CATIA在隧道模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

高勇強(qiáng)

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

CATIA在隧道模型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

高勇強(qiáng)

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的飛速進(jìn)步，CADCAMCAE正經(jīng)歷著由二維設(shè)計(jì)技術(shù)向三維設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，三維CAD技術(shù)符合人的設(shè)計(jì)思維習(xí)慣。目前，在隧道設(shè)計(jì)領(lǐng)域也正在嘗試改變傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，采用建筑信息模型技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。因此本文采用當(dāng)前世界主流的CADCAMCAE一體化軟件CATIA，進(jìn)行隧道三維建模設(shè)計(jì)，文章通過(guò)對(duì)CATIA各個(gè)功能模塊在隧道模型設(shè)計(jì)中詳細(xì)應(yīng)用的探討，證明了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CATIA在隧道三維模型設(shè)計(jì)中有很好的發(fā)展方向。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；CATIA；隧道工程；三維建模

1 引言

CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由法國(guó)著名航空航天企業(yè) Dassault Aviation和 IBM 公司共同打造的CAD/CAE/CAM一體化軟件,它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位[1]。在CATIA V5中，它具有豐富而完善的設(shè)計(jì)模塊，可以對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的各個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，并能夠?qū)崿F(xiàn)工程人員和非工程人員之間的電子通信。產(chǎn)品整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程包括概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析、成品定義和制造乃至成品在整個(gè)生命周期中的使用和維護(hù)。由于 CATIA V5內(nèi)的設(shè)計(jì)功能主要是針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并沒(méi)有工程建設(shè)的模塊，但根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，隧道三維模型設(shè)計(jì)可以看做是模塊化零部件的建立過(guò)程，因此本文采用CATIA來(lái)進(jìn)行隧道模型的設(shè)計(jì)。

2 隧道模型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

在隧道工程建設(shè)中，隧道結(jié)構(gòu)主要包括洞身和洞門(mén)。按施工分部進(jìn)行劃分，洞身( 暗洞) 分為超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌和溝槽4 部分，共包含30 余個(gè)結(jié)構(gòu)模型[2]。因此隧道模型的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)模塊化理論和相似性理論，將隧道的各個(gè)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)，如果設(shè)計(jì)中有大量的數(shù)據(jù)支撐還可建立一個(gè)零件庫(kù)，通過(guò)調(diào)用庫(kù)零件便可快速的完成模型建立，這類(lèi)似一個(gè)搭積木的過(guò)程，將單個(gè)的模型通過(guò)相關(guān)命令，不斷的搭建起來(lái)，組成想要的模型，這種方法方便快捷，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。

2.1 模塊化設(shè)計(jì)理論

所謂模塊化設(shè)計(jì)，就是指為完成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個(gè)結(jié)構(gòu)從最基礎(chǔ)的部分劃分為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且無(wú)多余的組合關(guān)系的部件，它具有多種屬性，能夠反映出整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部特性。劃分出來(lái)的每一個(gè)模塊都有自身獨(dú)特的子功能，這些模塊必須要按照某種特定的關(guān)系組合起來(lái)，才能完成整個(gè)結(jié)構(gòu)所要達(dá)到的設(shè)計(jì)結(jié)果，不同模塊的不同組合關(guān)系又能設(shè)計(jì)出新的結(jié)構(gòu)模型，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員具體功能要求。模塊化設(shè)計(jì)其目的主要是為了降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程變得清晰，子模塊的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單方便。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，子模塊是可以組合、拆解和更換的單元，這樣不僅可以使設(shè)計(jì)過(guò)程效率提高，完成的子模塊更易修改、保存，并在以后的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)力，縮短了設(shè)計(jì)周期。

3 CATIA功能模塊在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 Part Design零件設(shè)計(jì)模塊

在CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊中，它主要包含了二維草圖設(shè)計(jì)環(huán)境和三維實(shí)體生成平臺(tái)。用戶(hù)需要首先在二維平面上繪制草圖圖形，然后再利用三維環(huán)境中的功能將草圖生成為三維實(shí)體[3]。草圖是零件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它包含了三維實(shí)體特征的大體輪廓以及整個(gè)設(shè)計(jì)的最初概念。草圖質(zhì)量的優(yōu)劣決定了三維實(shí)體特征結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中起著十分重要的作用。

3.1.1 參數(shù)化的零件設(shè)計(jì)

作為功能全面的設(shè)計(jì)軟件CATIA V5為用戶(hù)提供了一種快速便捷的設(shè)計(jì)方式——參數(shù)化建模，用戶(hù)可通過(guò)定義特征、 公式、 規(guī)則和檢查，產(chǎn)生 Parameters（參數(shù)）、Design Tables（設(shè)計(jì)表）、formulas（方程）、checks（檢查）以及rules（規(guī)劃）等知識(shí)對(duì)象。這些工具可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)施參數(shù)化，利用企業(yè)積累的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行智能檢查、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和三維幾何模型的統(tǒng)一的集成化和智能化，從而有利于企業(yè)產(chǎn)品知識(shí)的繼承和積累，對(duì)企業(yè)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)大有裨益。如圖1

圖.1 隧道襯砌參數(shù)化二維草圖

圖.2隧道襯砌三維實(shí)體模型

3.2 Assembly Design裝配設(shè)計(jì)模塊

裝配設(shè)計(jì)的作用是表達(dá)產(chǎn)品或部件的結(jié)構(gòu)形狀、裝配關(guān)系、工作原理和技術(shù)要求等，是進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、檢查、使用和維護(hù)的重要階段。CATIA V5裝配設(shè)計(jì)模塊可以方便的定義零部件之間的約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零件的自動(dòng)定位，并檢查裝配件之間的一致性。另外，裝配設(shè)計(jì)中很多屬性和設(shè)置可以為將來(lái)制作裝配工程圖做好準(zhǔn)備。基于裝配設(shè)計(jì)的上述優(yōu)勢(shì)，可將在零件設(shè)計(jì)模塊中做好的隧道模型，通過(guò)裝配約束命令如相合、接觸和移動(dòng)等組裝成如圖3所示的整體模型。

3.2.1 結(jié)構(gòu)樹(shù)的命名與排序

在裝配模式中還可將裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)重新命名和排序，這樣不僅使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清晰，還能清楚的反應(yīng)出添加部件的詳細(xì)信息，杜絕零件編號(hào)重復(fù)出現(xiàn)，有利于數(shù)據(jù)的管理和查詢(xún)[4]。具體信息如圖4。

圖3 隧道三維實(shí)體裝配模型

圖4 結(jié)構(gòu)樹(shù)命名特征

3.3 Generative Drafting工程圖模塊

工程制圖是CATIA設(shè)計(jì)模塊必不可少的一個(gè)功能，它能自動(dòng)生成多個(gè)與傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)一樣的工程圖，用于其他參與方的使用CATIA的工程圖設(shè)計(jì)模塊由創(chuàng)成式工程繪圖（GDR）和交互式工程繪圖（ID1）組成。創(chuàng)成式工程繪圖可以很方便的從三維零件和裝配件生成相關(guān)聯(lián)的工程圖紙，包括各向視圖、剖面圖、軸測(cè)圖；尺寸可自動(dòng)標(biāo)注，也可手動(dòng)標(biāo)注；生成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖紙。其輸出格式有CAD通用的DXF和DWG文件，如此便于在各平臺(tái)進(jìn)行信息交流。CATIA V5工程圖模塊與傳統(tǒng)二維制圖的最大區(qū)別就在于圖中所表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是與三維模型相互關(guān)聯(lián)的，它是在已完成的三維模型的基礎(chǔ)上通過(guò)必要的編輯和處理等再加工得來(lái)，具有獨(dú)立的設(shè)計(jì)流程和知識(shí)體系。隧道三維實(shí)體裝配設(shè)計(jì)的產(chǎn)品所生成的工程圖如圖5。

圖5 二維工程圖模塊

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)CATIA零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、工程繪圖以及知識(shí)工程等建模功能的詳細(xì)介紹，并結(jié)合在隧道工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，驗(yàn)證了 CADCAMCAE一體化軟件設(shè)計(jì)在工程建設(shè)領(lǐng)域的具有廣闊的前景，能讓個(gè)人和企業(yè)在工程設(shè)計(jì)中提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，提高后期運(yùn)營(yíng)和管理的水平。因此，三維一體化設(shè)計(jì)在未來(lái)的工程發(fā)展中具有重要作用。

[1]李學(xué)志，李若松.CATIA實(shí)用教程[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[2]王志杰，馬安震.BIM技術(shù)在鐵路隧道設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2015,18（44）：59-63.

[3]李成.CATIA從入門(mén)到精通[M].人民郵電出版社，2010.

[4]馮川，廖勇.基于CATIA的BIM在簡(jiǎn)支T型橋梁上的應(yīng)用[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2015,2（7）：14-19.

TU7

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1007-6344（2016）07-0105-02