基于Inventor鋼結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222000）

基于Inventor鋼結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

季景遠(yuǎn)

（中交第三航務(wù)工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222000）

本文對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)軟件Inventor在鋼結(jié)構(gòu)模板三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，介紹了該軟件在鋼結(jié)構(gòu)模板設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的使用方法，演示了用三維信息模型（ BIM）設(shè)計(jì)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)二維設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)模板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

鋼結(jié)構(gòu)；模板；三維；建筑信息模型

前言

在工程實(shí)踐中，經(jīng)常要用到復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模板，常規(guī)的模板設(shè)計(jì)往往是采用CAD制圖，查表手工計(jì)算。因計(jì)算煩瑣、復(fù)雜，致使常規(guī)的設(shè)計(jì)效率、可靠性、準(zhǔn)確性大大降低，而且對(duì)于系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要進(jìn)行反復(fù)的計(jì)算、查詢和繪圖，造成大量重復(fù)勞動(dòng)。

在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展的今天，雖然CAD技術(shù)已被企業(yè)重視，但通用CAD軟件對(duì)大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，只是繪圖工具，只是使所繪工程圖便于保存，便于修改，不是達(dá)到真正的通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)的目的，不能解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，其實(shí)質(zhì)仍是手工設(shè)計(jì)；而且，在模板圖紙繪圖過(guò)程中，工程師們感到最別扭的、最影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的、最需要有人輔助的幾個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題可能有下列幾項(xiàng)：復(fù)雜的投影線生成問(wèn)題、漏標(biāo)尺寸，漏畫(huà)圖線的問(wèn)題、不同部件的幾何關(guān)系的分析討論問(wèn)題、設(shè)計(jì)的更新與修改問(wèn)題等等，在二維CAD軟件繪圖中都不能得到很好的解決。

三維CAD設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用是第二次建筑設(shè)計(jì)的飛躍，三維設(shè)計(jì)能直接以三維概念開(kāi)始建立設(shè)計(jì)模型，這個(gè)模型能表達(dá)出設(shè)計(jì)構(gòu)思的全部幾何參數(shù)，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程可以完全在三維模型上討論，對(duì)設(shè)計(jì)的輔助就很容易迅速擴(kuò)大到設(shè)計(jì)的全過(guò)程。人們?cè)谠O(shè)計(jì)零件時(shí)的原始沖動(dòng)是三維的，是有顏色、材料、硬度、形狀、尺寸、位置、相關(guān)零件、制造工藝等等關(guān)聯(lián)概念的三維實(shí)體，甚至是帶有相當(dāng)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)關(guān)系的三維實(shí)體。

利用三維設(shè)計(jì)軟件可比較容易地建立充分而完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析、空間裝配干涉分析、高正確率的二維工程圖生成、動(dòng)畫(huà)生成等一系列的需求都能充分滿足，是對(duì)設(shè)計(jì)全過(guò)程的有效的輔助，是有明確效益的CAD。

目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的適合做模板設(shè)計(jì)的三維軟件有Pro-E， Solidworks，3Dmax等，這些軟件建模較為復(fù)雜，對(duì)于普通的工程技術(shù)人員存在上手較慢，熟悉應(yīng)用需要較長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題。針對(duì)模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所遇到的單純應(yīng)力應(yīng)變分析的問(wèn)題，其應(yīng)用有一定的難度。而Auto Desk公司開(kāi)發(fā)的Inventor Professional是一個(gè)強(qiáng)大易用的機(jī)械設(shè)計(jì)三維參數(shù)化建模軟件，它融合了二維和三維設(shè)計(jì)并帶有裝配功能，是集參數(shù)實(shí)體造型、曲面造型、裝配造型、二維與三維雙向關(guān)聯(lián)繪圖以及與Auto CAD相互轉(zhuǎn)換于一體的機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)。除此以外，Inventor Professional還包含了應(yīng)力分析模塊，該模塊能夠?qū)Y(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，并輸出分析報(bào)告。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容概述

本文以某項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)模板的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)介紹了在Inventor平臺(tái)下建模、受力分析、輸出施工圖、材料表等環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用方法。面板的主要材料為各種槽鋼、角鋼、扁鋼等標(biāo)準(zhǔn)材料，這些材料的信息均已儲(chǔ)存在Inventor系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中，所以這些材料的基本數(shù)據(jù)可以直接引用，而不必手工輸入。首先利用EXCEL輸入各種模板的主要參數(shù)數(shù)據(jù)，鏈接到Inventor中作為建模的基本數(shù)據(jù)；然后在零件環(huán)境下利用二維和三維功能，建立模板的主面板、縱向肋梁、橫向肋梁和支撐系統(tǒng)的相互關(guān)系框架；其次在裝配環(huán)境中導(dǎo)入模板框架，啟動(dòng)結(jié)構(gòu)件生成器，將橫肋、豎肋等各種支撐材料放置到框架上，進(jìn)行裝配和節(jié)點(diǎn)處理；再次，啟動(dòng)應(yīng)力分析模塊或結(jié)構(gòu)件計(jì)算模塊，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，并改變參數(shù)進(jìn)行方案比較，輸出分析報(bào)告；最后在二維工程圖紙界面中利用生成的三維模型投影生成所需要的工程圖。 一套參數(shù)化的三維模型建好以后，如果對(duì)關(guān)鍵參數(shù)（如模板的長(zhǎng)度、寬度、縱橫肋間距、材料類型等）改變，三維模型和工程圖中的相關(guān)聯(lián)尺寸和數(shù)據(jù)也隨之而變化，這樣設(shè)計(jì)人員就可以看到三維的立體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成果，了解各部分之間的空間關(guān)系，不必更多地考慮在平立面上的投影及畫(huà)線、畫(huà)弧等圖面表達(dá)方式，可以有更多的精力去思考結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)輔助繪圖到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的飛躍。

圖1 Excel數(shù)據(jù)文件

圖2 模板框架模型

圖3 模板三維參數(shù)化模型

2 結(jié)構(gòu)件的三維參數(shù)化建模

2.1 基本數(shù)據(jù)的輸入

在Inventor 中可以直接鏈接Microsoft Excel的文件作為基本的建模數(shù)據(jù)，而且Inventor能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到Excel文件的修改而提醒用戶及時(shí)更新模型。如果在許多模型中使用相同的參數(shù)，則可以在Microsoft Excel 電子表格中定義這些參數(shù)，可以將電子表格嵌入或鏈接到部件或零件模型中。首先啟動(dòng)EXCEL軟件，建立新的文件，在文件中輸入模板的基本數(shù)據(jù)，然后儲(chǔ)存到一個(gè)文件夾中，如圖1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)件框架模型的建立

進(jìn)入Inventor ，啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)零件模板，建立新零件，進(jìn)入草圖模式。單擊標(biāo)準(zhǔn)工具欄的參數(shù)按鈕，點(diǎn)擊下部的鏈接按鈕，打開(kāi)文件瀏覽窗口，瀏覽到上步建立的Excel文件，參數(shù)表中隨即出現(xiàn)已經(jīng)輸入的主要參數(shù)。模板的縱肋和橫肋的數(shù)量由模型的長(zhǎng)度、寬度和縱橫肋的間距，通過(guò)輸入公式函數(shù)由系統(tǒng)計(jì)算得出。利用這些參數(shù)就可以繪制模板的外形和縱、橫肋的位置圖形，如圖2所示。

2.3 模板模型的建立

進(jìn)入Inventor的裝配模式，新建一裝配文件，放入建立的模板主框架，啟動(dòng)結(jié)構(gòu)件生成器，通過(guò)選擇標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的各種橫斷面的型材，點(diǎn)擊模型中曲線，就可以將材料放置到相應(yīng)的位置上，對(duì)骨架產(chǎn)生實(shí)體結(jié)構(gòu)。這樣就完成了模板的初步設(shè)計(jì)，再使用“修剪”、“延伸”、“斜接”、“開(kāi)槽”等功能對(duì)型材進(jìn)行局部的修正，可以建立型材之間的準(zhǔn)確的符合實(shí)際的鏈接方式，消除型材之間的干涉。

這樣就建立了參數(shù)化的模板三維模型，如圖3所示。如果要對(duì)模板參數(shù)進(jìn)行修改，只要用Excel打開(kāi)基本數(shù)據(jù)文件，修改其中的數(shù)據(jù)后存盤(pán)，然后點(diǎn)擊工具條上的“全部更新”按鈕，所建立的模型中相關(guān)的部分就會(huì)隨即改變，而不必重新建立模型。

3 應(yīng)力分析

應(yīng)力分析是 Inventor的附加分析模塊，為用戶的設(shè)計(jì)提供一個(gè)快捷而強(qiáng)大的用于校核和優(yōu)化的工具。應(yīng)力分析的基本步驟是：

（1）選擇分析對(duì)象；

（2）檢查并為零件指定材料；

（3）定義相關(guān)的約束模型（打開(kāi)約束向?qū)В?/p>

（4）應(yīng)用荷載，可以在構(gòu)件上加載集中荷載、均布荷載、力矩等；

（5）檢查并修改零件之間的接觸；

（6）驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行收斂設(shè)置；

（7）運(yùn)行分析并輸出分析報(bào)告。

圖4 模板應(yīng)力分析結(jié)果

下面以面板計(jì)算為例演示應(yīng)力分析的過(guò)程。模板計(jì)算模型的寬度定為1205mm，高度為1000mm，厚度為6mm，縱肋間距300mm；模板受到的均布荷載為52.3kPa；打開(kāi)面板的三維模型文件，點(diǎn)擊工具條的“應(yīng)力分析按鈕”切換到應(yīng)力分析環(huán)境，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)材料進(jìn)行定義，也可以定義新的材料，給定適當(dāng)?shù)牟牧蠀?shù)。用戶可以直接從材料庫(kù)中選定一種材料作為該結(jié)構(gòu)的材料，該實(shí)例面板材料選為“鋼”；其次定義“約束”，可以選定特定的點(diǎn)、邊線、或面作為約束面，可以指定固定約束、軸承約束、無(wú)摩擦約束等，模板面板約束指定與縱梁接觸的部位與端部為固定約束；荷載、接觸和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置， 然后執(zhí)行“分析”，就可以在屏幕上產(chǎn)生應(yīng)力分析結(jié)果，如圖4所示。

圖5 模板二維工程圖

4 輸出二維工程圖

二維工程圖是設(shè)計(jì)意圖、設(shè)計(jì)信息的最主要攜帶和表達(dá)者，最終的設(shè)計(jì)成果主要還是以二維工程圖的形式提供給各方。Inventor提供了創(chuàng)建二維工程圖（零件圖、裝配圖）的功能，而且可以做到二維與三維相關(guān)聯(lián)。從三維的零件甚至裝配模型開(kāi)始，幾乎可以自動(dòng)地、正確地、可關(guān)聯(lián)更新地得到需要的工程圖及材料表。模板二維工程圖如圖5所示。

使用自動(dòng)化工程視圖可以減少在傳統(tǒng)二維環(huán)境中創(chuàng)建工程圖的時(shí)間。自動(dòng)化功能能夠使用所有的視圖形式顯示工程圖，包括主視圖、側(cè)視圖、等軸測(cè)視圖、局部放大圖、剖視圖和斜視圖，并且使Inventor在投影圖元的時(shí)候可以具備完全的可控選項(xiàng)，可以在圖線級(jí)別控制隱藏線的顯示。從三維模型中獲取尺寸，并且將獲取的尺寸標(biāo)注在工程圖中，包括軸測(cè)圖的尺寸。同時(shí)Inventor中的尺寸會(huì)隨著三維模型的更改而自動(dòng)更新。使用大量的尺寸組合、注釋和二維設(shè)計(jì)的符號(hào)快速靈活的完成工程圖組的創(chuàng)建。

物料清單為確切的機(jī)器組成列表提供了原始數(shù)據(jù)，從而提高了對(duì)成本和用料的預(yù)見(jiàn)性。并且使用精確的工程物料清單可以簡(jiǎn)化從發(fā)布到制造的過(guò)程。根據(jù)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)的需要，可迅速自動(dòng)生成和更新明細(xì)欄，這從本質(zhì)上減少了人工失誤。關(guān)聯(lián)的明細(xì)欄能夠保留一個(gè)精確的零件和裝配成員表，并且能夠自動(dòng)更新，組織和加入到工程圖中。同時(shí)能夠快速的將零部件序號(hào)添加到裝配工程圖中。使得用戶有很大的靈活空間，根據(jù)公司標(biāo)準(zhǔn)自定義明細(xì)欄。

結(jié)語(yǔ)

本文用inventor機(jī)械設(shè)計(jì)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)模板的參數(shù)化建模設(shè)計(jì)，進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析、并最終生成二維工程圖。應(yīng)用三維軟件進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，易于對(duì)復(fù)雜幾何形狀的控制和修改，在計(jì)算機(jī)上從三維開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)全部的設(shè)計(jì)過(guò)程，符合人們的思維習(xí)慣，提高了可視化程度，三維參數(shù)化設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)者的思想，給鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的方便，還易于進(jìn)行多方案的比較，也容易檢查設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，這樣不僅提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，也縮短了設(shè)計(jì)周期。

（1）在三維建模軟件運(yùn)用過(guò)程中，二維和三維是雙向關(guān)聯(lián)的，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中可隨意更改三維實(shí)體的尺寸，更改后的三維實(shí)體和所有的二維視圖會(huì)自動(dòng)更新，給結(jié)構(gòu)的修改以及在三維裝配圖中更改帶來(lái)極大方便。

（2）利用Inventor自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以直接得到所需要的標(biāo)準(zhǔn)件，加速了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。也可以將自己建立的零件儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中建立自己的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)。

（3）利用三維建模軟件生成的構(gòu)件是三維的實(shí)體和表面，為有限元應(yīng)力應(yīng)變分析準(zhǔn)備了數(shù)學(xué)模型，三維建模軟件能進(jìn)行結(jié)構(gòu)的有限元分析軟件，極大地簡(jiǎn)化了應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算過(guò)程，提高了計(jì)算精度，避免了可能出現(xiàn)的計(jì)算措施。

[1]熊娣芬.大噸位油碼頭登船梯三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[D]. 武漢理工大學(xué)，2009.

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