更新整個(gè)模型，達(dá)到快速、精確、方便地修改模型的目的。

（3）在可視化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目的，如工程量和設(shè)計(jì)坐標(biāo)的的快速量取、壩體砼分區(qū)設(shè)計(jì)等。

（4）采用骨架和模板化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的快速調(diào)整，提高了工作效率。

本文論述了CATIA軟件的特點(diǎn)和三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，并基于CATIA平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了三河口水利樞紐大壩壩身泄洪建筑物三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，三維設(shè)計(jì)能更直觀、更高效、更精細(xì)地完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，是工程設(shè)計(jì)的必然趨勢(shì)，CATIA軟件在水利工程設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。陜西水利

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