金屬結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)探索

邵飛

上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200434

金屬結(jié)構(gòu)為水利水電工程中不可或缺的專業(yè)，在防洪、泄洪、引水、發(fā)電中起著重要作用。金屬結(jié)構(gòu)中常用閘門形式較為固定，如平面閘門、弧形閘門、人字門、三角門等，但在設(shè)計(jì)中隨著設(shè)計(jì)條件多變，如孔口尺寸、設(shè)計(jì)水位等變化，帶來閘門的大小多變，為典型的非標(biāo)化設(shè)計(jì)，在非標(biāo)化設(shè)計(jì)中，我們一直在探索總結(jié)最為便捷的設(shè)計(jì)思路。

金屬結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計(jì)依附于三維軟件來實(shí)現(xiàn)，目前國內(nèi)用于金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件主要為機(jī)械類設(shè)計(jì)軟件，常見的有Autodesk Inventor、UG、ProE、Catia、SolidWorks等。上海院金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)三維設(shè)計(jì)采用達(dá)索公司的SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件，與C平臺(tái)CATIA軟件出于同一家公司。SolidWorks建模包含零件建模、裝配體建模、工程圖繪制，SolidWorks在滿足一般設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，可進(jìn)行參數(shù)化建模，正向設(shè)計(jì)等。

根據(jù)設(shè)計(jì)階段的不同，金結(jié)專業(yè)對(duì)模型的要求也不同，按照可研設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)三個(gè)階段的要求，可從三維設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件、參數(shù)化元件、系列化元件、模型庫、正向設(shè)計(jì)開發(fā)等。對(duì)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，具體如下：

圖1 金屬結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)示意

1 三維設(shè)計(jì)

對(duì)于較為復(fù)雜，或沒有現(xiàn)有模型的工程亦采用三維設(shè)計(jì)，作為機(jī)械設(shè)計(jì)軟件常見的建模方式為裝配式建模亦稱自下而上建模，對(duì)每一個(gè)零件單獨(dú)建模，完成所有零件繪制后，采用裝配方式完成裝配體設(shè)計(jì)。

而自上而下的建模方法屬于快速建模一種，該方法從頂層裝配體開始設(shè)計(jì)，根據(jù)裝配體草圖，對(duì)零件進(jìn)行繪制、最大優(yōu)勢可采用絕對(duì)坐標(biāo)位置，無須進(jìn)行裝配操作。為三維設(shè)計(jì)節(jié)省了近一半操作時(shí)間[1]。

2 標(biāo)準(zhǔn)件庫

隨著設(shè)計(jì)項(xiàng)目以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到與之前相同的模塊，這事我們對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件模塊的自然會(huì)提出需求，此時(shí)可以將常用的樣本，如水封、啟閉機(jī)等常用部件繪制成冊(cè)，作為定型產(chǎn)品以供后續(xù)使用。

同樣標(biāo)準(zhǔn)件模塊不僅涵蓋模型，模型結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算稿宜可編制為范本文件作為標(biāo)準(zhǔn)來參考執(zhí)行，這樣大大節(jié)省設(shè)計(jì)人員的編制算稿時(shí)間。

3 參數(shù)化與系列化

在設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇見孔口尺寸只有500mm或者更小的差異，這種尺寸變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變沒有太大的影響，我們需要的就是簡單改變某個(gè)零件尺寸就能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此對(duì)于形式固定的非標(biāo)產(chǎn)品，我們可以采用參數(shù)化元件進(jìn)行設(shè)計(jì)、將變動(dòng)的尺寸進(jìn)行控制管理，為后續(xù)模型節(jié)省大量時(shí)間。

在參數(shù)化發(fā)展的同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)尺寸變動(dòng)的隨意性過大，每個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與理念會(huì)帶來設(shè)計(jì)產(chǎn)品的微小差異，因此我們需要減少可變量，為參數(shù)化開發(fā)制定常用規(guī)則，避免個(gè)性化設(shè)計(jì)。

在經(jīng)歷以上由繁到簡的參數(shù)篩選后，我們發(fā)現(xiàn)某些部件完全無須參數(shù)設(shè)計(jì)，只需要給定幾個(gè)常規(guī)的大小尺寸即可，如懸臂輪，從直接400mm到1200mm我們可以采用100整數(shù)倍來控制，這樣只需要9種規(guī)格控制，對(duì)于與水工專業(yè)門槽的配合因?yàn)檩啅酱笮」潭ǎT槽的大小也會(huì)固定，大大節(jié)省了時(shí)間。因此對(duì)懸臂輪、擱門器、滑塊、水封等均可以采用系列化設(shè)計(jì)。

對(duì)于以上零部件，我們可以形成自己的模型庫，通過調(diào)用模型庫文件，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)。

4 正向設(shè)計(jì)開發(fā)

基于三維設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件、參數(shù)化、系列化元件的發(fā)展，模型庫應(yīng)涵蓋各種門型零部件以及啟閉設(shè)備，通過調(diào)用模型庫中部件，組合成定型產(chǎn)品供可研階段與初步設(shè)計(jì)階段選擇使用。

對(duì)于模型庫中部件，如果需要精確為施工圖服務(wù)，我們需要對(duì)元件進(jìn)行參數(shù)化管理，宜采用統(tǒng)一的內(nèi)部尺寸聯(lián)動(dòng)形式。方便后續(xù)同類型的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整或者開發(fā)。

以上操作仍然需要大量工作，對(duì)于正向設(shè)計(jì)開發(fā)，應(yīng)該滿足施工圖階段的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算，完成核驗(yàn)結(jié)果，并輸出計(jì)算書，同時(shí)能夠得到相應(yīng)的模型與施工圖紙。正向設(shè)計(jì)可按照不同門型逐一進(jìn)行開發(fā)，需要掌握SolidWorks參數(shù)化設(shè)計(jì)與二次開發(fā)，有一定的編程能力，同時(shí)需要將計(jì)算范本、系列化零件設(shè)計(jì)、參數(shù)化模型等知識(shí)通過最少的參數(shù)串聯(lián)到一起，需要熟悉規(guī)范設(shè)計(jì)，例如對(duì)工況設(shè)計(jì)選取，計(jì)算方法選取等有較高的專業(yè)知識(shí)能力。

5 正向設(shè)計(jì)開發(fā)示例

筆者通過數(shù)字化正向設(shè)計(jì)理念，將以上三維設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)件庫、參數(shù)化與系列化元件方法進(jìn)行串聯(lián)，結(jié)合科標(biāo)業(yè)參數(shù)化泵閘項(xiàng)目，完成了升臥式閘門參數(shù)化正向設(shè)計(jì)示例開發(fā)工作，示例如圖2所示。

圖2 正向設(shè)計(jì)開發(fā)示例

軟件基于Visual Studio采用C Sharp語言編寫，包含了采用C Sharp語言對(duì)Word進(jìn)行操作，與采用C Sharp語言對(duì)SolidWorks模型進(jìn)行二次開發(fā)，程序開發(fā)主要分為三步完成，包含資料輸入、參數(shù)擬定、成果輸出。具體如下：

（1）資料輸入：對(duì)于水工與規(guī)劃專業(yè)提供的資料，我們需要進(jìn)行參數(shù)的輸入工作，其中tabcontrol第一頁為其他專業(yè)提供輸入資料，根據(jù)此項(xiàng)資料，可以確定閘門外形尺寸，所受水壓力荷載等。

（2）參數(shù)擬定：對(duì)于參數(shù)化設(shè)計(jì)而言，我們需要擬定出參變量，將tabcontrol第二頁到第四頁按照設(shè)計(jì)順序，擬定了閘門設(shè)計(jì)中的參變量，此處為二次開發(fā)重點(diǎn)內(nèi)容，模型內(nèi)包含系列化元件、參數(shù)化元件，我們通過三個(gè)頁面內(nèi)的參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行控制調(diào)整，參數(shù)包含數(shù)值，材質(zhì)，選型等，通過C Sharp語言完成計(jì)算，并將所有合格結(jié)果導(dǎo)入模型，實(shí)現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)。

參數(shù)擬定過程也是閘門計(jì)算過程，梁系布置完后，可以得到每根梁系的荷載，能夠計(jì)算出面板所需的板厚，在得到截面大小時(shí)候，根據(jù)梁系的荷載能夠得到對(duì)應(yīng)的梁系內(nèi)部應(yīng)力荷載，實(shí)現(xiàn)參數(shù)擬定時(shí)即為結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小反饋。

（3）成果輸出：對(duì)于參數(shù)化結(jié)果，需要通過計(jì)算書控制，對(duì)于不合格參數(shù)禁止輸出計(jì)算書，在未完成計(jì)算書時(shí)，禁止對(duì)模型進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)合理的設(shè)計(jì)順序。

目前多數(shù)設(shè)計(jì)師因?yàn)楣ぷ鞣泵Γ瑫r(shí)常先出圖紙，后補(bǔ)計(jì)算書，此時(shí)如果發(fā)現(xiàn)計(jì)算不合格，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，而這種操作，不可避免在圖紙修改中有遺留錯(cuò)誤，導(dǎo)致后續(xù)施工制造中出現(xiàn)變更，因此需要養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。本軟件開發(fā)有效避免以上問題，同時(shí)大大加快了設(shè)計(jì)人員的計(jì)算效率。

本次二次開發(fā)使用到API接口函數(shù)，包含輸入及操作命令包含大型裝配體輕量化操作、零部件對(duì)象捕捉、配置特定、配置表、方程式、材質(zhì)導(dǎo)入、零件解壓縮、模型打開保存等。

通過以上三個(gè)步驟，最終才能實(shí)現(xiàn)正向設(shè)計(jì)方法，為我們后續(xù)工程建設(shè)節(jié)省大量時(shí)間成本。

6 結(jié)束語

以上為筆者在金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)工作中有關(guān)數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程思考與總結(jié)，數(shù)字化設(shè)計(jì)并非僅僅為三維操作過程，更不是從施工圖到三維圖的翻模操作過程，正向設(shè)計(jì)本為從設(shè)計(jì)計(jì)算到模型生成的過程。

在三維正向設(shè)計(jì)中，計(jì)算可以采用算稿設(shè)計(jì)或者采用CAE分析模擬計(jì)算，在完成設(shè)計(jì)分析后，得到最終的三維設(shè)計(jì)模型。本次正向設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)人員角度出發(fā)，展示設(shè)計(jì)人員眼中的正向設(shè)計(jì)流程，在本過程中，我們不但需要會(huì)用三維設(shè)計(jì)軟件，而且需要對(duì)軟件功能了解透徹。同樣在編制計(jì)算書時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范非常熟悉，將規(guī)范中設(shè)計(jì)的條件轉(zhuǎn)換成編程開發(fā)語言，對(duì)規(guī)范中不同工況的使用，按照設(shè)計(jì)需求進(jìn)行程序編寫。

從工程角度出發(fā)，數(shù)字化設(shè)計(jì)不單單針對(duì)設(shè)計(jì)階段工作，三維數(shù)字資產(chǎn)可以同樣涵蓋于施工管理階級(jí)，運(yùn)行維護(hù)階段，如通過模型可直觀展示安裝過程，安裝細(xì)節(jié)控制，同樣如果對(duì)于片區(qū)的水位控制等，可以通過閘門開度模擬進(jìn)行計(jì)算，同樣金屬結(jié)構(gòu)中設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)也可以通過模型實(shí)時(shí)展示出來，因此數(shù)字化成果也是工程的數(shù)字資產(chǎn)的體現(xiàn)。