ＣＡＴＩＡ Ｖ５在水工金屬結構設計中的應用

摘 要：以某水工鋼閘門的懸臂輪裝置為例，介紹了基于CATIA軟件的三維零件設計、裝配、干涉分析、有限元分析、工程制圖、數據轉換。

關鍵詞：CATIA V5；水工金屬結構；三維零件設計；裝配設計；有限元分析

中圖分類號：TH文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）05-0357-02

1 引言

CATIA(Computer-aided Three-dimensional Interactive Application)軟件是由法國Dassault System公司開發的，廣泛應用于航空航天、汽車、機械、電子等方面的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件。它的集成解決方案覆蓋了幾乎所有的產品設計與制造領域。

水工金屬結構系泛指應用于水利水電工程中的各種永久性的鋼結構和機械設備，在這些鋼結構和機械設備當中最基本和應用最廣泛的是各類閘門、閥門及相應的啟閉機械。對水利水電工程而言，各種水工金屬結構設備合理的布置，正確的設計、優良的制造安裝質量，對于保證工程正常和安全運行是十分重要的。

隨著現代CAD軟件技術的發展，從事水工金屬結構的設計人員早已淘汰了手工繪圖的圖板，全面的轉向CAD的二維繪圖時代，從而明顯降低設計成本，縮短設計、生產準備周期，濃縮和提煉優秀的設計經驗，提高產品設計水平。在CAD所涉及的眾多應用技術中，二維工程圖與三維模型關聯技術的應用，標志著工程制圖不僅只是借助CAD軟件的視圖繪制工作，更重要的是體現設計思想和確定技術要求的設計工作。

本文以某水工鋼閘門的懸臂輪設計為例，淺析CATIA V5軟件在水工金屬結構設計中的三維造型、裝配、干涉分析、有限元分析、工程制圖的應用。

2 懸臂輪結構簡介

某水工鋼閘門，整個模型基于CATIA V5軟件三維建模、裝配而成。主要由面板、梁系及行走支承的懸臂輪組成。因此處篇幅有限，故選取其中比較有代表性的懸臂輪裝置為例詳細的介紹此部分基于CATIA V5軟件的零件建模、裝配、有限元分析步驟。

懸臂輪裝置的裝配圖，可以看出懸臂輪裝置主要由滾輪、軸、自潤滑軸套、軸端擋板等組成。滾輪可以繞軸自由旋轉，軸端擋板可以限制滾輪在軸向上的位移，并且可以防止滾輪在水中工作時，較大的顆粒狀物體進入軸套內。

3 基于CATIA的零件設計和裝配設計

零件設計是機械設計的第一步，首先在一系列基準平面上繪制草圖輪廓，然后利用零件設計的特征操作生成基本實體，最后通過對基本實體進行修飾、變換及布爾運算等操作生成最終的零件。在通常情況下，利用零件設計工作臺和草圖工作臺的默認工具欄就可以完成零件實體設計，但對于復雜形體來說可能涉及更多的工作平臺。

以滾輪為例介紹如何利用CATIA中的“零部件設計”模塊生成滾輪的實體模型。首先在YZ基準面上以Y軸為對稱軸繪制滾輪的截面草圖。然后利用“旋轉體”工具，將草繪截面繞Y軸旋轉360°，生成的滾輪“毛坯”。選取滾輪“毛坯”的上端面為基準面，繪制直徑D=105mm的圓，利用“凹槽”工具，類型選擇“直到最后”，便完成了滾輪上的軸孔。

利用“孔”工具可以較為方便的在滾輪的端面“鉆”出已攻絲的螺栓孔。在“孔”工具的彈出對話框中可以選擇孔的深度：盲孔、通孔；還可以選擇孔的類型：簡單、錐形、沉頭、埋頭、倒鉆；在螺紋參數里也有相應的螺紋規格可以選擇。“孔”功能作為一個單獨的工具從“凹槽”工具里被剝離出來，這對于設計人員是非常人性化的，設計人員不用在為一些標準的螺栓孔去翻查手冊，然后單獨繪制，可以說非常省時省力，并且準確。最后利用“圓弧陣列”工具將第一個螺栓孔陣列，再將一側6個螺栓孔用“鏡像”工具對稱復制到滾輪的另一側；再利用“倒角”工具將滾輪需要倒角的地方倒角，零件滾輪的實體模型就創建完成。

在所有的零部件模型創建完成后，進入CATIA的裝配模塊進行零部件的裝配。CATIA中的裝配功能提供給用戶多種方法進行裝配約束，例如接觸約束、同軸約束、距離約束等，小到螺釘螺母大到整架飛機都可

以在裝配平臺上進行裝配設計，這也就是所謂的虛擬樣機。

懸臂輪總成的裝配爆炸圖，在爆炸圖中可以較為清晰表述出各零部件的裝配關系，需要注意的是：產品、部件和零件之間的邏輯關系，在裝配設計中，樹形圖上的最上一級為產品，下一級為部件，部件的下一級為零件。使用“桌面”命令，CATIA將按照產品、部件和零件之間的邏輯關系把CATIA已經打開的所有文件排列成樹形圖的形式，方便用戶管理和組織文件。當產品在不同計算機之間切換時，常常由于零部件文件目錄位置的改變導致錯誤，這時通過“更新”命令重新確定零部件文件的鏈接位置方可正常打開文件， 這在裝配設計中是易出現錯誤的地方，需要值得設計者注意，一個較大的水工金屬結構總成，往往并不是由單一的設計者完成，每一個設計者也許面向的只是某一局部的組件，在所有的組件裝配好后，再進行總體裝配，所以保持樹型邏輯關系的完整性是尤為重要的；此外，在產品存盤時由于產品中零件的數據獨立存儲在另一個文件中，產品存盤會激活其零件的保存，因此，應使用保存管理命令避免這個問題。

在模型的裝配完成后，可以利用“裝配分析”工具來檢查產品設計中的錯誤，對產品中不完善的地方進行修改。干涉分析是是裝配分析中比較重要的功能 利用它可以對裝配好的產品進行空間分析，以檢測出產品中空間沖突之處，顯示檢測到零件“軸”的軸肩處與零件“軸端擋板”之間存著接觸，此時設計者只需雙擊樹形上需要修改的零件，即可進入零部件設計平臺，對零件進行修改，修改后，裝配的產品會自動做相應的修改，無需設計者再對此零件進行操作。這就是參數化實體造型的優點。通過這樣的反復操作，產品的數字模型就建立起來了。

4 基于CATIA的結構有限元分析

可以看出CATIA V5在機械設計方面的功能比較強大的，但機械設計只是軟件功能的一部分。對于從事水工金屬結構設計的工程師來說，CATIA的自動網格劃分和有限元分析也有很大的吸引力。在產品設計完成后，對于產品能否滿足強度要求，就要對產品進行應力與應變分析，以往設計者往往需要將此部分的工作利用其它有限元分析軟件單獨進行，現在在CATIA V5中集成了有限元分析的功能，設計者可以在產品的設計過程中隨時對結構進行應力應變分析，以便對結構隨時進行修改。由于CATIA軟件的網格劃分是自動進行的，因此，有時候設計者并不需要完全了解有限元分析的內涵，這對于側重工程設計的工程師來說這是非常有吸引力的。

下面對懸臂輪的主要受力零件“軸”，利用CATIA的通用結構有限元分析模塊（Generative StructuralAnalysis）進行分析。懸臂輪軸是一個軸端受集中載荷和扭矩的簡支結構。

將零部件模型“軸”賦予材料屬性，選擇鋼steel，然后進入通用結構有限元分析模塊，首先定義全局網格的大小，此處定義的為15mm，CATIA有限元分析中用于3D的單元是四面體網格，且劃分是自動的。如同其他相關有限元分析軟件，依次加載邊界約束條件，載荷條件，就可以進行求解。在后處理中，設計者可以通過相應的菜單觀察結構網格劃分的情況，以及顯示結構的等效應力、應變云圖?？梢钥闯鲎畲蟮牡刃Τ霈F在支承的左側截面，這與材料力學求解的情況是一致的，最大的等效應力為64.6MPa，這與實際計算結果的60MPa是非常接近的，并且可以看出在此危險截面處的最大應力是在安全范圍內的，這也就是說軸的強度可以滿足要求。

由此可以看出在設計過程中設計者可以隨時對產品或者零部件進行簡單的有限元分析，找出結構中薄弱或者不合理的地方，進行修改。

同時，基于CATIA所建立的模型可以另存為許多通用的3D格式，以便后期將產品導入更加專業、全面的大型通用有限元分析軟件中進行分析。

5 基于CATIA的工程圖設計

工程圖設計是CATIA的重要組成部分，目前對于大多數水利設計院來說，都要以工程圖的形式在不同的部門和生產廠家之間交流。在CATIA中存在著創成式工程圖設計和交互式工程圖設計兩種方式，創成式工程圖設計可以從3D零件和裝配件生成相關聯的2D圖紙，2D圖紙和3D主模型之間的關聯性使設計者可以進行模型設計與圖紙標注的并行工作；并且設計者對3D主模型進行的修改會反映到2D的工程圖當中，而無需設計者干預，這樣就可以讓設計者把所有的精力都放在產品設計上，而無需進行繁復的制圖工作。交互式工程圖設計可以在二維環境下對創成式工程圖工作臺所生成的工程圖進行編輯，以符合相應的國家制圖標準，以及滿足不同生產廠家對圖紙的要求，從而實現了從三維設計到二維設計的無縫連接。CATIA生成的工程圖可以保存為CATIA的CATDrawing格式，也可保存為通用的DWG或DXF格式，以便不同的CAD軟件之間進行數據交換。

6 小結

CATIA V5解決方案覆蓋了產品開發的整個過程，給設計者提供了完備的設計能力。從水工金屬結構的規劃布置設計到最終產品的形成，從單個零件的設計到最終虛擬樣機的建立，CATIA以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數化混合建模及數據管理手段。本文以某水工鋼閘門的懸臂輪裝置為例，基于CATIA軟件實現該裝置的三維零件設計、裝配、干涉分析、有限元分析、工程制圖、數據轉換一體化，覆蓋了產品設計的整個過程。此外，作為一個完全集成化的軟件系統，CATIA將機械設計、參數設計、工程分析及仿真、數控加工和CATweb網絡應用解決方案有機的結合在一起，有待于我們作進一步研究。總之，利用現代設計技術進行水工金屬結構的一體化設計與仿真，可以縮短產品研發周期，減少產品開發費用和成本，提高產品競爭力和質量，具有非常重要的現實意義和巨大的工程應用價值。

參考文獻

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