試論三維設計在水利水電中的應用

麥麥提吐孫·庫爾班 艾拉提·托克遜

（新疆水利廳喀什噶爾河流域管理處 新疆 喀什 844000）

伴隨科學技術的快速發展，三維技術和電子應用也獲得了前所未有的發展，尤其是在工程設計方面顯示出了強大的生命力，在工程技術方面運用三維技術，可以大幅度節約設計資金，使設計的時間大大縮短，有效保證了設計的成功率，能夠使企業在市場經濟的大潮中增強競爭力，從而使企業在發展當中永葆活力，所以三維設計在實際中的應用越來越廣泛。與三維設計緊密相關的有限元技術則是最合理的計算方法，所以為了更快地得到設計結果需進行科學合理的計算，水利水電方面的進水口設計運用三維設計和有限元計算方法是切實可行的，能夠較深層次地分析進水塔在完成各種功能時的能力和計算工況下的應力、內力和位移的各種數據和分布情況，以此為進水塔的設計提供了許多參考方法和保證設計結構安全的許多措施。

1 水利水電工程進水口設計的概述

在大型水利水電工程設計中，為了保證進水口設計的安全性及實用性，往往需要考慮多方面因素，如要考慮洪水泄出、利用水能發電和上流沖下的泥沙等實際情況，還要考慮進水口的位置選擇。為保證實際應用性，常常選擇在天然河道、人工水庫或調節池的上下落差較大部設置進水口。進水口的設計方法有很多種，比如斜坡式、封閉式、豎井式等，在實際設計中，要根據實際情況和具體應用，水流狀況、地質條件等綜合考慮進水口的設計[1]。水利水電工程的進水口壩段的建設是整個水利水電工程的重要組成部分，如果把進水閥門閉合，就可以把上游的水擋在閥門以外，如果開啟進水閥門，就能夠把積蓄的水放出，形成巨大的落差水位，有效利用水能發電，因此，進水口的建設在整個水利水電工程中占有非常重要的地位，它的構造形式一般都包括很多的孔洞，結構也比較復雜，所以在設計中要高度重視。為了積蓄更多的水能，一般情況下進水口的形狀比較大，它結構的復雜性給日常的設計工作帶來了很多困難，建設科學合理的進水口大壩，對于洪水期的安全，以及整個水利水電工程的安全都有非常重要的作用。

2 主要設計辦法

工程設計是一個較為復雜的創造性過程，主要應該研究建設的需要、工程的功能、工程的具體構造、各個設計細節等，進行工程的設計就是把工程的各項功能運用模型的形式表現在大家面前，再利用幾何概念對它進行計算與展現的過程。

2.1 通用的設計方法

現階段比較通用的設計方法是CAD系統，首先設計完成零件的模型，然后運用各個零件的相互關系，把制作好的各個零件再裝配成模型，關于概念設計和構造設計則在后面的工作中完成，這就是當前普遍運用的CAD設計。在工程設計中運用Top-Down這種設計方法，就要在不同的設計時期建設不同的主導模型，這種主模型給設計人群制訂了設計方向，保證設計人群在主模型規定的設計范圍內進行設計，從而可以保證設計的實用性與科學性，可以使設計工作突出工程設計的總體思想，使設計人員的工作不走彎路，時刻與總體設計緊密相聯，各個零件的微小變化只表現在相對應的裝配問題方面，使得整個設計工作具有完整性，避免了重復性工作。普通地講，工程的主模型設計就是由一些幾何中常見的點、線、面來構成一個大致模型，進行零件設計時，也是運用了主模型中的一些元素來進行比較設計。

圖1 雙層進水口單聯機組鏡像前各向視圖

圖2 模型顯示方式

圖3 雙層進水口全體機組裝配前視圖

圖4 模型導入后顯示

2.2 零件制作設計

在進行較為繁瑣的工程設計時，不可能迅速完成，這種設計過程和一般簡單的設計不同，需要對整個設計工作進行反復修改。只有在各個零件全部制作完成之后，才能制作整個模型，這種設計的主要工作流程是利用設計初步設想圖，也就是草稿圖，再運用零件的設計，初步建造三維模型，對它經過反復修改，逐步完善設計的細節工作，才能建設完成三維模型。在設計各個零件時，主要方法是利用實體，對構造進行深入地研究和分析，掌握哪些構造是最為基本的，然后再進行零件的先后建設工作，這個建設過程是：

（1）在制圖工具的草圖制作區域進行模型的草圖制作，初步制作工程的二維圖紙。CATIA當中具有豐富的草圖制作工具，可以進行各種草圖的制作，它是進一步進行零件制作的基礎，可以制作出大致模型，然后退出草圖制作，再進入圖紙設計模塊，利用初步制作的二維圖紙進行零件的實體制作[2]。

圖5 導入后修正體顯示

（2）利用制圖工具中的零件設計建模工具來建設主模型，依據每一個零件的外形特征自動制作下一個零件，在工具模塊中能夠一次完成整個模型的制作。零件的制作工作就是工程草圖的執行情況，所以在運用零件設計前，必須要完成工程的草圖制作，才能以此為依據，進行零件的設計工作，實際就是以二維草圖為基礎，運用零件的制作功能，把二維草圖升級制作成為三維模型。制圖工具中的零件制作模塊具有把二維圖紙升級為三維模型的功能，比如伸展、充實、轉動等，可以使平面設計成為立體模型；也能夠先行制作三維立體模型，然后在此模型上面進行打洞、鉆孔或變形等；在此制圖工具中，零件設計制作的功能一般有六種，它們是：①把二維制圖升級為三維立體模型的功能；②在三維模型上進行二次加工的功能；③在曲面上進行二次加工的功能；④可以進行實體之間的交換；⑤可以把不同的實體進行二次組合；⑥可以在任意空間建設點、線、面的能力。

（3）還可以依據不同的要求對設計模型進行修飾加工，保證模型的整體不進行大的改動，而在它的細部進行精加工制作，可以完成各個倒角、倒棱、拔模工作、不同程度的加厚工作、各種替換工作等，對各個細節進行完美設計。在建模過程中，把進水口的全部模型制作分為下面幾個零件：進水塔身、具體山體、地形改變路段、二次混凝土和工作橋。關于雙層取水口的機組各個視角的圖紙制作如圖1所示，模型的多種方式如圖2所示。

2.3 模型的裝配工作

進行模型的裝配設計是CATIA的一個重要應用，很多模型都包括大量零件和部件需要裝配，從而可以顯示設計的效果。在進行零件裝配時，一般運用梯次裝配形式，從模型的最低級開始裝配，逐步增高，直到最后模型完成。在各種工程模型的裝配工作中，一般都采用這種裝配方式，以便監管和有效提高裝配速度，即使不用進行各種數據的復雜分析工作，也能夠及時對模型的各種零件進行修改，保證整體的聯系性。假如在裝配過程中要對某個零件進行改動，則利用制作工具中的自動更新功能，就可以真實反映零件的變化情況。整體模型對各個零件的部位要求精密，在實際裝配時，要依據當時的實際情況進行裝配，關于它的裝配過程在下面有所提示：

（1）把進行裝配的零件導入裝配文件，假如遇到重復零件，能夠利用制圖工具中的各種功能把零件實例化，從而保證零件的正常導入。

（2）依據設計當中各個零件之間的裝配關系，進行調整，把不同的零件放入自己的位置。

（3）利用裝配工具研究裝配時各個零件之間的缺點，以及裝配中出現的各種問題，解決各種實際問題。

3 以ANSYS為基礎進行三維有限元研究

運用CATIA進行模型的設計，運用ANSYS進行有限元計算在實際應用中具有積極地意義，能夠進行各種大型的工程設計工作。這種實際應用將隨著科學技術的不斷發展而逐步完善和發展，將會有效提高設計效率，從而獲得最大的經濟收入，具備鮮活的發展潛力。

詳細操作流程是，首先把小特征層次上的面和線關鍵點全部去掉，再找出各種具有這種特性的邊界線，使其形成一條線，做成較大的曲面。利用工具的打斷功能制作出與大面相連的線，進而利用制圖工具把這些線制成小的曲面。這種形式的圖形制作能夠使面和面中間具有公共線和關鍵點[3]。在利用模型導入以后，在圖形顯示中只有大致形象，如圖4，再在圖形制作工具中輸入實體顯示命令，如圖5所示。

把設計完成的零件模型導入到ANSYS當中，進行各種形式的修改，然后再進行網格剖分。在此次實際應用中使用了SOLID45實體。

4 靜力工況研究

在實際應用當中，進行參數計算、邊緣計算以及工況計算。

（1）邊緣應該具備的條件：地基的下表面要完全符合設計規格，地基的四周也要符合設計規格。

（2）關于能夠承擔的負荷情況計算。能夠對進水塔形成負荷的因素主要有：混凝土的重量、閘門有關設施的重量、啟閉機的設備重量、靜水壓力、各種地質情況、上游沖下的泥沙重量、各種形式的波浪壓力。靜力工況中，在順水方向和豎直方向上位移都比較小。而且順水方向的位移多出現在攔污柵墩頂部位置，豎直水流的位移多出現在進水口的左右側部位，主要都是由各種設施的自重引起的。

總之，在水利水電工程設計中，特別是在實際操作過程，出現在設計人員頭腦中的形象全部是三維立體形式，實踐證明，在工程設計當中運用三維設計，可以使設計人員的思路更加清晰，直接把思考的設計形象展現在設計圖紙中，從而省略了中間的很多環節，提高了設計效率，也可以形象地體現設計形狀，再現各種構造之間的空間關系，方便各種工程數值的計算工作，從而保證了設計工作的速度，使設計工作更加簡單和方便。在水利水電工程當中引入三維設計方法，可以提高工程的建設質量，有效節省建設成本，節約設計時間，保證設計成果的有效利用，這種方法將會在未來的水利水電設計中得到廣泛應用。陜西水利

[1]張社榮，顧巖，張宗亮.水利水電行業中應用三維設計的探討 [J].水利發電學報，2008（3）.

[2]黃鶴飛.三維設計在水利水電行業中的應用探討[J].科技資訊.2009（26）.

[3]余迎賓,賈剛.基于CATIA軟件的水工鋼閘門三維設計[J].水電站設計.2009（01）.