陳 亮

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院，湖南 長沙 410007）

引 言

三維設(shè)計是新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，它是建立在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計目標更立體化，更形象化的一種新興設(shè)計方法。SolidWorks 軟件是達索系統(tǒng)（Dassault Systemes）的重要產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于航空航天、機械、汽車、模具等眾多領(lǐng)域，是一款主流的三維設(shè)計平臺。

涔天河水庫擴建工程大壩位于湘江一級支流瀟水河上游的永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)，是以灌溉、防洪為主，結(jié)合下游河道補水、發(fā)電、旅游開發(fā)等綜合利用的大型水利水電工程。樞紐工程由面板堆石壩、1#泄洪洞、2#泄洪洞、放空洞、引水發(fā)電洞、電站廠房和灌溉渠首工程等主要建筑物組成。2#泄洪洞布置在放空洞右側(cè)，進口設(shè)1 孔平面檢修閘門和1 孔弧形工作閘門。

本文以2#泄洪洞進口檢修閘門為對象，應(yīng)用SolidWorks 軟件進行閘門結(jié)構(gòu)三維設(shè)計，建立閘門三維模型，并基于三維模型進行設(shè)計輔助應(yīng)用和有限元靜力分析。

1 閘門簡介

1.1 閘門基本情況

2#泄洪洞檢修閘門為大型平面閘門，設(shè)置在工作弧門前，孔口尺寸（寬×高）18 m×14 m，底板高程299.40 m，設(shè)計水位313.00 m，設(shè)計水頭13.60 m。2#泄洪洞進口布置如圖1。

圖1 2#泄洪洞進口布置圖

1.2 閘門設(shè)計簡介

本閘門整體采用平面閘門型式，共有1 扇。因孔口尺寸較大，考慮經(jīng)濟性，閘門采用露頂式疊梁門，共分4 節(jié)，上兩節(jié)結(jié)構(gòu)型式一樣，下兩節(jié)結(jié)構(gòu)型式一樣（下文以上節(jié)、下節(jié)區(qū)分兩種結(jié)構(gòu)）。閘門靜水啟閉，首節(jié)考慮小開度提門平壓，采用2×500 kN 臺車配合液壓自動吊梁分節(jié)起吊。平時閘門分節(jié)存放于閘后的存放槽中。

上、下節(jié)門葉均采用變截面工字型焊接主橫梁，水平次梁采用標準型鋼，滑塊支承，側(cè)輪導(dǎo)向，設(shè)雙吊點。閘門采用下游止水，側(cè)水封為“P”型橡皮，底水封為“I”型橡皮。閘門主材為Q345B。閘門主要特征參數(shù)見表1、表2。

表1 下節(jié)門葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 上節(jié)門葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 SolidWorks 三維設(shè)計應(yīng)用

2.1 SolidWorks 三維設(shè)計概述

SolidWorks 具有零件、裝配體和工程圖三大基本功能，很適合水工金屬結(jié)構(gòu)零件設(shè)計、部件設(shè)計和二維圖設(shè)計的工作需求。應(yīng)用SolidWorks 三維設(shè)計建模主要思路有自頂向下和自底向上兩種，可單獨采用，也可混合采用。主要方法是草圖設(shè)計和特征建模。草圖設(shè)計主要包括在選定工作平面上繪制點、線、圓、曲線等，這與傳統(tǒng)二維CAD 很相似；特征建模主要包括拉伸、壓縮、掃描、旋轉(zhuǎn)、放樣等，用于將基礎(chǔ)二維草圖實體化、直觀化[1]。以草圖和特征構(gòu)造零件，將零件組裝成部件（子裝配），將零部件組裝成具有設(shè)計功能的完整裝配體（總裝），這就是用SolidWorks 三維設(shè)計建模的常用操作方式。

2.2 閘門結(jié)構(gòu)劃分

本閘門門體結(jié)構(gòu)是一個總裝配體，由4 個子裝配體（4 節(jié)閘門）組成。按設(shè)計功能單元劃分，每一節(jié)閘門又包含門葉結(jié)構(gòu)、止水結(jié)構(gòu)、支承結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向側(cè)輪結(jié)構(gòu)和連接件這5 部分，每部分均視作小裝配體，如門葉結(jié)構(gòu)由板材、型鋼焊接而成，止水結(jié)構(gòu)由橡皮、壓板組成。根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，以模塊化的理念，分塊進行模型搭建與組裝，有助于提高建模工作效率，且易于模型檢查和修改[2]。

2.3 閘門三維建模

基于SolidWorks 的閘門三維建模操作直觀簡潔，具有尺寸驅(qū)動的特點，草圖、模型隨著控制尺寸實時更新。

1）零件模型建立

零件建模就是先選擇工作面，在工作面中進行草圖設(shè)計，退出草圖模式，進入零件設(shè)計模式，運用特征工具完成實體，再結(jié)合必要的圓角、倒角、陣列等修飾特征工具，完成幾何實體。一般來說，板類、塊類零件用拉伸特征，軸類、環(huán)類、輪系用旋轉(zhuǎn)特征，有路徑變化的用掃描特征。圖2 為部分閘門零件模型。

圖2 部分閘門零件模型

一個零件中可以有一個或者多個幾何體，含有多幾何體的零件叫多實體零件。門葉結(jié)構(gòu)是由眾多的板件焊接而成，可作為多實體零件。門葉結(jié)構(gòu)的多實體建模，應(yīng)用自頂向下的建模思路，先定義布置草圖，將梁系的位置關(guān)系與之關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)參照建模，精簡了結(jié)構(gòu)尺寸換算工作量，保證設(shè)計質(zhì)量。圖3 為下節(jié)門葉三維多實體零件模型。2）裝配體模型建立

圖3 下節(jié)門葉多實體零件模型

裝配設(shè)計就是通過定義約束將設(shè)計好的零件組裝起來，成為一個完整的產(chǎn)品。所有的裝配單元應(yīng)具有唯一性和穩(wěn)定性，不能有冗余元素存在。本閘門的構(gòu)件較多且復(fù)雜，根據(jù)結(jié)構(gòu)劃分，采用了大型裝配體模式，即先建立子裝配體，再利用同軸、共面等配合關(guān)系將各個子裝配體組裝起來，成為一個完整的閘門裝配。每個層級的裝配，都有對應(yīng)的結(jié)構(gòu)樹，可以快速查詢修改裝配信息參數(shù)。圖4 為閘門總裝模型。圖5 為閘門安裝實景。

圖4 閘門總裝模型

圖5 閘門安裝實景

2.4 模型應(yīng)用

三維設(shè)計中，模型是基礎(chǔ)，基于模型可以深化應(yīng)用，發(fā)揮模型作用。

1）設(shè)計檢查

三維總裝模型包含了所有零部件的結(jié)構(gòu)信息和裝配約束信息。模型可以根據(jù)需要設(shè)置不同部位的顏色、透明度等渲染樣式。通過模型可以直觀視查形狀造型和量測任何部位的結(jié)構(gòu)尺寸。裝配過程中可以檢查零部件的設(shè)計是否合理，裝配接口是否匹配。干涉檢查可以快速發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的干涉部位，便于及時改進。

2）統(tǒng)計計算

通過評估工具，可快速測量出零部件的體積、面積以及型心、重心等幾何物理量。賦予材料屬性后，可統(tǒng)計質(zhì)量，用于閘門工程量統(tǒng)計、輔助計算閘門啟閉力和確定起吊中心。

3）出工程圖

利用模型直接調(diào)用工程圖模板生成二維圖，應(yīng)用視圖工具，抽取所需的視圖，然后進行尺寸標注，添加設(shè)計說明，完善材料表，形成設(shè)計二維圖[3]。二維圖直接從模型轉(zhuǎn)換來，只要保證模型準確，圖中顯示的視圖就是正確無誤的，相較于傳統(tǒng)的二維制圖，減少了繁瑣的繪圖工作量，提升了設(shè)計質(zhì)量。結(jié)合模型的軸測視圖，提高了二維圖紙的可讀性。圖6 為下節(jié)門葉的施工圖。

圖6 下節(jié)門葉施工圖

2.5 有限元分析

基于已有的三維模型，直接調(diào)用SolidWorks Simulation 模塊對下節(jié)門葉進行有限元靜力計算[4]。根據(jù)門葉結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，進行面單元模型簡化。定義材料，次梁為Q235B，其余為Q345B。定義連結(jié)為全局接觸。添加主滑塊對應(yīng)的6 個工作面垂直方向位移約束，承重板豎直方向位移約束，邊梁側(cè)邊側(cè)向位移約束，其余為自由；添加梯形水壓力載荷和重力荷載；完成殼網(wǎng)格劃分；運行計算，查看結(jié)果[5]。

計算結(jié)果顯示最大應(yīng)力為195 MPa，位于下主梁與邊梁連接處附近；主梁最大應(yīng)力和位移位于下主梁跨中，應(yīng)力大小為125 MPa，位移25.33 mm，主要結(jié)構(gòu)強度、撓度均滿足規(guī)范要求。圖7 為下節(jié)門葉整體應(yīng)力云圖。圖8 為下節(jié)門葉主梁位移云圖。

圖7 下節(jié)門葉整體應(yīng)力云圖

圖8 下節(jié)門葉主梁位移云圖

3 結(jié) 語

隨著BIM 技術(shù)的發(fā)展，三維設(shè)計在水利工程設(shè)計中正在快速應(yīng)用。本文以模塊化理念對該平面閘門進行結(jié)構(gòu)劃分，應(yīng)用SolidWorks針對性的進行三維建模，探索了適用水工閘門的三維設(shè)計思路、方法；基于模型進行設(shè)計檢查、統(tǒng)計計算、出工程圖的應(yīng)用；三維模型結(jié)合有限元靜力分析，驗證設(shè)計成果。在設(shè)計作業(yè)中三維設(shè)計起到了很好的效果：三維模型立體直觀，在結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計中較二維設(shè)計更易理解；模型生成二維圖，減少繪圖工作，降低出錯概率；結(jié)合有限元分析，輔助設(shè)計計算。

本文在三維設(shè)計過程中也面臨模型修改不便、二維出圖效率不高等問題，這些需要后續(xù)進行建模參數(shù)化研究和定制設(shè)計環(huán)境、文檔模版來解決[6]。Simulation計算精度不夠，需要對網(wǎng)格進行多次調(diào)整試算，可用于工程驗證，若要進行理論研究還需應(yīng)用專用有限元軟件。