師小小，郭一萌，陳思奇，胡艷玲

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.華北水利水電大學，河南鄭州450046；3.水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

斜支臂弧形閘門三維建模及技術分析

師小小1，郭一萌2，陳思奇3，胡艷玲1

（1.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.華北水利水電大學，河南鄭州450046；3.水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

主要介紹了斜支臂弧形閘門三維建模的方法及難點，闡述了三維建模的重要性，并列舉了察爾森除險加固工程溢洪道弧形工作閘門利用Solidworks設計建模的例子，結合工程實例，對斜支臂弧形閘門的三維建模方法做了簡要介紹，并對其中的難點做了詳細的解答。

斜支臂；弧形閘門；支臂結構；裝配體；Solidworks

1 概況

弧形閘門是水利水電工程中普遍采用的門型之一，具有結構簡單、啟閉力小、操作簡單、水流條件好等優(yōu)點。因此，在泄水建筑物中，尤其是高水頭、高流速狀態(tài)下使用的更為普遍，能夠有效的降低氣蝕對門槽造成的損害以及因局部開啟造成的振動等。

目前水利行業(yè)采用的計算機輔助設計軟件仍然以AutoCAD的二維平臺為主，在此平臺下，設計者首先要在頭腦中想象出弧形閘門的實體結構。需要具備極強的三維空間想象力，并對弧形閘門足夠熟悉，才能比較順利的繪制出弧形閘門的二維圖。對于表孔弧形閘門，以斜支臂結構二維圖的繪制最為復雜。斜支臂夾角、扭角等數據都要經過詳細的計算才能確定，然后繪制于二維圖中，從想象中的三維實體到圖紙上的二維平面圖繪制，過程復雜。

三維設計軟件在近幾年的工程設計中運用的越來越普遍，它的優(yōu)勢在于能夠直接將設計目標用三維的視角呈現(xiàn)給設計者，實現(xiàn)目標物體的可視、可測。這樣一來，之前介紹的斜支臂夾角、扭角等復雜數據不用計算就能從所建模型中直接測得，直觀高效。

2 斜支臂弧形閘門建模方法及難點解析

斜支臂弧形閘門整體是一個裝配件，整個裝配件包括門葉結構、支鉸結構、支臂結構、主輪裝置、側輪裝置、水封裝置、緊固件等，其中門葉結構、支臂結構為焊接件，支鉸結構為子裝配件，子裝配件中又包含了活動鉸鏈、固定鉸座等零部件。在Solidworks軟件中，也分為裝配體、子裝配體、零件3個層次，在建模時分別對應于裝配件、子裝配件、零件（焊接件）。零件是組成裝配體及子裝配體的基礎，在Solidworks中，建模方式分為自底向上和自頂向下的裝配體建模，弧形閘門的建模方式采用后者。首先新建弧形閘門裝配體，然后在弧形閘門裝配體中新建門葉結構零件（門葉結構為焊接件，用焊件模板建立門葉結構），門葉結構建模完成后，再新建支臂結構零件（支臂結構同門葉結構為焊接件，用焊件模板建立支臂結構），最后在閘門裝配體中新建一個子裝配體，用于支鉸結構的建模。其余零部件根據其特征（零件或子裝配體）在閘門裝配體中新建零件或子裝配體。在門葉結構、支臂結構、支鉸結構的建模過程中，利用關鍵點定位及三者之間的關系作為基礎，進而控制閘門整體布局，實現(xiàn)弧形閘門的建模。

下面以察爾森出險加固工程中溢洪道12 m×14.6 m-14.187 m（寬×高-水頭）弧形工作閘門為例，介紹在Solidworks軟件中斜支臂弧形閘門建模的難點。

2.1 閘門裝配體

弧形閘門的三大部分（門葉結構、支臂結構、支鉸結構）建模各有難點，其中難度最大的部分是支臂結構，其次是支鉸結構，然后是門葉結構。

新建一個裝配體，保存并命名為閘門總裝配體。

2.2 門葉結構建模難點

門葉結構為焊件結構，在閘門總裝配體中選擇新零件時，應選擇焊件模板。

由于門葉結構在各部分中首先建立，所以在其建模過程中應為之后支臂結構、支鉸結構的建模以及閘門總裝配體的展現(xiàn)做好準備，并應考慮弧形閘門總體的建模，這也是弧形閘門建模的要點。

進入門葉結構的編輯狀態(tài)，選擇右視基準面作為弧形閘門側視圖的基準面，將原點作為弧形閘門支鉸中心，以原點為基準，由弧門門葉半徑等參數定義弧形閘門面板外緣底部的位置，這樣門葉結構的兩個主要定位點確立。首先拉伸形成面板實體，然后在右視基準面上建立草圖，用于主梁、小梁結構在面板上的定位。如圖1所示

圖1 定位草圖（單位：mm）

定位草圖完成后，仍以右視基準面為基礎建立上、下主梁腹板、翼緣橫截面草圖，通過拉伸、切除的方式生成主梁。小梁的建立分情況而定，若小梁是鋼板焊接組合結構，則小梁的建模方式與主梁相同，在主梁草圖中，同時繪制出小梁截面草圖，用與主梁相同的方式生成小梁；若小梁為型鋼結構，在Solidworks的焊件模板中的焊件菜單中，提供了結構件功能，用此功能生成小梁，首先在面板內弧面上用3D草圖功能，以圖1所示定位草圖為基礎，建立結構件草圖，如圖2，退出草圖，選擇結構件菜單生成小梁；若小梁的間距比較均勻，也可通過圓周陣列的方式建立小梁。

圖2 結構件草圖（單位：mm）

2.3 支臂結構建模難點

造成斜支臂結構建模困難的原因主要在于其復雜的空間結構，首先在俯視圖上，斜支臂與門葉結構主梁形成一個夾角，其次在側視圖上，上下兩支臂形成夾角，然后在支臂與支鉸的活動鉸鏈接觸面上，又形成一個扭角，從而很難想象支臂在空間的樣子，讓人無從下手。

同門葉結構一樣，新建零件（選擇焊件模板）。上下支臂軸線相交于一點，與支鉸中心重合，上、下支臂上下對稱，對稱面通過上、下支臂軸線所形成角的角平分線并垂直于上、下支臂軸線所形成的平面，因此可先繪制出下支臂，再通過鏡像繪制出上支臂。首先繪制下支臂軸線：建立基準面，該基準面通過支鉸軸線和下主梁中心面，在該基準面上繪制支臂軸線，一端通過支鉸中心點，另一端通過門葉結構主梁中心面與相應位置隔板中心面交線上并與主梁后翼緣上的墊板表面重合。然后通過支鉸中心點，并垂直于下支臂軸線繪制基準面，在此基準面上繪制下支臂截面草圖，然后通過拉伸特征成形到門葉結構主梁后翼緣墊板表面，再對支臂前段做相應處理，加上前端板、隔板等。接著用同樣的方式繪制上支臂軸線及上、下支臂軸線夾角角平分線，建立上、下支臂對稱中心面，然后通過鏡像繪制上支臂。最后用拉伸切除特征切割掉支臂后端多余部分，用拉伸特征繪制支臂后端板、支臂連接板、加強板、豎支撐、斜支撐等，完成支臂繪制。

2.4 支鉸結構建模難點

支鉸結構的建模難點在于活動鉸鏈。首先在閘門裝配體中新建子裝配體（選擇裝配體模板），保存（選擇外部保存）并命名為支鉸結構。在支鉸子裝配體中新建零件（活動鉸鏈和固定鉸座為鑄鋼件，選擇零件模板），保存并命名，方式同門葉結構和支臂結構。首先新建固定鉸座，固定鉸座的建模要點在于準確無誤的確立其空間位置關系（活動鉸鏈豎直方向對稱中心面與固定鉸座豎直方向對稱中心面構成一個夾角α，即斜支臂水平偏角），為之后活動鉸鏈建模打好基礎。完成固定鉸座建模之后，新建活動鉸鏈模型，以固定鉸座為參考，建立活動鉸鏈軸孔部分，活動鉸鏈軸孔與固定鉸座軸孔同軸心。以支臂結構為參考，建立活動鉸鏈與支臂接觸的座板部分，座板法線方向與支臂軸線同方向，然后通過放樣凸臺/基體菜單建立兩者之間的筋板等特征，從而完成活動鉸鏈部分建模。之后依次建立支鉸軸、軸套等零件，完成支鉸結構的建模。

新建零件完成水封、水封壓板等繪制，在相應零部件上建立螺栓孔，裝配螺栓、螺母等緊固件，完成整個閘門裝配體的建模。

3 結語

近些年三維計算機輔助設計軟件在水利行業(yè)中的大型設計院及大型的水利工程中越來越多的應用，掌握其設計方法變得越來越重要。察爾森出險加固工程溢洪道弧形工作閘門的建模、二維施工圖全部在Solidworks三維設計軟件上進行，設計思路清晰、設計成果直觀，工作效率高且質量高，同時給校核、審查工作帶來極大的方便。斜支臂弧形閘門在閘門類型中三維建模難度較大，掌握了斜支臂弧形閘門的建模方法，其他類型閘門的建模則相對簡單。

TV61 < class="emphasis_bold"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）09—0004-03

2017-01-10