李國(guó)寧，王雪巖，阿木古楞，王文強(qiáng)

（內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

經(jīng)過幾代人的努力，水工鋼閘門設(shè)計(jì)有了很大進(jìn)步，閘門計(jì)算和設(shè)計(jì)效率大幅提高，設(shè)計(jì)閘門的種類不斷豐富。但迄今為止沒有專業(yè)的閘門計(jì)算軟件，只能采用傳統(tǒng)的Excel電子表格及一些非專業(yè)軟件輔助完成閘門計(jì)算，雖然現(xiàn)在大都采用電子計(jì)算稿，但完成一份完整的閘門計(jì)算書，少則一周，多則數(shù)周，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)方案變化后，又要重新計(jì)算一遍，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且極易出錯(cuò)。在閘門制圖方面，鋼閘門的設(shè)計(jì)屬于產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工程圖的繪制工作量非常大，項(xiàng)目工期緊張的時(shí)候，容易導(dǎo)致工程圖出現(xiàn)錯(cuò)誤。借助于Auto CAD軟件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)，相比手工繪圖能大大提高設(shè)計(jì)效率，但不夠完善，同樣存在與閘門計(jì)算類似的問題，在原始設(shè)計(jì)資料變動(dòng)的情況下，設(shè)計(jì)完成的圖紙需要重新手工調(diào)整，修改閘門圖紙的工作量很大，而且極易出錯(cuò)。

在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)不斷發(fā)展的今天，三維CAD技術(shù)在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而在水利水電行業(yè)，目前還只是開始階段。隨著各大設(shè)計(jì)院對(duì)三維設(shè)計(jì)的逐步重視，三維深化設(shè)計(jì)替代二維傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的革新時(shí)代已經(jīng)到來，閘門的程序化計(jì)算、三維參數(shù)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真必將成為未來水工鋼閘門設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 適用性

水工鋼閘門設(shè)計(jì)有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一是閘門類型不多，最常用的就是平面鋼閘門和弧形鋼閘門，相似工況的工程完全可以采用同類閘門，只是孔口和水頭的差別，決定著閘門的大小不同；二是閘門上的各個(gè)附件及部件大部分都是標(biāo)準(zhǔn)件和系列件，如工字鋼、槽鋼、角鋼、主輪、側(cè)輪、滑塊、止水、吊耳、充水閥、螺栓、螺母、墊片等。閘門的這兩個(gè)特點(diǎn)，為閘門的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了有利條件，即三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法特別適用于水工鋼閘門設(shè)計(jì)。

2 總體技術(shù)路線

充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用MATLAB語言編制攔污柵、平面閘門和弧形閘門的設(shè)計(jì)計(jì)算程序，利用VB設(shè)計(jì)交互式界面，采用ACCESS作為數(shù)據(jù)庫(kù)，通過Math CAD輸出計(jì)算稿；解決各軟件間的數(shù)據(jù)接口問題，開發(fā)閘門程序化設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸出設(shè)計(jì)結(jié)果和完整的電子計(jì)算稿，提高閘門設(shè)計(jì)計(jì)算的效率。在三維參數(shù)化建模平臺(tái)Auto Desk Inventor環(huán)境下，建立各種閘門的三維參數(shù)化模型；以Excel電子表格為數(shù)據(jù)載體，將閘門設(shè)計(jì)計(jì)算程序得到的結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到三維參數(shù)化模型，通過數(shù)據(jù)來改變模型，進(jìn)而改變與模型相關(guān)聯(lián)的二維工程圖，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖，提高出圖效率和產(chǎn)品質(zhì)量。建立好的三維模型可以通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入到分析軟件和仿真軟件，進(jìn)一步完成閘門結(jié)構(gòu)有限元分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)閘門設(shè)計(jì)的高級(jí)應(yīng)用?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

3 三維參數(shù)化模型

3.1 基本原理

傳統(tǒng)的二維繪圖，是在已知尺寸的情況下，繪制圖形，然后標(biāo)注尺寸，尺寸只能反映圖形的大小，無法影響圖形。參數(shù)化的基本原理是繪制圖形的同時(shí)添加尺寸，尺寸不僅能反映圖形大小，還能影響圖形，尺寸改變，圖形也跟著改變，即尺寸驅(qū)動(dòng)。將尺寸數(shù)據(jù)保存到一張參數(shù)表中，每一個(gè)參數(shù)各自命名，建模時(shí)調(diào)用該名稱，或者設(shè)置數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接，通過改變參數(shù)表來改變?nèi)S模型，進(jìn)而改變與之相關(guān)聯(lián)的二維工程圖。三維參數(shù)化的基本原理如圖2所示。

圖2 三維參數(shù)化的基本原理

3.2 模型架構(gòu)

閘門模型的建立具有很大的靈活性和自由度，同樣的閘門，不同的人，不同的思路，會(huì)建成不同的模型；甚至同一個(gè)人，同樣的閘門，前后兩次建立的模型也可能不同。從外觀上看，模型是一樣的，但其參數(shù)的設(shè)置，約束的選取，建模的順序及包含的信息，都可能截然不同，模型的實(shí)用性和適應(yīng)性也大相徑庭。

就水工鋼閘門而言，應(yīng)根據(jù)其不同零部件各自的特點(diǎn)，采用不同的處理方式：

（1）門葉——焊接件，尺寸關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，參數(shù)少，種類少；建立全參數(shù)化模型，通過參數(shù)表或Excel電子表格控制門葉模型。

（2）標(biāo)準(zhǔn)件——螺栓、螺母、墊片、密封圈、齒輪、軸用零件、閥、角鋼、槽鋼、工字鋼等結(jié)構(gòu)型材，都是機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件，可以直接調(diào)用資源中心庫(kù)，使用非常方便。

（3）系列件——主輪、側(cè)輪、滑塊、吊耳、充水閥等，這些部件雖未標(biāo)準(zhǔn)化，但在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)等書籍中，對(duì)其主要尺寸進(jìn)行了規(guī)定，完成了“系列化”；另外，這些部件的尺寸較多，較雜，參數(shù)太多，不適于建立參數(shù)化模型。對(duì)系列件的處理方法是，建立完備的系列件庫(kù)，把每個(gè)型號(hào)規(guī)格的系列件建成模型庫(kù)，使用的時(shí)候調(diào)用即可。

（4）常用件——各類水封、止水墊、止水壓板等，稱其為常用件。這類零件斷面尺寸相對(duì)固定，只是使用長(zhǎng)度和螺栓孔的大小、位置不同。針對(duì)這一特點(diǎn)，處理方法是建立半?yún)?shù)化模型，斷面非參數(shù)化，長(zhǎng)度和孔參數(shù)化，根據(jù)使用需求，設(shè)定不同的長(zhǎng)度和孔數(shù)、孔距即可。

（5）孔、槽等——對(duì)于閘門上的螺栓孔、漏水孔、鎖定槽、輪槽、板、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，進(jìn)行常規(guī)的三維操作即可，這部分結(jié)構(gòu)的工作量不大，無需且難于參數(shù)化。

具體工程實(shí)踐中，先根據(jù)原始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行閘門結(jié)構(gòu)計(jì)算，得到的設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)寫到Excel數(shù)據(jù)文件中，門葉三維參數(shù)化模型提取結(jié)果數(shù)據(jù)，改變模型，開孔、開槽；接著選用系列件模型庫(kù)中的主輪、側(cè)輪、吊耳等；然后根據(jù)閘門尺寸，設(shè)置止水零件參數(shù)，改變止水模型；最后將各零部件通過調(diào)用資源中心庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)件安裝于門葉上，完成建模。閘門三維參數(shù)化模型架構(gòu)如圖3所示。

圖3 閘門三維參數(shù)化模型架構(gòu)

3.3 模型參數(shù)化的平衡

參數(shù)化的三維閘門模型，并不是參數(shù)化的越徹底越好，也不是傻瓜型的模型就是最佳模型。如果整個(gè)閘門的所有零部件都做成參數(shù)化模型，則需要大量的尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)者就要把大部分精力放到如何理順繁雜的參數(shù)表上，反倒費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且，參數(shù)越多越容易出錯(cuò)，稍有不慎，就會(huì)導(dǎo)致模型報(bào)錯(cuò)，甚至崩潰，陷入死循環(huán)。因此，要以設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量最高為原則，合理分配參數(shù)化部分和非參數(shù)化部分，根據(jù)零部件自身不同的特點(diǎn)，采用不同的處理方法，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化的平衡。

4 技術(shù)關(guān)鍵與優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 技術(shù)關(guān)鍵

（1）模型參數(shù)化的平衡，以設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量最高為原則，合理分配參數(shù)化部分和非參數(shù)化部分，根據(jù)零部件自身不同的特點(diǎn)，采用不同的處理方法，實(shí)現(xiàn)模型參數(shù)化的平衡。

（2）閘門設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)子模塊與閘門計(jì)算總程序的銜接，根據(jù)閘門各結(jié)構(gòu)件的計(jì)算特點(diǎn)，確定哪些部分適合做系統(tǒng)子模塊，哪些部分適合編到總程序中，二者的數(shù)據(jù)如何交換等。

（3）閘門設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)與三維參數(shù)化模型間的數(shù)據(jù)接口問題，數(shù)據(jù)接口起到紐帶的作用，只有成功解決了數(shù)據(jù)接口問題，整個(gè)技術(shù)路線才能得以實(shí)現(xiàn)。

4.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）在進(jìn)行三維模型設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者擁有比二維繪圖環(huán)境中更強(qiáng)烈的“設(shè)計(jì)”感；同時(shí)，在模型構(gòu)建過程中，可以更直觀的根據(jù)已建部分及時(shí)、合理的調(diào)整設(shè)計(jì)思路。

（2）閘門的三維模型中包含施工圖、加工制造以及安裝時(shí)所需的大量信息，零部件都附加了尺寸、數(shù)量、材料屬性及配合關(guān)系，使得材料明細(xì)表可以自動(dòng)生成，借助這個(gè)模型，可以快速地生成施工圖紙，顯著提高工作效率及設(shè)計(jì)精度，大幅度提高生產(chǎn)力。

（3）參數(shù)表與模型自動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，工程圖與模型之間關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，當(dāng)參數(shù)表發(fā)生改動(dòng)的時(shí)候，模型中與之關(guān)聯(lián)的所有零件都會(huì)自動(dòng)發(fā)生合理改變，即零部件具有“自適應(yīng)”能力；同時(shí)，所有工程圖中與修改相關(guān)的部分均會(huì)自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)修改，此項(xiàng)特點(diǎn)徹底解決了二維設(shè)計(jì)環(huán)境中修改工程圖過程顧此失彼的局面。

（4）干涉（碰撞）自查功能可以讓設(shè)計(jì)人員及時(shí)、直觀的發(fā)現(xiàn)和校正裝配中的錯(cuò)誤，避免在設(shè)計(jì)及安裝過程中由于產(chǎn)品之間干涉所帶來的不必要的麻煩，而這在二維繪圖環(huán)境中是無法實(shí)現(xiàn)的。

（5）實(shí)體模型與工程圖的嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)關(guān)系及軟件中的干涉檢查功能，可以大幅減輕校核人員和審查人員的工作強(qiáng)度。

4.3 缺點(diǎn)

（1）前期需投入大量時(shí)間學(xué)習(xí)軟件，整理思路，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)思維，犧牲工作效率。

（2）參數(shù)化使同一類型的閘門結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，一定程度實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，但產(chǎn)品缺少個(gè)性。

（3）工程圖某些地方無法完全達(dá)到制圖規(guī)范要求或符合傳統(tǒng)制圖習(xí)慣。

（4）如果模型建立不完善，會(huì)不斷報(bào)錯(cuò)，甚至崩潰，后期修改、處理非常費(fèi)事。

5 工程實(shí)踐

從2010年底開始，經(jīng)過7多年時(shí)間的項(xiàng)目開發(fā)和工程應(yīng)用，我們已創(chuàng)建了基本完備的常用零部件模型庫(kù)；構(gòu)建了10種類型鋼閘門的門葉參數(shù)化模型，基本覆蓋了常用閘門種類，滿足了日常應(yīng)用需求；開發(fā)了攔污柵設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)；完成了30多個(gè)工程、60多個(gè)閘門的三維建模；利用三維設(shè)計(jì)方法出版了施工圖紙60多套、800余張，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行了有效的推廣，在水庫(kù)、樞紐、供水、電站、水閘、灌區(qū)、景觀等各類工程中均得到應(yīng)用，顯著提高了金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的圖紙質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，取得了良好的效果。另外，通過金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)開展的水工鋼閘門三維參數(shù)化設(shè)計(jì)試點(diǎn)，使三維設(shè)計(jì)的理念和優(yōu)勢(shì)深入人心，起到了很好的宣傳和示范作用。

［1］何玉新，李敬澤.基于Inventor的水工鋼閘門與啟閉機(jī)的三維深化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介［A］.中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì).水工機(jī)械技術(shù)2008年論文集［C］.中國(guó)水利水電出版社，2008：286-290.

［2］余迎賓，陳相楠，賈剛.基于CATIA軟件的水工鋼閘門三維設(shè)計(jì)［A］.中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì).水工機(jī)械技術(shù)2008年論文集［C］.中國(guó)水利水電出版社，2008：291-299.

［3］宋江毅，姜永健，鄧雪松.Inventor三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用［A］.中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì).水工機(jī)械技術(shù)2009年論文集［C］.中國(guó)水利水電出版社，2009：241-246.

［4］姜永健，宋江毅，鄧雪松.淺談三維設(shè)計(jì)在金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［A］.中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì).水工機(jī)械技術(shù) 2009年論文集［C］.中國(guó)水利水電出版社，2009：247-253.

［5］鄧雪松，姜永健，宋江毅.基于Inventor虛擬約束在裝配約束的應(yīng)用研究［A］.中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì).水工機(jī)械技術(shù)2009年論文集［C］.中國(guó)水利水電出版社，2009：254-256.

［6］楊錫階.平面鋼閘門參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD軟件研制與開發(fā)［D］.昆明理工大學(xué)，2006.

［7］俞建.平面閘門可視化 CAD集成系統(tǒng)研究［D］.河海大學(xué)，2003.

［8］孫琳.平面定輪閘門三維有限元分析［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013（05）：37-40.