□劉燕強(qiáng) 張延忠 朱建和

基于Bent ley Microsation的水工鋼閘門(mén)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

□劉燕強(qiáng) 張延忠 朱建和

以Bent1ey Microsation軟件為平臺(tái)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行水工鋼閘門(mén)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)；以數(shù)字驅(qū)動(dòng)模型，用模型更新圖紙，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼閘門(mén)的自動(dòng)建模和三維圖紙的繪制，同時(shí)增加鋼閘門(mén)的設(shè)計(jì)直觀效果，提高設(shè)計(jì)效率。

三維設(shè)計(jì)；平面鋼閘門(mén)；參數(shù)化

1.概述

本文利用Bent1eyMicrosation軟件進(jìn)行二次研發(fā)，建立了水工鋼閘門(mén)三維參數(shù)化數(shù)字模型，通過(guò)人機(jī)交互輸入鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)基本參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼閘門(mén)的參數(shù)化建模、重心計(jì)算、工程量統(tǒng)計(jì)以及三維圖紙繪制，大大提高了工作效率和設(shè)計(jì)精度。

1.1 軟件簡(jiǎn)介

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)效率及效果的不斷追求，三維設(shè)計(jì)在水利工程中逐漸成熟并發(fā)展起來(lái)，三維設(shè)計(jì)也從真正意義上做到了“所建即所想”。三維設(shè)計(jì)構(gòu)建的三維模型是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的精確映射，可方便地生成多個(gè)相互鏈接的多角度視圖；可以提取計(jì)算模型，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；也可以進(jìn)行設(shè)備仿真運(yùn)行；還可以提供精確的工程量。Bent1ey公司的Microsation是一款強(qiáng)大的三維建模軟件。本文利用Microsation軟件中VBA項(xiàng)目管理工具進(jìn)行了閘門(mén)參數(shù)化建模研究。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)包括參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。Microsation軟件的VBA二次開(kāi)發(fā)功能為閘門(mén)參數(shù)化建模提供了強(qiáng)大的支撐平臺(tái)，利用VBA編程語(yǔ)句以閘門(mén)零部件基本形式為閘門(mén)參數(shù)化圖元，以閘門(mén)各零部件裝配關(guān)系為閘門(mén)參數(shù)化修改引擎，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閘門(mén)的參數(shù)化建模。

2.鋼閘門(mén)參數(shù)化設(shè)計(jì)

對(duì)于同一類(lèi)型的閘門(mén)，可以采用相同的結(jié)構(gòu)布置型式。比如對(duì)于所有低水頭露頂式閘門(mén)，均可以采用雙主梁（前止水）型式的閘門(mén)門(mén)型。設(shè)計(jì)時(shí)僅需要對(duì)面板、主梁、次梁、邊梁等零部件尺寸進(jìn)行調(diào)整，就可以通過(guò)參數(shù)化修改引擎驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.1 定義參數(shù)化圖元

要獲得閘門(mén)參數(shù)化圖元必須先定義閘門(mén)參數(shù)化變量，閘門(mén)參數(shù)化變量包括孔口寬度（B）、閘門(mén)高度（H）、面板厚度（MH）等一系列變量。

下面以生成面板為例介紹如何形成面板圖元。面板是一個(gè)立方體，可以通過(guò)一個(gè)平面四邊形通過(guò)拉升形成。

首先利用Microsation中繪制平面命令（Set Shape E1ement=object.Create Shape E1ement1 （Temp1ate，Vertices[，F(xiàn)i11Mode]））獲得閘門(mén)參數(shù)化圖元的平面圖形。

其次通過(guò)Microsation中拉伸命令（Set SmartSo1idE1ement=SmartSo1id.ExtrudeC1osedP1anarCurve(ShapeE1ement, 0，a，True)）形成閘門(mén)參數(shù)化圖元實(shí)體。最后利用object.Co1or[=Long]功能和[Set]object.Leve1[=Leve1]功能將其賦予一定的顏色和圖層，得到一個(gè)完整的閘門(mén)面板的參數(shù)化圖元。

2.2 定義參數(shù)化修改引擎

閘門(mén)參數(shù)化修改引擎滲透在整個(gè)參數(shù)化圖元建模過(guò)程中，在參數(shù)化圖元建模中每一個(gè)零部件的主動(dòng)尺寸由用戶自行設(shè)定，從動(dòng)尺寸與放置位置等都在預(yù)先設(shè)置好的計(jì)算框架中進(jìn)行。

以閘門(mén)邊梁為例簡(jiǎn)單說(shuō)明閘門(mén)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)引擎。首先確定邊梁圖元平面圖形的繪制起點(diǎn)應(yīng)考慮的面板厚度、邊梁自由端等因素，最終確定起點(diǎn)坐標(biāo)為（MH,10+BZ-BFH/2,0），而非（0,0,0）(BZ為邊梁自由端寬度，BFH為邊梁腹板厚度)。由此可見(jiàn)，閘門(mén)零部件中存在一大部分從動(dòng)尺寸，而這些從動(dòng)尺寸都可以通過(guò)主動(dòng)尺寸計(jì)算可得，這個(gè)計(jì)算過(guò)程綜合起來(lái)就得到了閘門(mén)參數(shù)化修改引擎。

3.鋼閘門(mén)重心計(jì)算

鋼閘門(mén)的重心在工程設(shè)計(jì)中非常重要，它決定著上部啟閉機(jī)室梁系布置，是閘門(mén)計(jì)算中的一個(gè)重要計(jì)算內(nèi)容，因而在生成閘門(mén)模型過(guò)程中需要融入閘門(mén)重心計(jì)算。閘門(mén)重心計(jì)算是通過(guò)將閘門(mén)各零部件重量分別對(duì)閘門(mén)面板求重力矩來(lái)求得。

利用Microsation中計(jì)算實(shí)體體積函數(shù)object.ComputeVo1ume，結(jié)合鋼材及橡膠密度，得到閘門(mén)的各零部件重量，同樣也可以利用其求質(zhì)心函數(shù)，得到各零部件對(duì)面板的力矩。這樣可以在計(jì)算閘門(mén)重量過(guò)程中得到閘門(mén)的重心，將繁瑣的閘門(mén)重心計(jì)算過(guò)程程序化。

4.參數(shù)化建模應(yīng)用

以河北省引黃入冀補(bǔ)淀工程吳沙閘重建工程為例，詳細(xì)說(shuō)明參數(shù)化建模在實(shí)際工程中的應(yīng)用。吳沙閘共2孔，孔口寬度5.0m，正向設(shè)計(jì)水頭5.15m，反向設(shè)計(jì)水頭4.68m，閘門(mén)門(mén)型選擇為雙主梁露頂式（前止水）。首先輸入初始參數(shù)，閘門(mén)的寬度、高度、梁格間距及梁的截面參數(shù)等。

圖1 閘門(mén)軸測(cè)圖

待閘門(mén)參數(shù)信息輸入完畢后，點(diǎn)擊生成閘門(mén)按鈕，就可以獲得閘門(mén)模型。同時(shí)還能計(jì)算出吳沙閘閘門(mén)總重為6139.83kg，閘門(mén)止水重422.01kg，閘門(mén)重心距離閘門(mén)面板153.55mm。最后可以通過(guò)Microsation的幾個(gè)不同視圖來(lái)直觀顯示閘門(mén)的三維細(xì)節(jié)，如圖1所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

本成果應(yīng)用于水工鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)中，能夠快捷、準(zhǔn)確的建立鋼閘門(mén)的三維模型，為工程整體布置提供方便。該模型還可用于工程量提取以及有限元結(jié)構(gòu)分析，為整個(gè)工程的協(xié)同設(shè)計(jì)提供保障。同時(shí)可將模型置于Microsation中預(yù)先設(shè)定好的剪切立方體中，當(dāng)修改模型參數(shù)時(shí)與之相關(guān)聯(lián)的工程圖紙將自動(dòng)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)了以數(shù)字驅(qū)動(dòng)模型、用模型更新圖紙，能極大的提高設(shè)計(jì)效率?！?/p>

2016-09-10

劉燕強(qiáng)，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，助理工程師。

張延忠，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，工程師。

朱建和，男，漢族，河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，正高級(jí)工程師。