三維軟件在水工金屬結構制造中的應用

劉鳳維

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

三維軟件在水工金屬結構制造中的應用

劉鳳維

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

在水電金屬結構制造過程中，傳統的圖紙放樣不能全面的反應設備制造特征。在引入三維軟件實體放樣建造立體模型后，產品特征更加直觀，能夠精確的反映產品各部件之間的空間位置關系，便于水工金屬結構產品的制造。

水工金屬結構制造；SolidWorks；閘門；岔管

1 概述

隨著科學技術的發展，計算機三維技術越來越廣泛的應用在各行各業。將計算機三維技術結合到水電金屬結構設備制造相關領域中，可起到較好的輔助效果，開拓一條水工金屬結構制造的新途徑，起到事半功倍的效果[1]。

本人選用的水工金屬結構制造三維模擬軟件為SolidWorks三維軟件。該軟件可以對零部件進行分別造型后，再按設計要求進行組合裝配。對金屬結構設備進行三維造型，可以全面準確的了解制造設備的特征，便捷的查閱制造過程中需要檢測的各類參數信息，包括結構件的相對空間坐標、干涉檢查以及整體反映構件的裝配情況。

2 三維軟件在水利水電工程中的應用

在水利水電工程中，無論是土建、機電還是金結，三維技術已經得到了廣泛的應用。其中水利水電工程施工場地布置困難的地形，在明確彼此之間的制約條件的情況下，采用三維動態布置施工平臺，能夠方便快捷的得到所需結果并生成相應平面、剖面圖。采用三維可視化模擬技術能更充分及直觀考慮各種可行的方案，快速、方便地制定多種方案和進行進度分析，并能定量地分析各種施工措施對工程進度的影響。

在金屬結構制造方面，目前絕大多數金屬結構設計均采用了三維立體設計，更加準確直觀的反映了產品的特征。

2.1 復雜工程建模

三維建模工作主要運用系統的零件設計、裝配設計來完成。零部件設計在零部件設計過程中，主要是實體造型。首先分析結構由哪些特征組成，哪些特征為基本特征（即最先要建立的特征），然后決定各個特征被創建的順序。建模基本過程為：（1）草繪模塊，根據主特征外形進行二維草繪圖的繪制；（2）運用零件設計模塊提供的特征建模工具進行主特征造型，包括拉伸、旋轉、掃掠等，根據零件外形之間的拓撲關系，繼續下一個特征的建立，一次完成整個模型的建立；（3）根據具體要求進行輔助特征造型，包括挖空、開槽等。

2.2 三維設計的優勢

（1）直觀、形象

三維設計不但可以繪制二維圖紙，還能提供工程三維模型，可以任意視角地觀看工程的整體及局部，還能提供動態的結構裝配過程。通過與三維設計平臺無縫連接的可視化仿真系統，可以直觀展現金屬結構產品的三維形象面貌及特性，而且還能夠描述產品各部件之間在空間上的邏輯關系。通過三維動畫形式，可以在虛擬環境中，真實預演施工過程，從而分析和考核人工、材料和施工機械計劃消耗情況，挖掘降低施工成本的潛力;可以為企業投標和經營管理提供決策和預測的依據。根據模擬預期，科學地組織和規劃，嚴格地按規程施工，在抓好工程質量和安全為前提下，嚴格控制施工成本，取得良好的效果。

三維設計生成的三維模型直觀形象，產品結構形式一目了然，了解模型內容，為成果匯報提供豐富的素材，提升設計的整體形象。

（2）空間布置問題易解決

二維圖許多難以實現的空間布置問題，在三維設計時可以輕易得到解決。對于水利水電工程施工場地布置困難的地形，在明確彼此之間的制約條件的情況下，采用三維動態布置施工平臺，能夠方便快捷的得到所需結果并生成相應平面、剖面圖。

（3）提高設計效率

三維設計手段可很大程度地提高設計效率，尤其是團隊效率，通過協同設計，可大量減少或縮短專業間配合環節，通過三維模型可進行二維出圖、工程量自動統計等，減少設計工作量，提高標準化程度，通過建立建全參數化原件庫，使設計效率大幅度提高。

（4）提高設計產品質量

三維設計更加精確：①帶信息的三維模型，其數據是唯一性的，具有復用性；②工程量統計相當精準；③利用三維模型可提高設計的合理性，優化設計；④通過碰撞檢查和模型校驗，可減少結構內部布置的錯、漏、碰現象。

（5）實現可視化校審

可視化校審可大幅減少會審時間，通過自動化批注跟蹤管理，提高校審效率、減少校審工作量；提高校審意見的管理水平，減少錯誤遺漏。

3 在閘門設備制造中的應用

閘門是水電站工程中重要的金屬結構設備之一。主要用于水電站攔截水流，控制水位，調節流量、排放泥沙和懸浮物等。閘門按門葉外觀型式可分為平面閘門、弧形閘門、人字閘門、拱形閘門等幾大類[3]。閘門制造過程中，弧門斜支臂扭角的放樣、復雜構件的重量計算等，采用人工計算相對繁瑣，而且不夠準確、易出錯。通過三維放樣則相當直觀的解決了上述問題。

3.1 建模

閘門建模流程：零件草圖繪制—零件建模—部件組合裝配—門葉整體構件組合裝配。

根據施工圖紙，分別繪制零件圖，在模型中分別選取造型工具，生成零件的三維立體圖。然后將各零件在部件模式下分別進行大部件的組合裝配。大部件裝配完成后，再進行閘門整體組合裝配。形成閘門門葉的立體效果圖[5]。

本人采用三維軟件繪制的閘門立體圖如圖1、圖2所示：

圖1 平面閘門立體組裝圖示

圖2 弧形閘門整體組裝圖示

3.2 應用

（1）閘門部件模擬組裝過程中，可直觀的發現零件之間的錯位、干涉情況，及時作出修改。該項應用的典型事例為變截面閘門隔板翼板與主梁后翼板的干涉，不經過三維放樣很難發現錯位。另外，閘門吊耳設計在面板內部，且吊耳兩邊均有筋板時，起吊軸的長度是否與筋板干涉，通過實體放樣也能夠清晰的表示。

（2）對大部件的拼裝檢查，通過三維部件的組裝，能夠直觀的反應裝配時所需要注意的控制點，也可通過實體投影，得到所需的控制點數據，為閘門制造提供準確的數據指導。其中對于斜支臂弧門的支臂扭角放樣，可在已完成的三維模型基礎上，根據實際制造需要提供數據支持。

（3）在閘門制造出廠前應進行閘門總拼裝，以檢查并消除在整體拼裝過程中的誤差，確保閘門安裝的順利。因此采用三維軟件進行閘門總拼裝，可為閘門實體拼裝工作提供可靠的數據支持，大大地方便了質檢部門進行檢查驗收工作。

（4）閘門支鉸裝置為鑄造件，結構復雜，難以用傳統計算方法精確的計算重量。采用三維實體建模，并添加相應的材料屬性，即可精確的統計出實際凈重，大大縮短了計算時間，提高了計算的準確性。同理，閘門門槽鑄鋼主軌的重量也可采用此方法精確統計。

（5）閘門部件大多為大部件，在運輸吊裝過程中需要設置臨時吊耳，使用三維軟件進行部件建模后，可運用軟件的物理查詢功能，查找大部件的重心位置，準確的確定部件吊裝時的吊耳或吊點位置。

4 在鋼（岔）管設備制造的應用

水電站壓力鋼管按構造上可分為漸變管、彎管、圓管、岔管幾大類。在制造過程中，圓管、彎管的放樣較為簡單。三維技術主要應用在漸變部位及岔管等異型管的放樣上。

4.1 建模

異型管建模流程：鈑金模式下用草圖繪制—放樣建模—切口—展開模式展開。

鋼管的三維建模放樣需要在鈑金模式下進行，根據實際情況預先設置好板厚和展開設置，利用鈑金放樣功能完成三維建模。對局部需要修割的模型，可利用相應編輯功能實現三維造型。為了方便展開，在模型上用上切口工具將其改變為非閉合實體，再進入展開模式自動展開。形成的閉合實體如圖3所示。

圖3 岔管單構件實體圖

4.2 應用

利用三維軟件的鈑金放樣功能，對漸變管及岔管等異型管件的展開放樣。展開后的圖樣可以轉換為cad格式，便于下料加工，該功能的使用可大大簡化繁瑣的人工放樣，提高工作效率[4]。

5 結語

現代制造行業正逐步由二維向三維邁進。對于水工金屬結構設備制造，這個傳統行業來說，不斷的與時俱進是提高自身競爭力的重要一環。借助三維技術的應用不斷地開拓革新，利用現代化的手段解決施工中的難題，不僅縮短了制造周期，也提高了設備制造質量。

[1]李如剛.三維技術在水工金屬結構制造中的應用淺析[J].大科技，2012.

[2]李自沖，楊亞彪，馬文光，等.三維軟件Inventor在金屬結構設計中的應用[J].云南水利發電，2013，29（3）.

[3]楊逢堯，魏文煒.水工金屬結構［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

[4]張松青，崔紀超.CATIAV5三維機械設計［M］.北京：北京理工大學出版社，2007.

[5]王麗娜.SolidW orks軟件在水工金屬結構中的應用[J].水科學與工程技術，2015（3）.

TV222.2

B

1672-5387（2017）10-0038-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.10.013

2017-07-21

劉鳳維（1986-），男，工程師，從事水電金屬結構制造技術質量管理工作。