水工鋼閘門三維參數(shù)化設(shè)計理論基礎(chǔ)與工程實踐

李國寧，王雪巖，阿木古楞，王文強

（內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

經(jīng)過幾代人的努力，水工鋼閘門設(shè)計有了很大進步，閘門計算和設(shè)計效率大幅提高，設(shè)計閘門的種類不斷豐富。但迄今為止沒有專業(yè)的閘門計算軟件，只能采用傳統(tǒng)的Excel電子表格及一些非專業(yè)軟件輔助完成閘門計算，雖然現(xiàn)在大都采用電子計算稿，但完成一份完整的閘門計算書，少則一周，多則數(shù)周，尤其是當設(shè)計方案變化后，又要重新計算一遍，費時費力，而且極易出錯。在閘門制圖方面，鋼閘門的設(shè)計屬于產(chǎn)品設(shè)計，工程圖的繪制工作量非常大，項目工期緊張的時候，容易導(dǎo)致工程圖出現(xiàn)錯誤。借助于Auto CAD軟件，已經(jīng)實現(xiàn)了無紙化設(shè)計，相比手工繪圖能大大提高設(shè)計效率，但不夠完善，同樣存在與閘門計算類似的問題，在原始設(shè)計資料變動的情況下，設(shè)計完成的圖紙需要重新手工調(diào)整，修改閘門圖紙的工作量很大，而且極易出錯。

在計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)不斷發(fā)展的今天，三維CAD技術(shù)在各行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而在水利水電行業(yè)，目前還只是開始階段。隨著各大設(shè)計院對三維設(shè)計的逐步重視，三維深化設(shè)計替代二維傳統(tǒng)設(shè)計的革新時代已經(jīng)到來，閘門的程序化計算、三維參數(shù)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)有限元分析和運動學(xué)、動力學(xué)動態(tài)仿真必將成為未來水工鋼閘門設(shè)計的發(fā)展趨勢。

1 適用性

水工鋼閘門設(shè)計有兩個突出特點：一是閘門類型不多，最常用的就是平面鋼閘門和弧形鋼閘門，相似工況的工程完全可以采用同類閘門，只是孔口和水頭的差別，決定著閘門的大小不同；二是閘門上的各個附件及部件大部分都是標準件和系列件，如工字鋼、槽鋼、角鋼、主輪、側(cè)輪、滑塊、止水、吊耳、充水閥、螺栓、螺母、墊片等。閘門的這兩個特點，為閘門的三維參數(shù)化設(shè)計提供了有利條件，即三維參數(shù)化設(shè)計方法特別適用于水工鋼閘門設(shè)計。

2 總體技術(shù)路線

充分發(fā)揮各軟件的優(yōu)點，運用MATLAB語言編制攔污柵、平面閘門和弧形閘門的設(shè)計計算程序，利用VB設(shè)計交互式界面，采用ACCESS作為數(shù)據(jù)庫，通過Math CAD輸出計算稿；解決各軟件間的數(shù)據(jù)接口問題，開發(fā)閘門程序化設(shè)計計算系統(tǒng)，并實現(xiàn)自動輸出設(shè)計結(jié)果和完整的電子計算稿，提高閘門設(shè)計計算的效率。在三維參數(shù)化建模平臺Auto Desk Inventor環(huán)境下，建立各種閘門的三維參數(shù)化模型；以Excel電子表格為數(shù)據(jù)載體，將閘門設(shè)計計算程序得到的結(jié)果數(shù)據(jù)傳送到三維參數(shù)化模型，通過數(shù)據(jù)來改變模型，進而改變與模型相關(guān)聯(lián)的二維工程圖，實現(xiàn)參數(shù)化繪圖，提高出圖效率和產(chǎn)品質(zhì)量。建立好的三維模型可以通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入到分析軟件和仿真軟件，進一步完成閘門結(jié)構(gòu)有限元分析和運動學(xué)、動力學(xué)動態(tài)仿真，實現(xiàn)閘門設(shè)計的高級應(yīng)用。總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)路線圖

3 三維參數(shù)化模型

3.1 基本原理

傳統(tǒng)的二維繪圖，是在已知尺寸的情況下，繪制圖形，然后標注尺寸，尺寸只能反映圖形的大小，無法影響圖形。參數(shù)化的基本原理是繪制圖形的同時添加尺寸，尺寸不僅能反映圖形大小，還能影響圖形，尺寸改變，圖形也跟著改變，即尺寸驅(qū)動。將尺寸數(shù)據(jù)保存到一張參數(shù)表中，每一個參數(shù)各自命名，建模時調(diào)用該名稱，或者設(shè)置數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接，通過改變參數(shù)表來改變?nèi)S模型，進而改變與之相關(guān)聯(lián)的二維工程圖。三維參數(shù)化的基本原理如圖2所示。

圖2 三維參數(shù)化的基本原理

3.2 模型架構(gòu)

閘門模型的建立具有很大的靈活性和自由度，同樣的閘門，不同的人，不同的思路，會建成不同的模型；甚至同一個人，同樣的閘門，前后兩次建立的模型也可能不同。從外觀上看，模型是一樣的，但其參數(shù)的設(shè)置，約束的選取，建模的順序及包含的信息，都可能截然不同，模型的實用性和適應(yīng)性也大相徑庭。

就水工鋼閘門而言，應(yīng)根據(jù)其不同零部件各自的特點，采用不同的處理方式：

（1）門葉——焊接件，尺寸關(guān)聯(lián)性強，參數(shù)少，種類少；建立全參數(shù)化模型，通過參數(shù)表或Excel電子表格控制門葉模型。

（2）標準件——螺栓、螺母、墊片、密封圈、齒輪、軸用零件、閥、角鋼、槽鋼、工字鋼等結(jié)構(gòu)型材，都是機械標準件，可以直接調(diào)用資源中心庫，使用非常方便。

（3）系列件——主輪、側(cè)輪、滑塊、吊耳、充水閥等，這些部件雖未標準化，但在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊等書籍中，對其主要尺寸進行了規(guī)定，完成了“系列化”；另外，這些部件的尺寸較多，較雜，參數(shù)太多，不適于建立參數(shù)化模型。對系列件的處理方法是，建立完備的系列件庫，把每個型號規(guī)格的系列件建成模型庫，使用的時候調(diào)用即可。

（4）常用件——各類水封、止水墊、止水壓板等，稱其為常用件。這類零件斷面尺寸相對固定，只是使用長度和螺栓孔的大小、位置不同。針對這一特點，處理方法是建立半?yún)?shù)化模型，斷面非參數(shù)化，長度和孔參數(shù)化，根據(jù)使用需求，設(shè)定不同的長度和孔數(shù)、孔距即可。

（5）孔、槽等——對于閘門上的螺栓孔、漏水孔、鎖定槽、輪槽、板、加強筋等結(jié)構(gòu)，進行常規(guī)的三維操作即可，這部分結(jié)構(gòu)的工作量不大，無需且難于參數(shù)化。

具體工程實踐中，先根據(jù)原始設(shè)計參數(shù)進行閘門結(jié)構(gòu)計算，得到的設(shè)計結(jié)果參數(shù)寫到Excel數(shù)據(jù)文件中，門葉三維參數(shù)化模型提取結(jié)果數(shù)據(jù)，改變模型，開孔、開槽；接著選用系列件模型庫中的主輪、側(cè)輪、吊耳等；然后根據(jù)閘門尺寸，設(shè)置止水零件參數(shù)，改變止水模型；最后將各零部件通過調(diào)用資源中心庫中的標準件安裝于門葉上，完成建模。閘門三維參數(shù)化模型架構(gòu)如圖3所示。

圖3 閘門三維參數(shù)化模型架構(gòu)

3.3 模型參數(shù)化的平衡

參數(shù)化的三維閘門模型，并不是參數(shù)化的越徹底越好，也不是傻瓜型的模型就是最佳模型。如果整個閘門的所有零部件都做成參數(shù)化模型，則需要大量的尺寸參數(shù)，設(shè)計者就要把大部分精力放到如何理順繁雜的參數(shù)表上，反倒費時費力。而且，參數(shù)越多越容易出錯，稍有不慎，就會導(dǎo)致模型報錯，甚至崩潰，陷入死循環(huán)。因此，要以設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量最高為原則，合理分配參數(shù)化部分和非參數(shù)化部分，根據(jù)零部件自身不同的特點，采用不同的處理方法，實現(xiàn)模型參數(shù)化的平衡。

4 技術(shù)關(guān)鍵與優(yōu)缺點

4.1 技術(shù)關(guān)鍵

（1）模型參數(shù)化的平衡，以設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量最高為原則，合理分配參數(shù)化部分和非參數(shù)化部分，根據(jù)零部件自身不同的特點，采用不同的處理方法，實現(xiàn)模型參數(shù)化的平衡。

（2）閘門設(shè)計計算系統(tǒng)子模塊與閘門計算總程序的銜接，根據(jù)閘門各結(jié)構(gòu)件的計算特點，確定哪些部分適合做系統(tǒng)子模塊，哪些部分適合編到總程序中，二者的數(shù)據(jù)如何交換等。

（3）閘門設(shè)計計算系統(tǒng)與三維參數(shù)化模型間的數(shù)據(jù)接口問題，數(shù)據(jù)接口起到紐帶的作用，只有成功解決了數(shù)據(jù)接口問題，整個技術(shù)路線才能得以實現(xiàn)。

4.2 優(yōu)點

（1）在進行三維模型設(shè)計時，設(shè)計者擁有比二維繪圖環(huán)境中更強烈的“設(shè)計”感；同時，在模型構(gòu)建過程中，可以更直觀的根據(jù)已建部分及時、合理的調(diào)整設(shè)計思路。

（2）閘門的三維模型中包含施工圖、加工制造以及安裝時所需的大量信息，零部件都附加了尺寸、數(shù)量、材料屬性及配合關(guān)系，使得材料明細表可以自動生成，借助這個模型，可以快速地生成施工圖紙，顯著提高工作效率及設(shè)計精度，大幅度提高生產(chǎn)力。

（3）參數(shù)表與模型自動相互關(guān)聯(lián)，工程圖與模型之間關(guān)聯(lián)設(shè)計，當參數(shù)表發(fā)生改動的時候，模型中與之關(guān)聯(lián)的所有零件都會自動發(fā)生合理改變，即零部件具有“自適應(yīng)”能力；同時，所有工程圖中與修改相關(guān)的部分均會自動進行相應(yīng)修改，此項特點徹底解決了二維設(shè)計環(huán)境中修改工程圖過程顧此失彼的局面。

（4）干涉（碰撞）自查功能可以讓設(shè)計人員及時、直觀的發(fā)現(xiàn)和校正裝配中的錯誤，避免在設(shè)計及安裝過程中由于產(chǎn)品之間干涉所帶來的不必要的麻煩，而這在二維繪圖環(huán)境中是無法實現(xiàn)的。

（5）實體模型與工程圖的嚴格一一對應(yīng)關(guān)系及軟件中的干涉檢查功能，可以大幅減輕校核人員和審查人員的工作強度。

4.3 缺點

（1）前期需投入大量時間學(xué)習軟件，整理思路，轉(zhuǎn)變設(shè)計思維，犧牲工作效率。

（2）參數(shù)化使同一類型的閘門結(jié)構(gòu)相對固定，一定程度實現(xiàn)了產(chǎn)品的標準化、系列化，但產(chǎn)品缺少個性。

（3）工程圖某些地方無法完全達到制圖規(guī)范要求或符合傳統(tǒng)制圖習慣。

（4）如果模型建立不完善，會不斷報錯，甚至崩潰，后期修改、處理非常費事。

5 工程實踐

從2010年底開始，經(jīng)過7多年時間的項目開發(fā)和工程應(yīng)用，我們已創(chuàng)建了基本完備的常用零部件模型庫；構(gòu)建了10種類型鋼閘門的門葉參數(shù)化模型，基本覆蓋了常用閘門種類，滿足了日常應(yīng)用需求；開發(fā)了攔污柵設(shè)計計算系統(tǒng)；完成了30多個工程、60多個閘門的三維建模；利用三維設(shè)計方法出版了施工圖紙60多套、800余張，三維參數(shù)化設(shè)計方法在金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)進行了有效的推廣，在水庫、樞紐、供水、電站、水閘、灌區(qū)、景觀等各類工程中均得到應(yīng)用，顯著提高了金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)的圖紙質(zhì)量和設(shè)計效率，取得了良好的效果。另外，通過金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)開展的水工鋼閘門三維參數(shù)化設(shè)計試點，使三維設(shè)計的理念和優(yōu)勢深入人心，起到了很好的宣傳和示范作用。

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