蹤燦

【摘 要】針對傳統(tǒng)鐵閘門零件中設(shè)計(jì)方法不合理，設(shè)計(jì)任務(wù)大，效率低，設(shè)計(jì)與數(shù)字工程建設(shè)需求脫節(jié)等問題，結(jié)合CAD技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，提出了數(shù)字化的新思路。深入探討了鐵閘門的設(shè)計(jì)，形成了一套適用于鐵閘門的新思路。詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)的方法，重點(diǎn)介紹了其建模技術(shù)，模型轉(zhuǎn)換技術(shù)和工程分析技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】鐵閘門;數(shù)字設(shè)計(jì);CAD技術(shù)

鐵閘門是可移動(dòng)的擋水結(jié)構(gòu)，其放置在水力結(jié)構(gòu)的溢流孔處。其主要功能是控制水位和調(diào)節(jié)流量。近年來，隨著中國水電資源的開發(fā)，越來越多的高壩已經(jīng)建成。同時(shí)，配套鋼閘也呈現(xiàn)出高水平，大規(guī)模發(fā)展的趨勢，對鐵閘門的設(shè)計(jì)在安全性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面提出了更高的要求。該方法簡單但不考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)和自重效應(yīng)，因此計(jì)算結(jié)果不能準(zhǔn)確反映實(shí)際結(jié)構(gòu)行為。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)分析方法得到了迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于鐵閘門結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算。結(jié)果更接近鐵閘門的實(shí)際工況，因此空間結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法可以最大限度地提高結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一性。

一、鐵閘門零件數(shù)字化設(shè)計(jì)方法

為了充分利用各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，本文提出了CATIA作為建模軟件和ANSYS作為鐵閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)方法的工程分析軟件。Steel Gates的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了數(shù)據(jù)收集和分析、部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算繪圖等過程。在繼承上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，鐵閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)將CAD數(shù)字模型與CAE工程分析功能相結(jié)合，形成一個(gè)整體。新的完整設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算方法和繪圖方法的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)換。

1.1數(shù)字設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成

根據(jù)鐵閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本設(shè)計(jì)要求，探索并形成了一套技術(shù)可行，方便快捷的鐵閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在建立主體模型的基礎(chǔ)上，利用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)將幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，避免了CAE分析的重復(fù)建模。通過將模擬結(jié)果與規(guī)范的允許值進(jìn)行比較，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的目的，并且還可以提供進(jìn)一步優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化意味著通過調(diào)整主要結(jié)構(gòu)模型的布局，尺寸和屬性，可以改變空間布局位置，尺寸關(guān)系，材料屬性甚至部件類型，從而提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，減少投資成本。在該系統(tǒng)中，如果整個(gè)或部分產(chǎn)品的機(jī)械性能不能滿足規(guī)范要求，或者結(jié)構(gòu)滿足要求但材料利用率低，則應(yīng)修改模型的控制參數(shù)，應(yīng)再次進(jìn)行工程分析，直至獲得更合理的力和最佳經(jīng)濟(jì)性的門結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)定型后，為了使設(shè)計(jì)的鐵閘門起到靈活調(diào)度，儲(chǔ)存和水控制的作用，有必要利用標(biāo)準(zhǔn)模板數(shù)據(jù)庫組裝必要的零件，形成一個(gè)完整的鐵閘門結(jié)構(gòu)。在整個(gè)三維CAD模型的基礎(chǔ)上，投影相關(guān)的二維工程施工圖，完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)任務(wù)?？傊?，鐵閘門的數(shù)字化設(shè)計(jì)是基于產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì)，并進(jìn)行有限元分析，并反饋分析結(jié)果來指導(dǎo)修改。

1.2 CAD建模技術(shù)

1.2.1參數(shù)相關(guān)設(shè)計(jì)和參數(shù)管理

參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅是三維設(shè)計(jì)的靈魂，也是設(shè)計(jì)思想的綜合體現(xiàn)。其實(shí)質(zhì)是解決設(shè)計(jì)約束的數(shù)學(xué)方法。設(shè)計(jì)圖形元素過程中所需的數(shù)字信息通過參數(shù)相關(guān)聯(lián)，通過修改參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)的功能，大大提高了模型生成和修改的速度。因此，它在產(chǎn)品系列設(shè)計(jì)，相似性設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。在CATIA中，可以通過直接修改系統(tǒng)參數(shù)，用戶參數(shù)或使用公式，設(shè)計(jì)表，規(guī)則和其他方法來間接修改參數(shù)，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)模型更改的目的。鐵閘門中有許多幾何元素和復(fù)雜的關(guān)系。每個(gè)基本組件功能都可以生成一系列參數(shù)，并且很難識(shí)別和管理大量參數(shù)。因此，一方面，結(jié)合每個(gè)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)的意圖，減少了設(shè)計(jì)獨(dú)立參數(shù)，然后減少了參數(shù)總數(shù);另一方面，根據(jù)門的功能特性和裝配級(jí)別，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化命名，并創(chuàng)建相應(yīng)的參數(shù)管理表。

1.2.2骨架相關(guān)性設(shè)計(jì)思想

通常，為了便于制造和加工存在一些規(guī)則，因此更適合使用軸網(wǎng)作為模型框架。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過軸網(wǎng)的參數(shù)快速均勻地修改鐵閘門的結(jié)構(gòu)布局，并且可以控制鐵閘門的整體尺寸和梁系統(tǒng)布局。它也非常符合設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)理念，因此設(shè)計(jì)師可以更專業(yè)。關(guān)于結(jié)構(gòu)形式的布局和優(yōu)化的注意事項(xiàng)。

1.2.3鐵閘門的標(biāo)準(zhǔn)模板

模板根據(jù)裝配級(jí)別分為三類：零件模板，零件模板和裝配模板。作為底部模板，零件模板是通過面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)構(gòu)建的。面板，主梁，次梁和隔板用作統(tǒng)計(jì)感應(yīng)的獨(dú)立基本類型。結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)，以超級(jí)副本或用戶特征的形式形成通用模板類型或系列模型。組件模板基于部件模板形成，門和葉片段作為單元。由于需要安裝和制造以及運(yùn)輸條件的限制，鐵閘門通常是分段設(shè)計(jì)和制造的。每個(gè)部分的空間配置和大小基本相同。因此，以機(jī)械葉片為單元建造鐵閘門更為有效。裝配模板以鐵閘門結(jié)構(gòu)為單位，主要考慮普通鐵閘門的相似性，為了重復(fù)使用工程結(jié)果，建模效率最高。

1.3 CAD模型轉(zhuǎn)換技術(shù)

在建立鐵閘門CAD模型時(shí)，為了提高CAE計(jì)算和分析的效率，避免重復(fù)建模工作，應(yīng)實(shí)現(xiàn)從三維實(shí)體模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換。通用大型通用有限元分析軟件為幾何模型導(dǎo)入預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，可以直接與數(shù)據(jù)交互?？紤]到鐵閘門的大多數(shù)部件由焊接在一起的薄壁鋼板組成，厚度方向的尺寸遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸。為了平衡計(jì)算速度和精度之間的約束關(guān)系，有必要將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為表面模型，然后將其劃分為相應(yīng)的板殼單元進(jìn)行有限元分析。殼單元用于模擬中厚度結(jié)構(gòu)。

二、工程應(yīng)用

2.1幾何模型和有限元模型

以西部某大型水電站進(jìn)水口快速機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)為例，眾所周知，鐵閘門為平面滑動(dòng)機(jī)械，基礎(chǔ)海拔2690.0 米，設(shè)計(jì)高水位2715.0 米，孔徑為9.0米×10.0米（寬度*高度，下同）的水下孔，止水尺寸為9.15米×10.1米，支撐跨度。距離為9.6米，水量重量為10.0kN / m3。操作方式為動(dòng)態(tài)關(guān)水和靜水開啟。

2.2有限元結(jié)果與分析

根據(jù)代碼檢查主要部件的強(qiáng)度和剛度。在檢查鐵閘門強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)首先確定材料的允許應(yīng)力，這與鋼板的厚度直接相關(guān)。另外，考慮到柵極和工作條件的重要性，在計(jì)算元件的允許應(yīng)力時(shí)，調(diào)整系數(shù)通常乘以[0.9，0.95]?？紤]到項(xiàng)目的具體情況，該值為0.9。面板本身也與梁系統(tǒng)一起受到整體彎曲，因此應(yīng)乘以彈塑性調(diào)整系數(shù)b/a>3，取1.5;b/a3，取1.6。

第四強(qiáng)度理論用于檢查鐵閘門的強(qiáng)度。只有等效應(yīng)力小于元件的允許應(yīng)力才能滿足強(qiáng)度要求。主梁和次梁的應(yīng)力變化是一致的。

2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從以上分析可以看出，機(jī)械的初步設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范的要求，具有較高的安全性和富裕度。為了達(dá)到安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以通過修改屬性參數(shù)和尺寸參數(shù)來調(diào)整整體梁系統(tǒng)的布局和一些部件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化。參數(shù)化幾何建模方法與參數(shù)化命令流分析模式相結(jié)合，使調(diào)整和再分析操作簡單方便。從靜力分析的結(jié)果來看，優(yōu)化模型的應(yīng)力分布和變形規(guī)律與預(yù)優(yōu)化模型基本相同，但峰值應(yīng)力增大，最大位移略有增加，但均在允許范圍內(nèi)。

三、結(jié)論

針對傳統(tǒng)鋼閘設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)方法不合理，設(shè)計(jì)任務(wù)大，設(shè)計(jì)與工程數(shù)字化建設(shè)斷開等問題，提出了一套鐵閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)了CAD 設(shè)計(jì)與計(jì)算在鐵閘門數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中的集成，有效地解決了設(shè)計(jì)模型與計(jì)算模型之間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合大型平面鐵閘門的設(shè)計(jì)工作，詳細(xì)闡述了三維參數(shù)化建模，有限元模型轉(zhuǎn)換，鐵閘門結(jié)構(gòu)計(jì)算和優(yōu)化的數(shù)字化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，具有一定的優(yōu)勢。設(shè)計(jì)人員通過數(shù)字方式設(shè)計(jì)鐵閘門具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]王可，陳智海，王蒂，王啟行.基于CATIA的鋼閘門參數(shù)化建模技術(shù)研究[J].人民長江.2016（02）.