三維軟件在水工金屬結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

劉鳳維

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

三維軟件在水工金屬結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用

劉鳳維

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業(yè)部，云南 昆明 650032）

在水電金屬結(jié)構(gòu)制造過程中，傳統(tǒng)的圖紙放樣不能全面的反應(yīng)設(shè)備制造特征。在引入三維軟件實體放樣建造立體模型后，產(chǎn)品特征更加直觀，能夠精確的反映產(chǎn)品各部件之間的空間位置關(guān)系，便于水工金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造。

水工金屬結(jié)構(gòu)制造；SolidWorks；閘門；岔管

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機三維技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)。將計算機三維技術(shù)結(jié)合到水電金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制造相關(guān)領(lǐng)域中，可起到較好的輔助效果，開拓一條水工金屬結(jié)構(gòu)制造的新途徑，起到事半功倍的效果[1]。

本人選用的水工金屬結(jié)構(gòu)制造三維模擬軟件為SolidWorks三維軟件。該軟件可以對零部件進(jìn)行分別造型后，再按設(shè)計要求進(jìn)行組合裝配。對金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行三維造型，可以全面準(zhǔn)確的了解制造設(shè)備的特征，便捷的查閱制造過程中需要檢測的各類參數(shù)信息，包括結(jié)構(gòu)件的相對空間坐標(biāo)、干涉檢查以及整體反映構(gòu)件的裝配情況。

2 三維軟件在水利水電工程中的應(yīng)用

在水利水電工程中，無論是土建、機電還是金結(jié)，三維技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。其中水利水電工程施工場地布置困難的地形，在明確彼此之間的制約條件的情況下，采用三維動態(tài)布置施工平臺，能夠方便快捷的得到所需結(jié)果并生成相應(yīng)平面、剖面圖。采用三維可視化模擬技術(shù)能更充分及直觀考慮各種可行的方案，快速、方便地制定多種方案和進(jìn)行進(jìn)度分析，并能定量地分析各種施工措施對工程進(jìn)度的影響。

在金屬結(jié)構(gòu)制造方面，目前絕大多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計均采用了三維立體設(shè)計，更加準(zhǔn)確直觀的反映了產(chǎn)品的特征。

2.1 復(fù)雜工程建模

三維建模工作主要運用系統(tǒng)的零件設(shè)計、裝配設(shè)計來完成。零部件設(shè)計在零部件設(shè)計過程中，主要是實體造型。首先分析結(jié)構(gòu)由哪些特征組成，哪些特征為基本特征（即最先要建立的特征），然后決定各個特征被創(chuàng)建的順序。建?；具^程為：（1）草繪模塊，根據(jù)主特征外形進(jìn)行二維草繪圖的繪制；（2）運用零件設(shè)計模塊提供的特征建模工具進(jìn)行主特征造型，包括拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等，根據(jù)零件外形之間的拓?fù)潢P(guān)系，繼續(xù)下一個特征的建立，一次完成整個模型的建立；（3）根據(jù)具體要求進(jìn)行輔助特征造型，包括挖空、開槽等。

2.2 三維設(shè)計的優(yōu)勢

（1）直觀、形象

三維設(shè)計不但可以繪制二維圖紙，還能提供工程三維模型，可以任意視角地觀看工程的整體及局部，還能提供動態(tài)的結(jié)構(gòu)裝配過程。通過與三維設(shè)計平臺無縫連接的可視化仿真系統(tǒng)，可以直觀展現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的三維形象面貌及特性，而且還能夠描述產(chǎn)品各部件之間在空間上的邏輯關(guān)系。通過三維動畫形式，可以在虛擬環(huán)境中，真實預(yù)演施工過程，從而分析和考核人工、材料和施工機械計劃消耗情況，挖掘降低施工成本的潛力;可以為企業(yè)投標(biāo)和經(jīng)營管理提供決策和預(yù)測的依據(jù)。根據(jù)模擬預(yù)期，科學(xué)地組織和規(guī)劃，嚴(yán)格地按規(guī)程施工，在抓好工程質(zhì)量和安全為前提下，嚴(yán)格控制施工成本，取得良好的效果。

三維設(shè)計生成的三維模型直觀形象，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式一目了然，了解模型內(nèi)容，為成果匯報提供豐富的素材，提升設(shè)計的整體形象。

（2）空間布置問題易解決

二維圖許多難以實現(xiàn)的空間布置問題，在三維設(shè)計時可以輕易得到解決。對于水利水電工程施工場地布置困難的地形，在明確彼此之間的制約條件的情況下，采用三維動態(tài)布置施工平臺，能夠方便快捷的得到所需結(jié)果并生成相應(yīng)平面、剖面圖。

（3）提高設(shè)計效率

三維設(shè)計手段可很大程度地提高設(shè)計效率，尤其是團隊效率，通過協(xié)同設(shè)計，可大量減少或縮短專業(yè)間配合環(huán)節(jié)，通過三維模型可進(jìn)行二維出圖、工程量自動統(tǒng)計等，減少設(shè)計工作量，提高標(biāo)準(zhǔn)化程度，通過建立建全參數(shù)化原件庫，使設(shè)計效率大幅度提高。

（4）提高設(shè)計產(chǎn)品質(zhì)量

三維設(shè)計更加精確：①帶信息的三維模型，其數(shù)據(jù)是唯一性的，具有復(fù)用性；②工程量統(tǒng)計相當(dāng)精準(zhǔn)；③利用三維模型可提高設(shè)計的合理性，優(yōu)化設(shè)計；④通過碰撞檢查和模型校驗，可減少結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置的錯、漏、碰現(xiàn)象。

（5）實現(xiàn)可視化校審

可視化校審可大幅減少會審時間，通過自動化批注跟蹤管理，提高校審效率、減少校審工作量；提高校審意見的管理水平，減少錯誤遺漏。

3 在閘門設(shè)備制造中的應(yīng)用

閘門是水電站工程中重要的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備之一。主要用于水電站攔截水流，控制水位，調(diào)節(jié)流量、排放泥沙和懸浮物等。閘門按門葉外觀型式可分為平面閘門、弧形閘門、人字閘門、拱形閘門等幾大類[3]。閘門制造過程中，弧門斜支臂扭角的放樣、復(fù)雜構(gòu)件的重量計算等，采用人工計算相對繁瑣，而且不夠準(zhǔn)確、易出錯。通過三維放樣則相當(dāng)直觀的解決了上述問題。

3.1 建模

閘門建模流程：零件草圖繪制—零件建?！考M合裝配—門葉整體構(gòu)件組合裝配。

根據(jù)施工圖紙，分別繪制零件圖，在模型中分別選取造型工具，生成零件的三維立體圖。然后將各零件在部件模式下分別進(jìn)行大部件的組合裝配。大部件裝配完成后，再進(jìn)行閘門整體組合裝配。形成閘門門葉的立體效果圖[5]。

本人采用三維軟件繪制的閘門立體圖如圖1、圖2所示：

圖1 平面閘門立體組裝圖示

圖2 弧形閘門整體組裝圖示

3.2 應(yīng)用

（1）閘門部件模擬組裝過程中，可直觀的發(fā)現(xiàn)零件之間的錯位、干涉情況，及時作出修改。該項應(yīng)用的典型事例為變截面閘門隔板翼板與主梁后翼板的干涉，不經(jīng)過三維放樣很難發(fā)現(xiàn)錯位。另外，閘門吊耳設(shè)計在面板內(nèi)部，且吊耳兩邊均有筋板時，起吊軸的長度是否與筋板干涉，通過實體放樣也能夠清晰的表示。

（2）對大部件的拼裝檢查，通過三維部件的組裝，能夠直觀的反應(yīng)裝配時所需要注意的控制點，也可通過實體投影，得到所需的控制點數(shù)據(jù)，為閘門制造提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。其中對于斜支臂弧門的支臂扭角放樣，可在已完成的三維模型基礎(chǔ)上，根據(jù)實際制造需要提供數(shù)據(jù)支持。

（3）在閘門制造出廠前應(yīng)進(jìn)行閘門總拼裝，以檢查并消除在整體拼裝過程中的誤差，確保閘門安裝的順利。因此采用三維軟件進(jìn)行閘門總拼裝，可為閘門實體拼裝工作提供可靠的數(shù)據(jù)支持，大大地方便了質(zhì)檢部門進(jìn)行檢查驗收工作。

（4）閘門支鉸裝置為鑄造件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以用傳統(tǒng)計算方法精確的計算重量。采用三維實體建模，并添加相應(yīng)的材料屬性，即可精確的統(tǒng)計出實際凈重，大大縮短了計算時間，提高了計算的準(zhǔn)確性。同理，閘門門槽鑄鋼主軌的重量也可采用此方法精確統(tǒng)計。

（5）閘門部件大多為大部件，在運輸?shù)跹b過程中需要設(shè)置臨時吊耳，使用三維軟件進(jìn)行部件建模后，可運用軟件的物理查詢功能，查找大部件的重心位置，準(zhǔn)確的確定部件吊裝時的吊耳或吊點位置。

4 在鋼（岔）管設(shè)備制造的應(yīng)用

水電站壓力鋼管按構(gòu)造上可分為漸變管、彎管、圓管、岔管幾大類。在制造過程中，圓管、彎管的放樣較為簡單。三維技術(shù)主要應(yīng)用在漸變部位及岔管等異型管的放樣上。

4.1 建模

異型管建模流程：鈑金模式下用草圖繪制—放樣建模—切口—展開模式展開。

鋼管的三維建模放樣需要在鈑金模式下進(jìn)行，根據(jù)實際情況預(yù)先設(shè)置好板厚和展開設(shè)置，利用鈑金放樣功能完成三維建模。對局部需要修割的模型，可利用相應(yīng)編輯功能實現(xiàn)三維造型。為了方便展開，在模型上用上切口工具將其改變?yōu)榉情]合實體，再進(jìn)入展開模式自動展開。形成的閉合實體如圖3所示。

圖3 岔管單構(gòu)件實體圖

4.2 應(yīng)用

利用三維軟件的鈑金放樣功能，對漸變管及岔管等異型管件的展開放樣。展開后的圖樣可以轉(zhuǎn)換為cad格式，便于下料加工，該功能的使用可大大簡化繁瑣的人工放樣，提高工作效率[4]。

5 結(jié)語

現(xiàn)代制造行業(yè)正逐步由二維向三維邁進(jìn)。對于水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制造，這個傳統(tǒng)行業(yè)來說，不斷的與時俱進(jìn)是提高自身競爭力的重要一環(huán)。借助三維技術(shù)的應(yīng)用不斷地開拓革新，利用現(xiàn)代化的手段解決施工中的難題，不僅縮短了制造周期，也提高了設(shè)備制造質(zhì)量。

[1]李如剛.三維技術(shù)在水工金屬結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用淺析[J].大科技，2012.

[2]李自沖，楊亞彪，馬文光，等.三維軟件Inventor在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].云南水利發(fā)電，2013，29（3）.

[3]楊逢堯，魏文煒.水工金屬結(jié)構(gòu)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

[4]張松青，崔紀(jì)超.CATIAV5三維機械設(shè)計［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[5]王麗娜.SolidW orks軟件在水工金屬結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2015（3）.

TV222.2

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1672-5387（2017）10-0038-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.10.013

2017-07-21

劉鳳維（1986-），男，工程師，從事水電金屬結(jié)構(gòu)制造技術(shù)質(zhì)量管理工作。