三维设计在水利水电行业中的应用探讨

2022-09-10

1 三维设计系统开发应用原则

三维设计系统是信息集成系统的组成部分, 是分散的, 可独立工作, 但又可以被集成。各专业三维设计系统不仅仅是建立各部分的三维模型、利用三维模型进行空间布置、检查碰撞、出二维图纸, 而是一个以数据库为核心的系统。三维设计系统的重点是数据库的建立。应该遵循以下几条原则。

(1) 建立编码标准和项目分层结构; (2建立三维设计系统的使用标准和使用方法, 即:建立标准的接口管理, 确保各专业提供正确信息和使用正确信息; (3) 建立统一的工程数据库和项目数据库, 建立标准化的模型、资料、图纸和文件, 不断积累资料并保持一致性, 以实现各专业的资源共享; (4) 遵循数据唯一原则, 即一次建立多次使用的原则来进行, 避免数据信息的相互矛盾或缺失; (5) 立足于采购成熟的商业软件, 根据自己的特殊需求开发部分软件和接口程序, 有利于实现三维设计系统的标准化和统一化。

2 合适的三维设计软件的选择

水利水电行业中, 需要的三维设计软件是集CAD/CAE/CAM于一身的大型集成化系统。关于软件的延续性, 拥有最大集团企业用户群的CATIA高枕无忧, IBM公司是它的合作伙伴兼代理商, 除了达索公司外, 还有诸如波音、麦道、空客、中国航空集团等诸多用户, 实力很强。CATIA的内核和Auto CAD的内核与Parasolid的内核一起, 并称世界三大内核, 因此软件的开放性与兼容性很好。对CATIA软件的基本功能进行评测, 主要从以下几个方面: (1) 系统综合功能:设备驱动功能、用户界面、图形显示功能、图形管理功能和绘图输出功能; (2) 二维图形功能:基本绘图功能、图形编辑和操作功能、标注功能、图纸幅面定义功能以及绘图辅助功能; (3) 三维造型及零件设计功能:线框造型功能、曲面造型功能、实体造型功能、特征造型功能、零件库功能、布尔运算功能、参数化草图功能和物性分析功能; (4) 装配功能:基本规模装配、装配约束、干涉检查、爆炸图、装配结构树和生成零件BOM表; (5) 三维模型与二维模型关联功能:三维模型生成二维图形; (6) 数据接口功能:具有某种国际标准接口 (如IGES、STEP等) , 具有某种工业标准接口。

综合上述所有的三维设计软件, 考虑到在水利水电工程中的特殊需要, 选择功能比较完备的CAD软件, 同时考虑到三维建模软件的二维、三维绘图建模功能和交互操作界面的易操作性、高效性等方面的因素, 以及CATIA系统优秀的场景展示和空间分析功能, 我们在本次实现过程中选择CATIA作为设计软件。CATIA软件在航天、航空、汽车等一些高端技术制造领域中得到了广泛的应用并获得了卓有成效的成果。而将CATIA软件引入水利水电行业, 则是直接或间接借鉴了它的成熟技术。

3 三维设计软件CATIA在水利水电工程中的应用

3.1 CATIA软件功能简介

CATIA的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到人机交换等实用模块。系统的主要特点如下。

(1) 真正的全相关性, 任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方; (2) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力 (3) 具有强大的装配功能, 能够始终保持设计者的设计意图; (4) 容易使用, 可以极大地提高设计效率。

CATIA软件在航天、航空、汽车等一些高端技术制造领域中得到了广泛的应用并获得了卓有成效的成果;而将CATIA软件引入水利水电行业, 则是直接或间接借鉴了它的成熟技术。

3.2 复杂工程建模

3.2.1 工程概况

某水电站进水口由进水引渠和进水塔组成, 岸塔式进水塔采用双层取水方式, 长225m, 宽31.45m。塔顶平台高程821.5m, 建基面高程734.5m。地基岩体多为微风化~新鲜的花岗岩或沉积角砾岩, 岩体完整性较好。

3.2.2 模型建立

三维建模工作主要运用CATIA系统的零件设计 (Part Design) 、装配设计 (Assemble Design) 来完成。

(1) 零部件设计。在零部件设计过程中主要是实体造型。首先分析结构由哪些特征组成, 哪些特征为基本特征 (即最先要建立的特征) , 然后决定各个特征被创建的顺序。 (2) 装配设计。对装配模型的表达, 采用层次模型, 装配时从最底层次的子装配体开始逐层装配, 直至最上层装配体。

3.2.3 有限元分析

CATIA软件是一个集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件, 它提供了功能强大、且使用方便的工程分析模块——Analysis&Simulation。利用该模块, 非分析专业的设计人员只需要在模型上添加载荷和约束, 就可以快速地进行初步的有限元分析, 得到分析系统对设计的验证。

3.3 CATIA与ANSYS联合使用

3.3.1 软件组合的意义

ANSYS软件具备功能强大、兼容性强、使用方便和计算速度快等优点, 但是面对越来越复杂的大型结构件, 专业有限元软件在建模尤其是网格剖分方面花费的巨大精力使人难以忍受, 结构没计的改动给建模带来了更大的困难。而CATIA的造型功能十分强大, 与专业的有限元分析软件相比, 其有限元分析模块还不是很完善。因此, 大型复杂结构件在进行三维建模和有限元分析时, 采用软件集成的方法能最优组合各软件的长处, 较快地得到直观的结果数据。

3.3.2 CATIA模型导入ANSYS修正及重构

ANSYS7.0以上版本有直接和CATIA的接口, 可以直接读入CATIAMODEL文件, 然后进行修改。在CATIA中, 零件的每一个曲面都由各自的线段组成, 相邻的曲面之间没能共用边界线。这样, 就不能满足ANSYS中网格划分的功能要求。所以, 要先删掉重复的线以及线上所包括的点, 并用布尔运算中的相加功能把保留下来的线连成一条线, 以确保相邻两面有公共边。删除一些小的特征, 并把它们所在的面并入其它的面中。具体做法是:先删除小特征上的所有面和线以及线上所包括的关键点, 然后找出包含这些特征的大面上的边界线, 把它们加成一条线, 做出一个大的曲面;然后通过打断来生成和大面相连接的小面所需要的线段, 再通过这些线段围成所需的小的曲面。这样可以保证面与面之间存在公共线和关键点。完成实体模型后, 划分网格, 添加实常数、材料参数, 施加荷载和约束便可以进行计算。

摘要：任何一种水工建筑物都是空间结构, 虽然在设计中, 我们使用平面投影图、剖面图、立面图来描述结构和绘制工程图纸, 但实际上设计人员最初始的设计在脑海中都是三维的, 而且如果采用三维设计, 直接生成三维结构, 易于反映结构的空间形状, 描述建筑物结构之间的空间的关系, 更精确的计算工程量, 并且可以根据特定的规则或知识来直接确定一些结构面的形状, 减少许多不必要的中间参数的录入, 使设计工作更加简洁、快速和方便。

关键词：三维设计,水利水电行业,应用