CATIA在某水利樞紐導(dǎo)流洞中的建模與應(yīng)用

高乃東 許經(jīng)宇 陳中竹 寧鵬飛

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院 吉林長春 130021）

前言

三維軟件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，CATIA是法國開發(fā)的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件。目前，水利水電行業(yè)已經(jīng)應(yīng)用CATIA軟件到水電站、廠房、大壩等水利建筑物的建模與設(shè)計中。

楓林水利樞紐導(dǎo)流洞工程是施工專業(yè)導(dǎo)流設(shè)計的重點(diǎn)，采用 CATIA軟件進(jìn)行三維設(shè)計導(dǎo)流洞，能夠準(zhǔn)確地表達(dá)技術(shù)人員的設(shè)計意圖，能夠通過著色和渲染功能得到設(shè)計方案的三維效果圖，使得設(shè)計人員和決策人員能全面準(zhǔn)確地了解其外觀，有助于設(shè)計的決策。

根據(jù)工程的總體布置，楓林水利樞紐導(dǎo)流洞進(jìn)口位于大壩上游右岸，進(jìn)口底高程 750.00m，由進(jìn)口段、洞身段、漸變段、閘室段、豎井及出口挑流段組成。導(dǎo)流洞洞徑8×8m城門洞型，閘門井后平洞段洞底坡度為 1%。導(dǎo)流洞全長267.5m，其中襯砌段 80m，襯砌厚度 50cm；噴混凝土段 187.5m， 噴護(hù)厚度 15cm。導(dǎo)流洞前是引渠段及閘門段，長85m，進(jìn)口閘門采用鋼閘門，閘門尺寸為8×8m，閘門采用固定卷揚(yáng)機(jī)啟閉；后為出口挑流消能，出口段長30m。

1 應(yīng)用模塊

施工導(dǎo)流洞作為水工結(jié)構(gòu)物，其建模主要用到CATIA軟件的草圖設(shè)計模塊（Sketch Design）、零件設(shè)計模塊（Part Design）、裝配式設(shè)計模塊（Assembly Design）、創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊（Generative Shape Design）、創(chuàng)成式出圖（Drafting）、知識專家（Knowledgeware）提供的基本知識管理功能等。

草圖設(shè)計就是一個二維輪廓的曲線集合，是整個設(shè)計的最初概念。在 CATIA中，草圖是最基本、最簡單易學(xué)的，但也是比較重要的部分。草圖質(zhì)量的好壞，關(guān)系到整個模型質(zhì)量的優(yōu)劣。零件設(shè)計能夠讓用戶在一個直觀、靈活的界面上從簡單入手，逐步精確地設(shè)計出滿足設(shè)計要求的復(fù)雜3D幾何模型。一般實(shí)體建模有兩種模式：一種是以草圖為基礎(chǔ)，建立基本的特征，再通過添加修飾特征等創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體；另一種是以基本形體為基礎(chǔ)，如立方體、球體等，通過并、交、差等布爾運(yùn)算相結(jié)合，生成最終實(shí)體零件。

裝配設(shè)計是將零件或子裝配整合的過程。各種結(jié)構(gòu)（設(shè)備）通常由諸多的零件裝配而成，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可能由很多的部件（子裝配）構(gòu)成，這些子裝配又由更下一級的子裝配或零件組成。在實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中是一個把零件裝配成部件（子裝配），再把部件裝配成產(chǎn)品的過程。在裝配過程中，引用零件的幾何體，并通過建立部件之間的約束來確定部件之間的鏈接關(guān)系和部件在產(chǎn)品中的空間位置。裝配是整個結(jié)構(gòu)（設(shè)備）完整呈現(xiàn)的必要步驟，也是零件設(shè)計的完善和深化。

創(chuàng)成式外形設(shè)計是線框和曲面造型功能的組合，是一套應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大、使用方便的工具集，以建立和修改用于復(fù)雜外形設(shè)計所需的各種曲面。創(chuàng)成式外形設(shè)計是一種基于特征的設(shè)計方法，采用了全相關(guān)技術(shù)，而且在設(shè)計過程中還能有效地捕捉設(shè)計者的設(shè)計意圖，為后續(xù)設(shè)計更改提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

創(chuàng)成式出圖可以很方便地從三位零件和裝配件生成相關(guān)聯(lián)的工程圖紙，包括各方向視圖、剖面圖、剖視圖、局部放大圖、軸測圖的生成；可自動標(biāo)注或手動標(biāo)注；剖面線的填充；生成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖紙；生成裝配件的材料明細(xì)表等。

知識工程專家模塊是設(shè)計人員可以把在產(chǎn)品設(shè)計中涉及的行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、尺寸關(guān)聯(lián)、尺寸約束、特征關(guān)聯(lián)等信息，用模塊本身提供的公式、規(guī)則和檢查等工具表達(dá)成模塊化的面向?qū)ο蟮母呒壵Z言代碼，其中公式用于通過函數(shù)公式表示待定變量與自定義變量和其他一些參數(shù)之間的關(guān)系；規(guī)則用于過編寫程序代碼，有條件地改變尺寸的值，有條件地激活或隱藏特征；檢查選項(xiàng)用于著重標(biāo)明在校驗(yàn)過程中涉及的參數(shù)，從而方便地確認(rèn)。

導(dǎo)流洞模型建成之后，需要結(jié)合地質(zhì)情況，布置到實(shí)際的地質(zhì)地形中。需要用到數(shù)字化外形編輯（Digitized Shape Editor）、快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction）、外形雕刻（Shape Sculptor）。

數(shù)字化外形編輯提供數(shù)字化數(shù)據(jù)的輸入、清理、組合、截面生成、特征線提取、實(shí)時外形及指令分析等功能。此模塊用于逆向工程的前期，即在數(shù)字測量之后，CATIA其它過程之前。

快速曲面重建不僅可以構(gòu)造諸如不具有平面、圓柱面和倒圓角特征的自由曲面，還可以構(gòu)造包括自由曲面在內(nèi)的其他具有機(jī)械特征如凸臺、加強(qiáng)筋、斜度和平坦區(qū)域的特征曲面。使用QSR模塊可以直接依據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建曲面，也可以將原有實(shí)體修改后通過數(shù)字化處理成點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用QSR重建原有的CAD模型上需修改的曲面。QSR模塊可以讓設(shè)計者決定是注重重建曲面的效力還是重建曲面質(zhì)量或兩者都綜合考慮以滿足不同需求。QSR構(gòu)造的曲面還可以有參數(shù)以適應(yīng)修改的需要。

外形雕刻提供了快速造型工具，可以從概念設(shè)計或現(xiàn)有的物理模型快速生成、編輯或提高產(chǎn)品外形。它可以用于由曲線和曲面生成外形，在模型上增加細(xì)節(jié)，對現(xiàn)有模型進(jìn)行雕刻，然后把這些特征復(fù)制并粘貼到另一個模型上，或簡單地在由CATIA Digitized Shape Editor 2 (DSE)得到的多邊形模型上進(jìn)行工作。

在結(jié)合地形、地質(zhì)等其他專業(yè)的設(shè)計中，要應(yīng)用CATIA協(xié)同設(shè)計(ENOVIA V5 VPM)，調(diào)用其他專業(yè)的成果完成施工導(dǎo)流洞的設(shè)計。

2 導(dǎo)流洞建模

2.1 導(dǎo)流洞骨架

根據(jù)工程的總體布置，導(dǎo)流洞進(jìn)口位于大壩上游右岸，進(jìn)口底高程750.00m，由進(jìn)口段、洞身段、漸變段、閘室段、豎井及出口挑流段組成。導(dǎo)流洞洞徑8×8m城門洞型，閘門井后平洞段洞底坡度為1%。

（1）按照導(dǎo)流洞與大壩樞紐的相對位置，確定建模模型的坐標(biāo)原點(diǎn)及坐標(biāo) X、Y、Z軸。坐標(biāo)原點(diǎn)采用導(dǎo)流洞洞軸線上進(jìn)口已知的坐標(biāo)點(diǎn)D。坐標(biāo)X軸以洞軸線水平投影為正方向，坐標(biāo)Y軸以垂直X軸向左為正方向，坐標(biāo)Z軸以垂直X、Y軸向上為正方向，見圖1。

圖2 導(dǎo)流洞骨架圖

（2）定義導(dǎo)流洞建模工作面。導(dǎo)流洞進(jìn)口底板高程為750m，導(dǎo)流洞每個洞段均以長度分，按照每個洞段與坐標(biāo)原點(diǎn)的相對位置，在零件設(shè)計工作界面，建立每個洞段的初始、末端工作面，為下一步草圖設(shè)計做好準(zhǔn)備工作。

（3）定義閘門井建模工作面。由于閘門井軸線位置與導(dǎo)流洞軸線垂直，以閘門井軸線與導(dǎo)流洞軸線交點(diǎn)為原點(diǎn)，垂直閘門井軸線建立閘門井基礎(chǔ)工作面。由于閘門井也有截面變化，按照導(dǎo)流洞工作面的建面原則，建立閘門井各個工作面。

2.2 導(dǎo)流洞實(shí)體建模

導(dǎo)流洞實(shí)體建模時，以骨架工作面為基礎(chǔ)，按照不同洞段的斷面，建立定位草圖。每個洞段前后斷面建立完成后，在建立實(shí)體時，如果前后斷面相同，采用外輪廓拉出凸臺，然后用內(nèi)輪廓進(jìn)行凹槽操作即可；如果前后斷面不同，比如漸變段(由城門形斷面變?yōu)榉叫螖嗝?，則用兩個斷面的外輪廓，應(yīng)用多截面實(shí)體操作，并且合理設(shè)置耦合線，拉出實(shí)體，然后用移除的多截面實(shí)體命令，按照多截面實(shí)體相同的步驟，即可做出漸變段實(shí)體，見圖2。

圖2 導(dǎo)流洞漸變段建模圖

在進(jìn)口平洞段實(shí)體建模時，由于此洞段洞頂高程為橢圓曲線漸變變化。這就需要在此洞段兩個斷面草圖設(shè)計完成以后，在創(chuàng)成式設(shè)計環(huán)境下，定義兩個斷面變化的引導(dǎo)軸線及洞頂變化的耦合線，然后按照多截面實(shí)體的操作，生成洞口平洞段模型。見圖3。

2.3 導(dǎo)流洞開挖面

開挖面用于導(dǎo)流洞模型與地質(zhì)地形結(jié)合以后的開挖工程量計算。

整個洞段實(shí)體生成以后，隧洞進(jìn)出口及閘門井平臺的開挖，以不同地質(zhì)分界，按照每層巖石（土層）的開挖設(shè)計坡比，設(shè)計開挖面，在外形雕刻環(huán)境下，對地質(zhì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算。并應(yīng)用CATIA的測量項(xiàng)按鈕，對開挖的各個巖層（土層）分別進(jìn)行工程量統(tǒng)計。

導(dǎo)流洞封閉洞段開挖，在創(chuàng)成式設(shè)計環(huán)境下，提取實(shí)體的外輪廓面，然后對外輪廓面進(jìn)行結(jié)合。同樣在外形雕刻環(huán)境下，對地質(zhì)模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，并計算工程量。

開挖模型生成之后，即可利用創(chuàng)成式出圖模塊進(jìn)行二維出圖。

3 導(dǎo)流洞協(xié)同設(shè)計

協(xié)同設(shè)計主要是指企業(yè)內(nèi)部不同設(shè)計部門、不同設(shè)計專業(yè)或者同一項(xiàng)目不同設(shè)計企業(yè)之間進(jìn)行協(xié)同和配合。楓林水利樞紐導(dǎo)流洞工程參與專業(yè)眾多，有測量、地質(zhì)、施工導(dǎo)流、施工布置、金屬結(jié)構(gòu)等專業(yè)。協(xié)同設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，除了單獨(dú)的設(shè)計功能外，還有相應(yīng)管理功能。

在引用導(dǎo)流洞地質(zhì)地形模型時，進(jìn)入CATIA協(xié)同設(shè)計平臺。在VPM平臺下可以利用導(dǎo)流洞地質(zhì)地形發(fā)布成果，做出導(dǎo)流洞開挖模型。

當(dāng)導(dǎo)流洞開挖模型全部做完之后，按照VPM權(quán)限，對導(dǎo)流洞成果進(jìn)行發(fā)布，提供給總圖設(shè)計及其他專業(yè)設(shè)計人員引用。

4 結(jié)論

隨著工程項(xiàng)目設(shè)計周期的加快，越來越多的領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用三維軟件進(jìn)行工程設(shè)計。二維構(gòu)思，三維實(shí)踐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物，三維才能形象的表達(dá)，讓實(shí)際施工人員看的明白。

CATIA三維軟件應(yīng)用到水利水電行業(yè)日趨成熟，施工專業(yè)的結(jié)構(gòu)物用三維軟件設(shè)計后，不僅可以使本專業(yè)設(shè)計高質(zhì)量、高效率，而且施工專業(yè)作為設(shè)計過程的中間專業(yè)，對整個項(xiàng)目的三維設(shè)計也是支撐和保障。

CATIA軟件在施工專業(yè)的應(yīng)用已不僅僅局限于施工結(jié)構(gòu)物的建模，將來三維設(shè)計對施工過程控制時，可以進(jìn)行三維模擬施工開發(fā)，三維施工動態(tài)開發(fā)等。

1 詹熙達(dá). CATIA V5R20快速入門教程[M]. 北京機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

2 丁源, 劉慶偉. CATIA V5R21從入門到精通[M]. 北京清華大學(xué)出版社, 2012.

3 王智明, 楊旭, 平海濤. 知識工程及專家系統(tǒng)[M]. 北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

4 盛選禹, 李明志. CATIA有限元劃分網(wǎng)格教程[M]. 北京機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

5 盛選禹, 李明志. CATIA V5R17有限元分析實(shí)例教程 [M].北京械工業(yè)出版社, 2009.