王文武，王正中，趙春龍，翟 超，李 崗

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)寒區(qū)水工程安全研究中心，陜西楊凌712100；2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710065)

0 引 言

鋼閘門是置于水工建筑物過(guò)水孔口的活動(dòng)擋水結(jié)構(gòu)，其主要作用是控制水位與調(diào)節(jié)流量。近年來(lái)，隨著我國(guó)水電資源的開(kāi)發(fā)不斷地向西部邁進(jìn)，在越來(lái)越多高壩建成的同時(shí)，與之相配套的鋼閘門也呈現(xiàn)出朝著高水頭、大型化的發(fā)展的趨勢(shì)，這對(duì)鋼閘門在安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面的設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1-2]。

鋼閘門作為一種典型的的空間結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法國(guó)內(nèi)普遍采用《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)推薦的平面容許應(yīng)力法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)便但未考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)及自重效應(yīng)，因而計(jì)算結(jié)果不能準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀況[4]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，空間結(jié)構(gòu)分析方法得以迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于鋼閘門結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算中[5-7]，其結(jié)果更接近鋼閘門工作實(shí)況，因而按空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法能最大限度的保證結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一。此外，鋼閘門設(shè)計(jì)一直延續(xù)手工計(jì)算結(jié)合二維繪圖軟件逐線繪制的方式，不僅工作量大、易出錯(cuò)、修改難，并且設(shè)計(jì)成果為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)難以被重復(fù)利用。在信息化時(shí)代，難以滿足生產(chǎn)高效率、產(chǎn)品高質(zhì)量的要求。近幾年，隨著數(shù)字化、BIM技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域不斷深入應(yīng)用，為解決上述問(wèn)題提供了思路與技術(shù)支撐，同時(shí)也為鋼閘門設(shè)計(jì)走向三維數(shù)字化建設(shè)指明了發(fā)展方向[8]。因此，為變革傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，提升鋼閘門設(shè)計(jì)水平，采用三維數(shù)字化BIM技術(shù)結(jié)合空間結(jié)構(gòu)分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)具有重要意義。

當(dāng)前，眾多學(xué)者深入探討了鋼閘門的數(shù)字化設(shè)計(jì)[9-12]，這些成果有力推動(dòng)了鋼閘門設(shè)計(jì)的發(fā)展，但在其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)對(duì)接、交互過(guò)程等方面仍存在一些不足，難以滿足生產(chǎn)高效、功能多樣化的需求，因此亟待進(jìn)一步深化、系統(tǒng)研究。

本文在現(xiàn)有研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合鋼閘門生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程，將CAD/CAE技術(shù)及優(yōu)化設(shè)計(jì)理念用于鋼閘門設(shè)計(jì)工作中，探索鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)的新方法，并通過(guò)工程實(shí)例加以驗(yàn)證說(shuō)明。該成果可為相關(guān)結(jié)構(gòu)工程數(shù)字化設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)借助數(shù)字化的平臺(tái)。CATIA是一款造型功能十分強(qiáng)大的CAD(Computer Aided Design)軟件，參數(shù)化建模及出圖能力優(yōu)異，較契合金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的特點(diǎn)。ANSYS作為CAE(Computer Aided Engineering)分析中的通用軟件，功能強(qiáng)大、計(jì)算速度快，并且支持參數(shù)化語(yǔ)言。為利用兩者在各自領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，在本文提出的鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)方法中以CATIA作為建模軟件，ANSYS作為工程分析軟件。

傳統(tǒng)鋼閘門設(shè)計(jì)中基本經(jīng)歷了資料收集與分析、閘門的選型與布置、閘門門體及零部件設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制等過(guò)程，而鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)是在繼承以上傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，將CAD數(shù)字化模型與CAE工程分析功能融入，形成了一個(gè)新的完整設(shè)計(jì)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了計(jì)算方法與出圖方式的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變。

1.1 數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成

根據(jù)鋼閘門的構(gòu)造特征及設(shè)計(jì)基本要求，探索形成了一套技術(shù)可行，使用方便、高效的鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其組成如圖1所示。

圖1 鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)組成架構(gòu)

在鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，將鋼閘門看作由主體結(jié)構(gòu)與零部件組成的一個(gè)完整結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)包括面板、主次梁、邊梁、聯(lián)結(jié)系等主要承載構(gòu)件。零部件如止水、主輪、滑塊、吊耳等，作為主體結(jié)構(gòu)的附屬物，不參與承載只配合主體結(jié)構(gòu)完成預(yù)定的功能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是數(shù)字化設(shè)計(jì)的前期工作，主要任務(wù)是依據(jù)規(guī)范結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)完成鋼閘門門體布置及主體結(jié)構(gòu)、零部件的初設(shè)，為后期三維參數(shù)化模型的建立提供依據(jù)。主體結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心，它既是工程分析及優(yōu)化的對(duì)象，又需要與零部件參數(shù)化模型裝配形成鋼閘門整體模型。在CAD平臺(tái)其建立方式可通過(guò)調(diào)用及調(diào)整鋼閘門標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)庫(kù)中的模板實(shí)現(xiàn)，也可采用直接建模的方式逐步完成。零部件參數(shù)化模型大多是標(biāo)準(zhǔn)件或系列件，故可直接調(diào)用模板數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的系列配合使用。

在主體模型建立的基礎(chǔ)上，利用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)將其幾何模型轉(zhuǎn)換為有限元模型，可避免CAE分析二次重復(fù)建模工作。通過(guò)仿真結(jié)果與規(guī)范允許值比較，既可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)校核的目的，也可為進(jìn)一步優(yōu)化提供準(zhǔn)則。結(jié)構(gòu)優(yōu)化即通過(guò)調(diào)整主體結(jié)構(gòu)模型的布置、尺寸、屬性配置等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件空間布置位置、尺寸關(guān)系、材料屬性、甚至形式的改變，達(dá)到提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品性能并降低投資成本的目的。在該系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)產(chǎn)品整體或局部的力學(xué)特性不能滿足規(guī)范要求，或結(jié)構(gòu)雖滿足要求但材料的利用程度較低的情況，則須修改模型控制參數(shù)，再次進(jìn)行工程分析，直至得到受力更加合理、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的門型結(jié)構(gòu)為止。在主體結(jié)構(gòu)定型之后，要使設(shè)計(jì)的鋼閘門發(fā)揮靈活調(diào)度及調(diào)蓄控水的作用，還需利用標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)庫(kù)裝配必要的零部件，組成完整的鋼閘門結(jié)構(gòu)。在三維CAD整體模型基礎(chǔ)上投影創(chuàng)建關(guān)聯(lián)的二維工程施工圖紙，完成設(shè)計(jì)出圖任務(wù)。

簡(jiǎn)言之，鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行有限元分析，并以分析結(jié)果反饋指導(dǎo)修改設(shè)計(jì)，最終完成產(chǎn)品定型的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)其關(guān)鍵在于CAD/CAE技術(shù)的合理運(yùn)用。

1.2 CAD建模技術(shù)

1.2.1參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)及參數(shù)管理

參數(shù)化設(shè)計(jì)是三維設(shè)計(jì)的靈魂，也是設(shè)計(jì)思想的集成體現(xiàn)，其實(shí)質(zhì)是一種解決設(shè)計(jì)約束問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法，通過(guò)參數(shù)把設(shè)計(jì)圖元過(guò)程中需要的數(shù)字信息相關(guān)聯(lián)，修改參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)等功能，極大提高了模型生成及修改速度，因而在產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)、相似設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。在CATIA中可以通過(guò)直接修改系統(tǒng)參數(shù)、用戶參數(shù)或采用公式、設(shè)計(jì)表、規(guī)則等方法間接修改參數(shù)，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)模型改變的目的。

鋼閘門組成幾何要素多且關(guān)系復(fù)雜，每一個(gè)基本構(gòu)件特征都可以產(chǎn)生一系列參數(shù)，大量的參數(shù)難以識(shí)別及管理。為此，一方面結(jié)合各構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的意圖，減少設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)參數(shù)，進(jìn)而減少參數(shù)總量；另一方面按照閘門的功能特性及裝配級(jí)別進(jìn)行規(guī)范化命名，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的參數(shù)管理表。

1.2.2骨架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)思路

鋼閘門多數(shù)為焊接件，一般為制造加工方便其構(gòu)件布置有一定的規(guī)律，故比較適合以軸網(wǎng)作為模型骨架。利用軸網(wǎng)通過(guò)發(fā)布定位點(diǎn)、線及面的方式實(shí)現(xiàn)模型搭建，這種方式優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)軸網(wǎng)參數(shù)來(lái)統(tǒng)一快速實(shí)現(xiàn)修改鋼閘門的結(jié)構(gòu)布置，控制鋼閘門的總體尺寸及梁系布局，亦非常符合設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思路，使設(shè)計(jì)工作者可以更加專注于結(jié)構(gòu)形式的布置及優(yōu)化。圖2為基于軸網(wǎng)骨架建立的鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)實(shí)體模型，軸網(wǎng)間距代表各構(gòu)件的布置幾何關(guān)系。

圖2 基于軸網(wǎng)建立的鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)模型

1.2.3鋼閘門標(biāo)準(zhǔn)模板

模板是將一些已經(jīng)運(yùn)用成熟的智能知識(shí)如技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、邏輯關(guān)系、模型特征等封裝打包，只留出一些輸入條件作為調(diào)用接口，便可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)已有模型的引用，該過(guò)程就像是針對(duì)三維模型的“復(fù)制”與“粘貼”。模板的應(yīng)用可以大幅度減少重復(fù)的工作量，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，因此創(chuàng)建并完善標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)至關(guān)重要。

這里將模板按裝配級(jí)別分為零件模板、部件模板及裝配模板三類。零件模板作為底層模板，其建立采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)，以面板、主梁、次梁、隔板等分別作為獨(dú)立基礎(chǔ)類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)形成以超級(jí)副本或用戶特征形式出現(xiàn)的通用的模板類型或系列模型。部件模板是在零件模板基礎(chǔ)上形成的，以門葉節(jié)為單元。由于安裝制造的需要及運(yùn)輸條件的限制，通常都會(huì)將鋼閘門進(jìn)行分節(jié)設(shè)計(jì)制造，每節(jié)的空間構(gòu)型及大小基本保持一致，因此以門葉節(jié)為單元搭建鋼閘門效率更高。裝配模板是以鋼閘門結(jié)構(gòu)為單元，主要是考慮到常用鋼閘門類型的相似性，以及為實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成果的再次利用的目的而建立，建模效率最高。

在鋼閘門的建模過(guò)程中，以上三級(jí)模板(見(jiàn)圖3)可根據(jù)實(shí)際需求，按匹配度最高的原則，選擇使用。

1.3 CAD/CAE模型轉(zhuǎn)換技術(shù)

在鋼閘門CAD模型已建立的情況下，為了提高CAE計(jì)算分析效率，避免重復(fù)的建模工作，應(yīng)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型向有限元模型的轉(zhuǎn)化。一般大型通用有限元分析軟件都預(yù)留了幾何模型導(dǎo)入的數(shù)據(jù)接口，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互?？紤]到鋼閘門大部分構(gòu)件是由薄壁鋼板經(jīng)焊接組合而成，其厚度方向的尺寸遠(yuǎn)比其他兩個(gè)方向的尺寸小得多，為平衡計(jì)算速度與精度之間的相互制約關(guān)系，需要將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為曲面模型，再劃分成相應(yīng)的板殼單元進(jìn)行有限元分析，利用殼單元實(shí)現(xiàn)模擬中等厚度結(jié)構(gòu)。

圖3 平面鋼閘門標(biāo)準(zhǔn)模板示例

三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為三維曲面模型的關(guān)鍵點(diǎn)在抽取中面的過(guò)程，此步驟可以借助專業(yè)的有限元前處理軟件Hypermesh完成。一般抽取的曲面為每一薄板的中性層，抽取中面后為了保證相鄰中面之間保持原有模型的拓?fù)溥B接關(guān)系，必須進(jìn)行拓?fù)溥B接關(guān)系處理，以形成一個(gè)完整連續(xù)的三維曲面模型。在此曲面模型基礎(chǔ)上，利用該軟件進(jìn)行網(wǎng)格控制操作及劃分，形成高質(zhì)量網(wǎng)格后，便可輸出。

1.4 CAE工程分析技術(shù)

利用三維建模及轉(zhuǎn)換技術(shù)快速建立有限元模型后，使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋼閘門門葉主體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行多工況力學(xué)分析，以確定鋼閘門各工況下的受力狀態(tài)，其計(jì)算結(jié)果可對(duì)鋼閘門初設(shè)正確性進(jìn)行驗(yàn)證，也有助于找出前期設(shè)計(jì)中的不足之處，為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供修改依據(jù)，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加安全可靠。

ANSYS求解分析其邊界條件的設(shè)定非常重要。這里的邊界條件主要包括約束及荷載，在結(jié)構(gòu)分析中的約束一般為位移約束，荷載主要為集中荷載(吊點(diǎn)力)、表面荷載(水壓力)、體荷載(重力)等，其施加的方式、位置及大小應(yīng)最大程度地接近真實(shí)的受力狀態(tài)。為方便準(zhǔn)確定義邊界條件，可先將模型分為不同類型組件，在施加約束或荷載時(shí)直接選取。在確定分析類型并設(shè)置求解控制選項(xiàng)后，便可計(jì)算求解。計(jì)算完成后，進(jìn)入到后處理模塊，按需查看整體或局部的計(jì)算結(jié)果。

2 工程應(yīng)用

2.1 幾何模型與有限元模型

以西部某大型水電站工程機(jī)組進(jìn)水口快速閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)為例，已知其鋼閘門形式為平面滑動(dòng)閘門，底坎高程2 690.0 m，設(shè)計(jì)高水位2 715.0 m，孔口性質(zhì)為潛孔式，孔口尺寸為9.0 m×10.0 m(寬×高，下同)，止水尺寸為9.15 m×10.1 m，支撐跨距為9.6 m，水容重取10.0 kN/m3，操作方式為動(dòng)水閉門、靜水啟門。

首先，依據(jù)規(guī)范采用容許應(yīng)力法進(jìn)行初步計(jì)算，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)完成鋼閘門門體結(jié)構(gòu)形式選擇、構(gòu)件計(jì)算與布置、材料的選用等，主要構(gòu)件選材及尺寸規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 平面鋼閘門主要構(gòu)件初選幾何尺寸

其次，基于CATIA軟件平臺(tái)進(jìn)行鋼閘門三維參數(shù)化模型的建立。建模時(shí)以mm為單位(統(tǒng)一為mm-kg-s單位制)，采用右手笛卡爾坐標(biāo)系，取X向?yàn)殚l門跨度方向，Y向?yàn)樗鞣较颍琙向?yàn)殚l門高度方向。由于平面鋼閘門標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)庫(kù)樣本有限，因此對(duì)此項(xiàng)目只能在零件模板的基礎(chǔ)上逐步搭建，形成參數(shù)化模型見(jiàn)圖4a。

然后，還需將鋼閘門幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型。利用Hypermesh軟件對(duì)鋼閘門幾何模型進(jìn)行中面的提取、整合拓?fù)潢P(guān)系及網(wǎng)格的劃分，形成由四邊形構(gòu)成的較為精細(xì)的169 082個(gè)SHELL 181單元，且均通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查。

最后，對(duì)完全關(guān)閉工況下鋼閘門主體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行設(shè)計(jì)高水位狀態(tài)下的靜力分析。計(jì)算荷載主要考慮作用于閘門上的靜水壓力及閘門自重，其中，設(shè)計(jì)水頭25.0 m，重力加速度取10.0 m/s2。門體在完全關(guān)閉擋水時(shí)，其門葉底緣受底坎Z向的位移約束，邊梁滑塊部位受Y向支撐約束，同時(shí)為保證不發(fā)生側(cè)向位移，閘門對(duì)稱部分施加X(jué)向位移約束。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略材料性能間差異，取鋼材的彈性模量均為2.06×105MPa，泊松比為0.25，密度為7 850 kg/m3。

圖4 閘門整體模型及其靜力分析結(jié)果

2.2 有限元結(jié)果與分析

經(jīng)有限元計(jì)算分析，閘門主體結(jié)構(gòu)在關(guān)閉擋水工況下，閘門整體的變形情況及應(yīng)力分布見(jiàn)圖4b，c，面板、主梁、水平次梁的靜力特性其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 閘門主要構(gòu)件的靜力計(jì)算結(jié)果

依據(jù)規(guī)范對(duì)主要構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的校核。在對(duì)鋼閘門進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，首先應(yīng)確定材料的允許應(yīng)力，其值與鋼板的厚度有直接關(guān)系。另外考慮閘門的重要程度及運(yùn)行條件，在構(gòu)件允許應(yīng)力計(jì)算時(shí)，一般乘以[0.9，0.95]調(diào)整系數(shù)，結(jié)合該項(xiàng)目具體情況，取值為0.9。面板本身在局部彎曲的同時(shí)還隨梁系受整體彎曲的作用，因此還應(yīng)當(dāng)乘以彈塑性調(diào)整系數(shù)，b/a>3，取1.4；b/a≤3，取1.5。

采用第四強(qiáng)度理論對(duì)鋼閘門的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，只有等效應(yīng)力小于構(gòu)件的允許應(yīng)力才能滿足強(qiáng)度的要求。由表2得：在閘門主要的受力構(gòu)件中面板的應(yīng)力值最大，為172.8 MPa，小于允許值270 MPa；主、次梁應(yīng)力變化規(guī)律較為一致，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在梁的跨中部位，從上部到底部有增大趨勢(shì)，峰值為142.5 MPa，小于220 MPa。由于支撐約束的施加，在支撐部位出現(xiàn)了局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，但其高應(yīng)力尚未超過(guò)材料允許值，故整個(gè)閘門結(jié)構(gòu)的應(yīng)力未超過(guò)構(gòu)件的允許應(yīng)力，鋼閘門滿足強(qiáng)度要求。

依據(jù)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于潛孔式閘門，其主梁的最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過(guò)1/750，次梁不應(yīng)超過(guò)1/250。由圖4b及表2可知：閘門結(jié)構(gòu)整體的變形沿中心對(duì)稱，發(fā)生最大位移的構(gòu)件為面板，其峰值位于閘門底緣中心部位，為9.5 mm；主、次梁隨著作用水頭的增大，其變形也逐漸增大，但均未超過(guò)其允許值12.8 mm，因此鋼閘門結(jié)構(gòu)滿足剛度的要求。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從以上的分析可知，該閘門的初步設(shè)計(jì)已經(jīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求，且具有較大的安全富裕度。為了達(dá)到運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可通過(guò)修改屬性參數(shù)及尺寸參數(shù)來(lái)調(diào)整閘門整體梁系布局及某些構(gòu)件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化。參數(shù)化的幾何建模方式結(jié)合參數(shù)化命令流的分析模式，使得調(diào)整再分析工作操作簡(jiǎn)單方便。經(jīng)過(guò)幾次梁系布置與形式調(diào)整，得到優(yōu)化后的閘門整體結(jié)構(gòu)模型如圖5a所示，其變形情況及應(yīng)力分布如下圖5b，c所示，為與圖4c形成對(duì)比，將應(yīng)力云圖色帶度量范圍統(tǒng)一化。

從靜力分析結(jié)果來(lái)看，優(yōu)化后的模型應(yīng)力分布、變形規(guī)律與優(yōu)化前的模型基本一致，但其峰值應(yīng)力有所增大，最大位移也略有增長(zhǎng)，但都在構(gòu)件允許的范圍內(nèi)，因此鋼閘門的強(qiáng)度、剛度仍然滿足規(guī)范的要求；從材料的利用程度來(lái)看，優(yōu)化后鋼閘門整體質(zhì)量降低270 kg，提高了材料的利用率，降低了起吊容量，節(jié)省了投資。

圖5 優(yōu)化后的閘門整體模型及其靜力分析結(jié)果

3 結(jié) 論

針對(duì)鋼閘門傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中存在的設(shè)計(jì)方法不夠合理、設(shè)計(jì)工作任務(wù)量大、設(shè)計(jì)與工程數(shù)字化建設(shè)需求脫節(jié)等問(wèn)題，提出了一套鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法。

(1)依托CATIA軟件對(duì)鋼閘門骨架設(shè)計(jì)思路、參數(shù)化設(shè)計(jì)、鋼閘門標(biāo)準(zhǔn)模板設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化快速建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)中間軟件工具Hypermesh軟件將CAD實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為CAE曲面模型，再劃分成板殼單元進(jìn)行有限元分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了鋼閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中的CAD/CAE設(shè)計(jì)計(jì)算一體化，有效解決了設(shè)計(jì)模型和計(jì)算模型的銜接過(guò)渡問(wèn)題。

(3)結(jié)合某大型平面鋼閘門設(shè)計(jì)工作，對(duì)鋼閘門三維參數(shù)化建模、有限元模型轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)計(jì)算及優(yōu)化等數(shù)字化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容進(jìn)行了闡述，對(duì)于鋼閘門設(shè)計(jì)人員應(yīng)用數(shù)字化手段進(jìn)行設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。