□吳 迪（河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

□祁建華（南水北調(diào)中線建設(shè)管理局河南直管局）

1.概述

在中、小型水利樞紐及水電站金屬結(jié)構(gòu)閘門(mén)中，平面鋼閘門(mén)運(yùn)用較為廣泛，工程布置多在水庫(kù)的輸水洞、渠道及水電站進(jìn)水口、尾水渠，是泄洪建筑物的重要組成部分。

隨著一批大型水電工程的上馬，壩工技術(shù)和輔助設(shè)計(jì)水平的提高使得鋼閘門(mén)的設(shè)計(jì)趨于復(fù)雜化，迫切需要在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的手段和思路上進(jìn)行改革，以適應(yīng)當(dāng)前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。在科技飛速發(fā)展的今天，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入到了全新的三維可視化設(shè)計(jì)階段,三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和二維設(shè)計(jì)相比有直觀形象、容易事先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷等明顯優(yōu)越性，有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，縮短設(shè)計(jì)周期，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.三維參數(shù)化建模思想

參數(shù)化技術(shù)是用一組參數(shù)來(lái)約定設(shè)計(jì)對(duì)象的信息模型，通過(guò)參數(shù)之間的關(guān)系與參數(shù)和設(shè)計(jì)對(duì)象的信息模型的關(guān)系，部分參數(shù)的修改可以直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果的自動(dòng)修改。參數(shù)化技術(shù)在CAD軟件中應(yīng)用方便了零件的設(shè)計(jì)修改過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。

本文介紹的平板鋼閘門(mén)三維參數(shù)化建模以AutodeskInventor制圖軟件為平臺(tái)，采用目前先進(jìn)的自頂向下的設(shè)計(jì)理念，它強(qiáng)調(diào)從設(shè)計(jì)實(shí)體入手，從設(shè)計(jì)實(shí)體上衍生出設(shè)計(jì)人員需要的分析計(jì)算模型，二維工程圖模型，通過(guò)實(shí)體的參數(shù)化模型帶動(dòng)分析模型和二維工程圖模型的改變，達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率的目的。設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)建一個(gè)骨架模型，然后在此骨架模型上進(jìn)行新零件的構(gòu)建或已建零件的裝配，通過(guò)添加裝配約束使零件與骨架模型相關(guān)聯(lián)，部分參數(shù)的修改可以直接導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果的自動(dòng)修改，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模的思想。

3.平板鋼閘門(mén)門(mén)葉裝置的參數(shù)化建模過(guò)程

平板鋼閘門(mén)一般是由可以上下移動(dòng)的門(mén)葉結(jié)構(gòu)、埋固構(gòu)件和啟閉閘門(mén)的機(jī)械設(shè)備3大部分所組成，本模型只是對(duì)平板鋼閘門(mén)的門(mén)葉結(jié)構(gòu)及裝置進(jìn)行了參數(shù)化建模。

圖1 平板鋼閘門(mén)的骨架模型圖

3.1 門(mén)葉結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模

3.1.1 主骨架的設(shè)計(jì)

以某拱壩平板鋼閘門(mén)(事故檢修閘門(mén))為研究對(duì)象，先初步規(guī)劃出該設(shè)備的主骨架。主要是門(mén)葉結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，其他設(shè)備都是在門(mén)葉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上而建的。而門(mén)葉結(jié)構(gòu)主要是對(duì)面板、主梁、次梁、邊梁、橫向隔板的空間位置的規(guī)劃，由此構(gòu)建了以下主骨架模型，如圖2所示。

圖2 添加裝配約束圖

本鋼閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)由底葉門(mén)葉結(jié)構(gòu)、中葉門(mén)葉結(jié)構(gòu)和頂葉門(mén)葉3部分組成，主骨架中不包含具體的零件，只是對(duì)平板鋼閘門(mén)中面板、主梁、次梁、邊梁、橫向隔板的空間位置作出了規(guī)劃，主骨架中包含了各個(gè)子裝配體的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，改變主裝配體的參數(shù)，子裝配體的空間位置也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生改變。

3.1.2 子裝配和零件的設(shè)計(jì)

當(dāng)代表頂層裝配的骨架模型確定,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)傳遞下去之后,可以進(jìn)行單個(gè)的零件設(shè)計(jì)。這里,可以采用兩種方法進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì):一種方法是基于已存在的頂層基準(zhǔn),設(shè)計(jì)好零件再進(jìn)行裝配;另一種方法是在裝配關(guān)系中建立零件模型。零件模型建好后,管理零件之間的相互關(guān)聯(lián)性。用添加方程式的形式來(lái)控制零件與零件之間以及零件與裝配件之間的關(guān)聯(lián)性。

本文介紹的零件是在裝配環(huán)境下的骨架模型上建立的，在構(gòu)造骨架模型時(shí)創(chuàng)建了許多工作平面作為建立零件的參考面；在工作平面上新建草圖，完成零件的二維輪廓繪制，尺寸是隨意的，沒(méi)有進(jìn)行約束，處于欠約束狀態(tài)；選取截面拉升設(shè)計(jì)厚度（也可參數(shù)約束），利用Inventor強(qiáng)大的自適應(yīng)功能，將零件的各個(gè)面與框架的對(duì)應(yīng)參考面添加相應(yīng)的約束。零件會(huì)定位在相應(yīng)的位置，它的尺寸與骨架模型對(duì)應(yīng)的尺寸相關(guān)聯(lián)。當(dāng)框架的尺寸發(fā)生變化時(shí)，零件與它相關(guān)聯(lián)的尺寸也發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。

以底葉結(jié)構(gòu)面板為例：

步驟1，在裝配環(huán)境中單擊“創(chuàng)建零部件”按鈕，進(jìn)行創(chuàng)建在位零部件設(shè)置，然后在草圖環(huán)境中骨架模型所對(duì)應(yīng)的參照面上進(jìn)行面板的二維輪廓繪制，面板輪廓繪好后——右鍵菜單——點(diǎn)擊結(jié)束草圖——退出草圖環(huán)境。

步驟2，零件轉(zhuǎn)到了特征面板，單擊“拉伸”按鈕，進(jìn)行相應(yīng)的特征設(shè)置，單擊“確定”按鈕。然后單擊右鍵，點(diǎn)擊“完成編輯”按鈕，結(jié)束零件特征，特征面板轉(zhuǎn)到部件面板。

底門(mén)葉面板是創(chuàng)建的第一個(gè)零件，Inventor自動(dòng)將該零件固定，要想實(shí)現(xiàn)零件的自由拉伸，必須右鍵單擊該零件，彈出對(duì)話框，取消固定按鈕前邊的“√”，并且開(kāi)啟自適應(yīng)按鈕前邊的“√”。

步驟3，零部件的裝配約束：

單擊“添加裝配約束”按鈕，出現(xiàn)添加裝配約束對(duì)話框，點(diǎn)擊“裝配”中的“配合”，在“選擇”中單擊“第一次選擇”選取面板的上邊緣，單擊“第二次選擇”選取創(chuàng)建的工作平面，在“方式”中選取“表面平齊”選項(xiàng)，單擊應(yīng)用按鈕。

按同樣的方法，將底葉面板的其他三個(gè)面與所創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的工作面參加相應(yīng)的約束，這樣底門(mén)葉結(jié)構(gòu)的面板就按設(shè)計(jì)要求固定在了主骨架模型上（圖2）。當(dāng)主骨架的尺寸發(fā)生變化時(shí)，對(duì)應(yīng)面板的尺寸也會(huì)隨主骨架尺寸的變化而變化，從而達(dá)到參數(shù)化建模的效果。

同理，把鋼閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)的其他面板、主梁、次梁、底梁、頂梁、邊梁、吊耳等零件也建立在主骨架對(duì)應(yīng)的參照面上，這樣就完成了平板鋼閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)的參數(shù)建模工作（圖3）。

圖3 鋼閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模效果圖

3.2 平板鋼閘門(mén)門(mén)葉裝置的參數(shù)化建模

由于主輪裝置、籠罩裝置、止水裝置、配重裝置和反滑塊裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以是作為獨(dú)立的零部件設(shè)計(jì)的。

零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程為：創(chuàng)建零件→創(chuàng)建表→將表連接到現(xiàn)有零件→為現(xiàn)有特征尺寸制定參數(shù)→通過(guò)改變一個(gè)參數(shù)值來(lái)調(diào)整零件大小，利用AutodeskInventor的裝配模塊運(yùn)用配合、對(duì)準(zhǔn)角度、相切、插入等約束條件消除其自由度，將創(chuàng)建好的零件進(jìn)行裝配。最后在裝配模塊中對(duì)主輪裝置、籠罩裝置、止水裝置、配重裝置和反滑塊裝置添加相應(yīng)的約束安裝在平板鋼閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)上，至此平板鋼閘門(mén)總裝置的參數(shù)化建模工作完成，如圖4所示。

3.3 平面鋼閘門(mén)的干涉檢查

利用Inventor進(jìn)行虛擬零部件裝配，零部件之間的裝配約束設(shè)置不當(dāng)，就有可能造成2個(gè)或多個(gè)零部件同時(shí)占用相同的空間。為了避免上述問(wèn)題的出現(xiàn)，Inventor中設(shè)有干涉檢查功能，在零部件交疊處，干涉部分臨時(shí)顯示為實(shí)體。

干涉出現(xiàn)后的修改方法：首先確定主因，例如螺栓和螺絲連接出現(xiàn)干涉，可能原因有：連接強(qiáng)度不夠，尺寸設(shè)計(jì)不匹配；測(cè)定修改數(shù)據(jù)；修改模型特征；重新干涉檢測(cè)，如果沒(méi)有問(wèn)題，說(shuō)明模型準(zhǔn)確可行。

3.4 工程圖

圖4 平板鋼閘門(mén)門(mén)葉裝置的參數(shù)化建模效果圖

模型設(shè)計(jì)完成后，在AutodeskInventor工程圖模塊中，讀取三維模型到IDW圖紙中，通過(guò)投影消隱生成需要的各個(gè)視圖，再添加中心線、尺寸配合、形位公差、粗糙度、技術(shù)要求等能清楚傳達(dá)設(shè)計(jì)信息的各個(gè)要素，便成為指導(dǎo)設(shè)計(jì)生產(chǎn)和施工的平面圖紙。

4.結(jié)論

本文以Inventor作為建模工具，以平板鋼閘門(mén)作為研究對(duì)象，對(duì)其三維參數(shù)化建模進(jìn)行了比較詳細(xì)的敘述。通過(guò)上述參數(shù)化建模方法，可得出如下結(jié)論：

一是利用Inventor作為鋼結(jié)構(gòu)建模，具有形象直觀、容易事先發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷等明顯優(yōu)越性，有助提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。

二是利用Inventor進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的新理念，以特征為根本，采用自頂向下的架構(gòu)方法，以參數(shù)化圖形為依托，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)和參數(shù)化修改功能。

三是應(yīng)用Inventor于鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)中的效果，對(duì)原來(lái)鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)思想的改造，并結(jié)合當(dāng)前最新的設(shè)計(jì)理念，將閘門(mén)設(shè)計(jì)提高到一個(gè)新層次。同時(shí)對(duì)于其他機(jī)械的設(shè)計(jì),具有很好的參考價(jià)值。

[1]陳紅江，陳海兵.AutodeskInventorProfessional案11例精解[M].中國(guó)電力出版社，2008.

[2]楊建國(guó)，紹世煌.自頂向下的設(shè)計(jì)方式及裝配模型[J].微型電腦應(yīng)用，1997，4:18-21.

[3]陳伯雄.InventorR6機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2003,3.