厲海元

摘要：隨著三維工程設(shè)計平臺的逐漸成熟，二維工程設(shè)計向三維工程設(shè)計的步伐正在加快，行業(yè)內(nèi)對三維的需求也更加強(qiáng)烈。CATIA作為一款強(qiáng)大的三維設(shè)計軟件，已廣泛應(yīng)用于航空、機(jī)械等行業(yè)，近年來也受到水電行業(yè)的重視。本文采用CATIA作為設(shè)計平臺，以c++為開發(fā)語言，利用cAA開發(fā)技術(shù)，參數(shù)化實現(xiàn)重力壩模型識別及多工況荷載的自動生成和提取，依據(jù)重力壩穩(wěn)定計算規(guī)范完成重力穩(wěn)定應(yīng)力計算。

關(guān)鍵詞：三維工程;二維工程;CATIA

1環(huán)境

CATIA是法國Dassault system公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子、電器、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣子模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。

CATIA通過兩種方式與外部程序通信：進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序（In Process Applieation）方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序（out ProcessApplication）方式。對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)一共有四種方式：Automation API，Knowledge ware，Interactive User DefinedFeature和CAAV5 C++AndJavaAPI。

三維重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計算采用進(jìn)程內(nèi)的CAA V5 c++And Java API方式進(jìn)行開發(fā)，即CAA（Component ApplicationArchitecture），語言選擇c++，定制功能與原系統(tǒng)的完美集成。開發(fā)環(huán)境選擇快速應(yīng)用研發(fā)環(huán)境Rapid Application DevelopmentEnvironment（RADE），RADE是一個可視化的集成開發(fā)環(huán)境，它提供完整的編程工具組。RADEl？2Microsoft Visual Studio為載體，開發(fā)工具完全集成在了vc++環(huán)境中，并且提供了一個CAA框架程序編譯器。可以說CATIA CAA RADE是目前所有高端CAD/CAM開發(fā)環(huán)境中最為復(fù)雜、同時也是功能最為強(qiáng)大的一個。

三維重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計算最終選擇CATIA V5R21為平臺，采用c++CAA V5、基于Microsoft Visual Studio 2008的RADE作為開發(fā)環(huán)境。

2參數(shù)化模型

模型作為計算的基礎(chǔ)輸入元素，市面也有各種不同的三維軟件能夠完成重力壩模塊的創(chuàng)建。但由于設(shè)計人員對各類三維建模軟件的熟悉程度、習(xí)慣等各不相同，為滿足不同群體的需求，軟件提供兩種模型的建立方式：第一種為自由創(chuàng)建或第三方軟件創(chuàng)建導(dǎo)入，這種方式可以很好地兼容舊的重力壩模型，尊重用戶使用習(xí)慣，快速完成模型的建立;第二種為參數(shù)化自動創(chuàng)建，通過提供壩頂寬度、壩頂高程、壩底高程、上下游坡比、上下游牛腿等參數(shù)，軟件自動創(chuàng)建三維重力壩實體模型，這種模式適合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則的重力壩，通知參數(shù)的輸入即可完成模塊的建立，當(dāng)相關(guān)設(shè)計方案修改時，只需修改相應(yīng)的模型參數(shù)就可以快速完成模型的調(diào)整，加快了方案調(diào)整之后模型修改。

2.1獲取容器

CATIA是一個平臺軟件，適用于多種行業(yè)及專業(yè)，各相應(yīng)專業(yè)需要選擇適合于自己工作的工作臺。重力壩計算以模塊為主，選擇了零件工作臺，后續(xù)模型的創(chuàng)建及相關(guān)參數(shù)設(shè)計都以零件工作臺為基礎(chǔ)。軟件為了完成模型的自動創(chuàng)建，必須先通過CATFrmEditor：：GetCurrentEditor（）->GetDocument（、）獲取當(dāng)前文檔，然后找到模型的存放位置，即通過CATInit接口獲取CATIPrtContainer容器。與零件體相關(guān)模型、參數(shù)、配置等內(nèi)容都存儲于容器中，可簡單理解為對模塊操作的總?cè)肟?，只有獲取到這接口可以完成后續(xù)的參數(shù)設(shè)置及模塊生成。

2.2創(chuàng)建存儲參數(shù)

為了保障系統(tǒng)的兼容性，軟件將參數(shù)存儲和管理與CATIA平臺的參數(shù)管理完美結(jié)合，可以運(yùn)用平臺原生的參數(shù)管理功能遵照一定的命名規(guī)則配置模型參數(shù)。為了更好管理重力壩計算相關(guān)參數(shù)，依據(jù)CAA提供的基礎(chǔ)對話框（cATDlgDialog），并借助于CATIDescendants接口，從CATIPrtContainer獲取到CATICkeParmFactoryT廠，將參數(shù)逐個存儲于零件體模型中，定制化開發(fā)了重力壩模型參數(shù)及穩(wěn)定應(yīng)力計算參數(shù)，集中管理所有參數(shù)，對話框能與CATIA平臺完美集成，確保軟件與平臺的高度集成與一致，又定制化提供專業(yè)可視化交互界面，讓專業(yè)知識與平臺軟件融為一體。

2.3生成草圖

在完成模型參數(shù)的創(chuàng)建與保存之后，需要根據(jù)參數(shù)生成一個重力壩截面，在以零件體為載體的模型中，都必須創(chuàng)建一個草圖，在草圖中完成截面圖形的生成，用程序具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）從cATIPrtcontainer容器中獲取機(jī)械根工廠（cATIMe chanicalRootFactory），然后使用CreateOrderedGeometricalSet函數(shù)創(chuàng)建有序幾何圖形集（CATIMmiOrderedGeometricalSet）。

（2）從CATIPrtContainer容器中獲取草圖工廠（CATISketchFactory），然后使用CreateSketch函數(shù)創(chuàng)建一個草圖（CATISketch）。

（3）獲取草圖（CATISketch）接口獲取到二維圖形工廠（CATl2DWFFactory），使用CreateConstraint創(chuàng)建重力壩控制點(diǎn)。

（4）獲取草圖（CATISketch）接口獲取到二維圖形工廠（CATl2DWFFactory），使用CreateLine創(chuàng)建連接線，將所有控制點(diǎn)順序連接，構(gòu)成一個封閉的區(qū)域。

2.4拉伸模型

模型生成的最后一步就是根據(jù)創(chuàng)建的草圖，使用拉伸的方法將草圖拉伸成一個模型，在CATIA平臺中，主要是利用前一步所生成的草圖（cATISketch），拉伸成凸臺，軟件具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）從零件容器（CATIPrtContainer）獲取零件工廠（CATIPrtFactory），

（2）調(diào)用CreatePad創(chuàng)建一個凸臺。

（3）通過參數(shù)服務(wù)（cAACkeParms ervice）的CreateRelation函數(shù)創(chuàng)建相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián)。

（4）通過參數(shù)服務(wù)（CAACkeParms ervice）的PublisherRelation～布相關(guān)聯(lián)的參數(shù)。

（5）獲取凸臺的CATISpecObject接口，更新重力壩模型。

至此就完成重力模型的創(chuàng)建。

3荷載生成

重力壩穩(wěn)定應(yīng)力計算的荷載主要包括壩體、水、土、沙、浪、冰、地震等幾大類，在三維軟件中為了完成荷載數(shù)據(jù)的提取，需要將各類荷載根據(jù)參數(shù)生成一個個三維體，然后提取其體積乘以密度得出相關(guān)的荷載量。

重力壩穩(wěn)定計算為了滿足實際工作環(huán)境的需要，需要在正常蓄水位、設(shè)計洪水位、冰凍工況、校核洪水位、地震工況、完建工況六個工況分別完成相應(yīng)的荷載的生成與提取。

軟件在CATIA的導(dǎo)航樹下使有序幾何圖形集創(chuàng)建六個頂級工況節(jié)點(diǎn)分別表示六個工況，然后再分別創(chuàng)建水平荷載，垂直荷載，第三級則是分別創(chuàng)建各類水壓力、水壓力、淤沙壓力、浪壓力等，標(biāo)準(zhǔn)荷載的創(chuàng)建由程序通過荷載參數(shù)按壩體創(chuàng)建的方式，先創(chuàng)建一個截面草圖，然后使用CATIGSMFactory的CreateExtrude函數(shù)創(chuàng)建包絡(luò)體，根據(jù)設(shè)計需要，也可以在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)下創(chuàng)建自定義的荷載。

4穩(wěn)定、應(yīng)力計算

本二次開發(fā)程序與水工專業(yè)提供的重力壩Excel標(biāo)準(zhǔn)計算算稿對接，Excel標(biāo)準(zhǔn)算稿按照《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》（DL5108-1999）中穩(wěn)定、應(yīng)力的規(guī)范計算方法編制。

按導(dǎo)航樹對各工況荷載創(chuàng)建情況，系統(tǒng)通過CATIMeasurableVolume接口逐一獲取各工況下荷載體的體積，然后根據(jù)對不同荷載賦予的重度生成對應(yīng)的荷載值，填充到Excel算稿對應(yīng)的位置，并依據(jù)右手螺旋定則計算出各方向合力。Excel標(biāo)準(zhǔn)算稿根據(jù)《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》的要求，提供穩(wěn)定、應(yīng)力計算規(guī)則以及計算結(jié)果判斷標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)算稿將會根據(jù)上述計算出的各方向合力以及重力壩壩基幾何屬性參數(shù)，計算出重力壩在各種工況下的滑動力、壩踵壩趾應(yīng)力的作用函數(shù)值，并與給定的抗力函數(shù)值進(jìn)行比對，自動判斷各相應(yīng)工況下穩(wěn)定、應(yīng)力計算結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，對于不滿足規(guī)范要求的計算結(jié)果以紅色突出顯示，只需修改相應(yīng)計算基本參數(shù)或修改重力壩尺寸，然后即可一鍵重新進(jìn)行計算，直到滿足規(guī)范要求為止。

Excel標(biāo)準(zhǔn)算稿按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制，生成的計算結(jié)果可直接打印，作為正式算稿使用。

5結(jié)束語

借助三維設(shè)計平臺，利用CATIA成熟的二次開發(fā)技術(shù)，將繁雜的重力壩穩(wěn)定計算與三維設(shè)計完美結(jié)合，實現(xiàn)了參數(shù)化荷載自動生成，能夠直觀展現(xiàn)出各荷載的大小，便于對各類荷載的檢查與調(diào)整，在提高計算效率的同時，保證計算結(jié)果的精度;利軟件實現(xiàn)計算稿的生成，保證了計算稿的統(tǒng)一規(guī)范，給后續(xù)校核審查提供有利條件，提高工程整體設(shè)計質(zhì)量。三維重力壩穩(wěn)定計算也是對當(dāng)前二維設(shè)計向三維設(shè)計變革中一次大膽嘗試，為后續(xù)水電工程設(shè)計在三維平臺中的設(shè)計積累了豐富的經(jīng)驗，對其家的工程類的三維計算、三維工程出圖等都有著積極的借鑒意義。