陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安710001
摘要：本文基于CATIA三维建模平台结合某工程平面闸门的设计介绍一下，平时工作中参数化建模、自动生成二维图和有限元分析计算的设计流程和对关键技术的应用。
关键词：参数化建模；工程图表达；CAE分析；二次开发
1前言
长期以来钢闸门的设计，基于AutoCAD二维绘图平台要设计师先把大脑中的三维设计模型转化成CAD表达所需要的三向视图，绘图过程中图纸各视图之间没有关联性，绘图的重复工作量大且视图表达关系复杂容易出错，这样就把设计和校审中本应在产品创新、产品结构优化设计上花费的大部分时间都被CAD手工绘图和核对图纸视图关系正确性所占用。CATIA最初由法国达索公司研发并用于飞机的零部件参数化设计和数据库管理，进而广泛应用于机械制造加工等行业。用于工程规划、设计、加工、后期维护等阶段对设计的产品提供全生命周期的数据化管理，使生产工序规划期提前，可以减小设计、施工、后期维护过程中因数据冲突、遗失造成的重复工作和资金损失，提高生产和管理效率。CATIA在水利行业的应用也越来越普遍，传统的闸门设计流程需要水工专业提供基本设计资料（水工体型、闸门孔口尺寸、设计水头等）、闸门型式选择、布置好闸门与水工、建筑专业的衔接关系、闸门启闭力和结构强度的计算及CAD二维图纸绘制等步骤。而基于CATIA平台对闸门的参数化设计建立模型库，只需要调用数据库模型输入原始参数，就可以参与传统设计流程的全阶段并对全阶段各步骤实现参数化设计，随时对方案进行优化调整。CATIA以它三维参数建模、二维工程图纸、三维有限元计算等模块为主，优化设计流程、提高产品质量，减小图纸校审工作量，为金属结构设计人员提供行之有效的设计手段。
2.闸门参数化设计
以某工程电站尾水防洪闸门为例来介绍三维参数化设计在设计中的应用，闸门孔口尺寸6m×8m，水封型式为“双P头”前水封，正向挡水水头31m、反向挡水水头5m，门前泥沙淤积高度5m，启闭水头5.3m，闸门支承型式为简直滚轮支承、滚轮直径1100mm，闸门受水压力为22450kN、泥沙压力730kN，启闭机选用固定式圈扬启闭机QPQ2000kN-32m，闸门运行方式为动水启闭。
作为CATIA三维参数化建模体系的核心，参数化模型的建立方式有两种：一种是通过骨架建立零部件的装配关系，从自己建立好的标准件库调用可参数化调整的零部件（UDF），通过对UDF中参数化模型的参数调整满足当前设计的需要。这种建模方法优点是建模思路清晰，各调用零部件模板之间关系相对独立，零件与零件之间、部件与部件之间关系相对独立，零部件只于骨架之间发生联系，通过骨架的参数调整从而调动各个零部件之间关系发生调整。模型之间调用关系清晰，模型驱动时候软件不会因为缺少支承面、缺少上级零件的连接关系而出现整个模型报错的情况。缺点是需要建立庞大的零部件库作为支撑，零件库的建立过程工作量较大且需要大量三维模型的建立做基础，建模初期一般是建模的同时不断完善零部件模型库，零部件型库建立的过程比较慢一旦建立好以后，建模速度就有质的飞跃。二是采用集成式建模的方法，用CATIA装配模块的约束关系把零件与零件之间约束在一起成为部件，部件再与零件或部件之间通过约束关系成为需要的闸门模型。优点是对于装配关系简单且零部件像滑块、滚轮、主次梁不需要调整的情况，模型整体性较强，建立好以后只调整孔口尺等主要参数，不做更换细部零件和主次梁型式等大的调整，不需要人为过多干预，模型交给其它不了解CATIA的人都很容易上手。缺点是零部件之间是一层一层通过约束关系搭建起来的，具有依耐性很强的层级关系。一旦对细部零件和主次梁型式等进行调整，模型就会因为缺少上节约束关系或支承面的原因整个模型报错不能更新下去，通用性和可调整性不强。三是，骨架建模和集成式建模混合使用的设计方法，就是闸门的主要零部件用骨架建模的方法搭建起来由骨架参数来调动各零部件之间的装配关系。对于装配关系复杂、层级关系比较明显的零部件采用集成式建模方法设计，比如闸门的管轮一般包括滚轮轴、滚轮转动轴承、密封圈、轴承挡板、滚轮和滚轮轴端挡板的零部件组成。优点是对闸门建模的适应性强，兼顾骨架建模和集成式建模的优点，使用灵活方便。我这里也主要介绍和使用第三种方法建立闸门模型。
参数化装配骨架模型的建立，本工程孔口尺寸6m×8m考虑滚轮尺寸和侧水封宽度后支承中心距取6800mm、顶水封高度分别为8250mm和8100mm，因此骨架设立5道水平主梁，其中底主梁采用箱型梁结构，因为考虑到面板、主梁板厚利用充分经过计算箱型梁较工字型截面板厚强度利用更充分。骨架设5到竖向纵梁，吊耳型式为单吊点。吊点型式建模时可以同时建立单吊点和双吊点骨架模型，然后通过CATIA中知识工程模块通过程序将不用的吊点型式加以抑制，使用的时候通过在骨架模型参数中选择需要的吊点型式，没选择的吊点型式就会自动抑制不会出现。这样闸门骨架的参数化模型主体就建立好了，然后将骨架中各元素发布出来供零部件调用时使用。
零件库的建立，以骨架发布元素为基础建立零部件建模所需要的点线面，通过建立起来的点线面建立出零部件模型。然后，用CATIA中用户自定义特征功能建立出方便调用的UDF，UDF通过catalog数据库管理系统分级管理。建议建立三个层级管理比较方便实用，一级是零件库包括：主梁UDF、纵梁UDF、边梁UDF、纵梁UDF等基础零件，二级是部件库包括：各种滚轮UDF和有装配关系但需要整体调用的部件，三层是门体库单元：保存各种施工图阶段的模型，主要保存的是参数化骨架和与模型关联好会自动调整的二维工程视图，骨架上的零部件可以根据需要从一、二级零件库中重新调装。模型库建立好以后，就不需要像AutoCAD平台绘图那样分为初步设计、招标设计和施工图阶段，各招标阶段的工作量主要体现在设计人员思考问题方面的工作深度，而不主要体现在图纸绘制强度上；CATIA平台模型从三级零件库中调用模型经参数化以后就是满足施工图阶段的成品模型，设计阶段不同只在于生成二维工程图纸的标注内容详略上。
3、CATIA模型校审方面应用
CATIA有草图检测、运动仿真和碰撞检测功能等功能，可以方便设计和校审人员检查模型，大大提高了闸门设计中的绘图和校审速度。运动仿真功能可以直观的看见闸门运行过程中与水工建筑物之间的衔接关系，碰撞检测功能可以显示出闸门自身结构冲突和闸门与水工建筑物之间位置和外形碰撞的地方。在工程方案布置阶段就可以做好各专业之间的协调配合工作，减少各专业配合错误率提高工程的整体质量。
利用ANSYS这款结构强度分析软件，把建立好CATIA模型转化为曲面模型导入ANSYS软件约束模型加入载荷后，就可以得到模型的强度、刚度的应力值。用结构力学第四强度理论中，当等效应力小于构件许用应力时满足强度要求，闸门应力云图中主要受力构件应力最大值出现在面板中部为165N/mm²，主梁的应力变化区间较均匀，底主梁跨中应力最大为155N/mm²，均满足Q345C材质刚才许用应力220N/mm²的要求。
4、小结与展望
CATIA作为一款功能强大、技术成熟的三维CAD软件，之前已经广泛应用于航空航天、机械制造、建筑等领域，但是进入水电行业时间比较晚，目前正处于起步阶段应用还不太成熟。我院从2008年开始开展三维设计工作，陆续引进了CATIA三维建模设计软件和VPM三维数据模型管理和各专业交互式协同设计平台后，正在全面推进以CATIA为基础在VPM平台上进行协同设计，全院各主要专业设计人员分别用各自权限把自己的设计成果放到VPM平台上统一管理和交互使用，有效提高各专业之间协同工作的能力，大大提高工作效率和产品质量。在后期的生产和管理过程中，还可以通过给每个产品赋予身份验证二维识别码的方式，识别二维码查看到产品在设计、制造加工、运行调试中所处的状态，出现的问题也可以用照片的型式通过手机移动客户端上传到管理平台，实现产品全生命周期的质量跟踪控制。
参考文献：
[1]尤春风主编，CATIAV5高级应用，清华大学出版社.
[2]SL74-2013，水利水电工程钢闸门设计规范.
[3]黄志新，ANSYSWorkbench16.0超级学习手册，人民邮电出版社.