水利水電行業中應用三維設計的探討

王海

【摘 要】所有的水利水電工程建筑物都是空間結構，雖然設計人員在對其進行設計會使用平面投影圖、剖面圖以及立面圖等來對工程的結構進行描述，但是實際上其在最初進行設計的時候的構思也三維立體的，而如果直接采用三維圖案進行設計，有利于將工程結構的空間形狀反應出來，對建筑物的空間關系進行詳細的描述，從而確保工程量計算的精確性。

【關鍵詞】水利水電行業；三維設計；應用

一、三維設計系統的應用原則

三維設計系統是一種既可獨立，又可分散，并且還可以集成的一種信息集成系統。所有的三維設計系統均是建立在數據庫之上的，數據庫的建立直接關系到整個三維設計系統的運行，故在數據庫建立的過程中應遵循以下幾點原則：第一，構建項目分層結構，以及相應的編碼標準；第二，構建專門的使用方法和標準。例如，通過構建專門的接口管理程序對信息進行處理，從而保證各個專業提供信息的正確性和有效性；第三，構建專門的工程數據庫，以及相應的項目數據庫，并根據工程的情況建立相應的模型、圖紙以及治療，在不斷積累資料的過程中還需要確保數據信息的統一性，從而使數據庫中各個專業的資源共享；第四，數據庫中的數據信息應該要遵循“唯一”原則，也就是同樣的數據只需要建立一次，并且在以后的工作中可以多次反復使用，從而房子數據信息之間出現沖突；第五，以采購成熟的商業軟件為基礎，根據工程的功能需求，開發自身的接口程序以及部分沒有的軟件，從而有效保證三維設計系統的統一性和規范性。

二、水利水電工程中三維設計軟件的應用

對水利水電工程來說，其使用的三維設計軟件應該是將CAD/CAE/CAM等功能集于一身的比較大的集成化的系統。本文主要對三維設計軟件中的CATIA軟件在水利水電工程中的應用進行探討。

（一）軟件功能概況

CATIA軟件包括了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到人機交換等實用模塊。該系統的特點主要包括以下幾點：第一，具有完全相關性，在該軟件中對任一部分進行修改，都會立即反映到相關的其它內容中去；第二，具有真正的管理并發進程，以及實現并行工程的能力；第三，該軟件的裝配功能非常強，在實際操作的過程中能將設計人員的設計意圖始終保持下來；第四，使用方便，可以有效提高設計人員的設計效率。目前，該軟件主要在一些技術比較高端的技術制造領域中廣泛應用、如汽車、航天等，并且還獲得了非常好的應用效果。而在水利水電工程中引入該軟件，主要是為了直接或者間接的應用它的技術。

（二）復雜工程建模

1.工程案例。本次研究選取某水電站作為研究對象，該水電站的進水口是由一個進水塔和進水引渠組成的，進水塔屬于岸塔式進水塔，其采用的是雙層取水方式進行取水，長232m，寬32.15m。塔頂的平臺高程832.5m，建基面高程745.5m。塔下的地基巖體主要為微風化的新鮮的沉積角礫巖或者花崗巖，整塊巖體的完整性比較好。

2.構建模型。使用CATIA系統建立三維模型的過程中主要會使用到該軟件的裝配設計和零件設計兩功能來進行：（1）裝配設計功能。該功能的主要作用在與合理表達裝配模型，通過使用層次分明的模型，在進行裝配的過程中應該從下到上，從最下層的子裝配體往上逐漸進行配置，直到將最上層的裝配體配置好。（2）零件設計功能。該功能主要是對工程模型的零件進行設計，在對零件進行設計的時候，主要是做實體造型。首先對工程結構中特征進行分析，分析出哪些是基本特征，然后再對各個特征創建的順序進行判定。

3.有限元分析。CATIA軟件是一個包括了CAD/CAE/CAM等功能于一體的三維參數化軟件，它給給水利水電工程提供了非常強大的，并且使用邊界的工程分析模塊。通過使用該模塊，非專業的分析的設計人員也只需要在該模型上添加載荷以及約束，就能夠迅速進行初級的有限元分析，從而得出軟件分析系統對設計模型的驗證。

（三）CATIA和ANSYS軟件的聯合使用

1.軟件組合的作用。ANSYS具有功能強大、兼容性強、便捷性強以及計算效率高等優點，但是面對一些復雜的大型結構工程，該軟件在進行建模以及分析等工作的時候往往需要工作人員話費巨大的精力來進行，而如果要對結構設計進行改動的時候，會嚴重影響建模工作的正常進行。而CATIA軟件具有非常強大的造型功能，但是和ANSYS等專業有限元分析軟件對比之下，其在這方面的功能還有許多不足之處。因此，在對于水利水電工程等大型復雜的結構件進行三維建模以及有限元分析的時候，通過合理使用軟件集成方法，可以將各個軟件的優點充分發揮出來。

2.CATIA模型導入ANSYS軟件的修正和重構。目前，ANSYS軟件已經具有了和CATIA直接相連的接口，可以直接將CATIAMODEL文件讀取出來，并進行相應的修改。在CATIA軟件中，各個零件的曲面分別由它們自己的線段構成，相鄰的兩個曲面之間也沒用共同使用同一個邊界線。這樣往往就無法實現ANSYS軟件中網格劃分對數據信息的要求。因此，應該先將零件上重復的線及線上的點刪除掉，然后再使用相加功能將剩余的線連接到一起，從而保證相鄰的兩個曲面有共用的邊界線。此外，還應該將一些比較小的特征刪除掉，然后將它們所在的面合并入相鄰的面中。在將實體模型完成后，即可進行后續的計算工作。

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