ＣＡＴＩＡ Ｖ５在水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：以某水工鋼閘門的懸臂輪裝置為例，介紹了基于CATIA軟件的三維零件設(shè)計、裝配、干涉分析、有限元分析、工程制圖、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

關(guān)鍵詞：CATIA V5；水工金屬結(jié)構(gòu)；三維零件設(shè)計；裝配設(shè)計；有限元分析

中圖分類號：TH文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3198（2008）05-0357-02

1 引言

CATIA(Computer-aided Three-dimensional Interactive Application)軟件是由法國Dassault System公司開發(fā)的，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、電子等方面的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一體化軟件。它的集成解決方案覆蓋了幾乎所有的產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域。

水工金屬結(jié)構(gòu)系泛指應(yīng)用于水利水電工程中的各種永久性的鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備，在這些鋼結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備當(dāng)中最基本和應(yīng)用最廣泛的是各類閘門、閥門及相應(yīng)的啟閉機(jī)械。對水利水電工程而言，各種水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備合理的布置，正確的設(shè)計、優(yōu)良的制造安裝質(zhì)量，對于保證工程正常和安全運(yùn)行是十分重要的。

隨著現(xiàn)代CAD軟件技術(shù)的發(fā)展，從事水工金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員早已淘汰了手工繪圖的圖板，全面的轉(zhuǎn)向CAD的二維繪圖時代，從而明顯降低設(shè)計成本，縮短設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，濃縮和提煉優(yōu)秀的設(shè)計經(jīng)驗，提高產(chǎn)品設(shè)計水平。在CAD所涉及的眾多應(yīng)用技術(shù)中，二維工程圖與三維模型關(guān)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，標(biāo)志著工程制圖不僅只是借助CAD軟件的視圖繪制工作，更重要的是體現(xiàn)設(shè)計思想和確定技術(shù)要求的設(shè)計工作。

本文以某水工鋼閘門的懸臂輪設(shè)計為例，淺析CATIA V5軟件在水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中的三維造型、裝配、干涉分析、有限元分析、工程制圖的應(yīng)用。

2 懸臂輪結(jié)構(gòu)簡介

某水工鋼閘門，整個模型基于CATIA V5軟件三維建模、裝配而成。主要由面板、梁系及行走支承的懸臂輪組成。因此處篇幅有限，故選取其中比較有代表性的懸臂輪裝置為例詳細(xì)的介紹此部分基于CATIA V5軟件的零件建模、裝配、有限元分析步驟。

懸臂輪裝置的裝配圖，可以看出懸臂輪裝置主要由滾輪、軸、自潤滑軸套、軸端擋板等組成。滾輪可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，軸端擋板可以限制滾輪在軸向上的位移，并且可以防止?jié)L輪在水中工作時，較大的顆粒狀物體進(jìn)入軸套內(nèi)。

3 基于CATIA的零件設(shè)計和裝配設(shè)計

零件設(shè)計是機(jī)械設(shè)計的第一步，首先在一系列基準(zhǔn)平面上繪制草圖輪廓，然后利用零件設(shè)計的特征操作生成基本實體，最后通過對基本實體進(jìn)行修飾、變換及布爾運(yùn)算等操作生成最終的零件。在通常情況下，利用零件設(shè)計工作臺和草圖工作臺的默認(rèn)工具欄就可以完成零件實體設(shè)計，但對于復(fù)雜形體來說可能涉及更多的工作平臺。

以滾輪為例介紹如何利用CATIA中的“零部件設(shè)計”模塊生成滾輪的實體模型。首先在YZ基準(zhǔn)面上以Y軸為對稱軸繪制滾輪的截面草圖。然后利用“旋轉(zhuǎn)體”工具，將草繪截面繞Y軸旋轉(zhuǎn)360°，生成的滾輪“毛坯”。選取滾輪“毛坯”的上端面為基準(zhǔn)面，繪制直徑D=105mm的圓，利用“凹槽”工具，類型選擇“直到最后”，便完成了滾輪上的軸孔。

利用“孔”工具可以較為方便的在滾輪的端面“鉆”出已攻絲的螺栓孔。在“孔”工具的彈出對話框中可以選擇孔的深度：盲孔、通孔；還可以選擇孔的類型：簡單、錐形、沉頭、埋頭、倒鉆；在螺紋參數(shù)里也有相應(yīng)的螺紋規(guī)格可以選擇?！翱住惫δ茏鳛橐粋€單獨的工具從“凹槽”工具里被剝離出來，這對于設(shè)計人員是非常人性化的，設(shè)計人員不用在為一些標(biāo)準(zhǔn)的螺栓孔去翻查手冊，然后單獨繪制，可以說非常省時省力，并且準(zhǔn)確。最后利用“圓弧陣列”工具將第一個螺栓孔陣列，再將一側(cè)6個螺栓孔用“鏡像”工具對稱復(fù)制到滾輪的另一側(cè)；再利用“倒角”工具將滾輪需要倒角的地方倒角，零件滾輪的實體模型就創(chuàng)建完成。

在所有的零部件模型創(chuàng)建完成后，進(jìn)入CATIA的裝配模塊進(jìn)行零部件的裝配。CATIA中的裝配功能提供給用戶多種方法進(jìn)行裝配約束，例如接觸約束、同軸約束、距離約束等，小到螺釘螺母大到整架飛機(jī)都可

以在裝配平臺上進(jìn)行裝配設(shè)計，這也就是所謂的虛擬樣機(jī)。

懸臂輪總成的裝配爆炸圖，在爆炸圖中可以較為清晰表述出各零部件的裝配關(guān)系，需要注意的是：產(chǎn)品、部件和零件之間的邏輯關(guān)系，在裝配設(shè)計中，樹形圖上的最上一級為產(chǎn)品，下一級為部件，部件的下一級為零件。使用“桌面”命令，CATIA將按照產(chǎn)品、部件和零件之間的邏輯關(guān)系把CATIA已經(jīng)打開的所有文件排列成樹形圖的形式，方便用戶管理和組織文件。當(dāng)產(chǎn)品在不同計算機(jī)之間切換時，常常由于零部件文件目錄位置的改變導(dǎo)致錯誤，這時通過“更新”命令重新確定零部件文件的鏈接位置方可正常打開文件， 這在裝配設(shè)計中是易出現(xiàn)錯誤的地方，需要值得設(shè)計者注意，一個較大的水工金屬結(jié)構(gòu)總成，往往并不是由單一的設(shè)計者完成，每一個設(shè)計者也許面向的只是某一局部的組件，在所有的組件裝配好后，再進(jìn)行總體裝配，所以保持樹型邏輯關(guān)系的完整性是尤為重要的；此外，在產(chǎn)品存盤時由于產(chǎn)品中零件的數(shù)據(jù)獨立存儲在另一個文件中，產(chǎn)品存盤會激活其零件的保存，因此，應(yīng)使用保存管理命令避免這個問題。

在模型的裝配完成后，可以利用“裝配分析”工具來檢查產(chǎn)品設(shè)計中的錯誤，對產(chǎn)品中不完善的地方進(jìn)行修改。干涉分析是是裝配分析中比較重要的功能 利用它可以對裝配好的產(chǎn)品進(jìn)行空間分析，以檢測出產(chǎn)品中空間沖突之處，顯示檢測到零件“軸”的軸肩處與零件“軸端擋板”之間存著接觸，此時設(shè)計者只需雙擊樹形上需要修改的零件，即可進(jìn)入零部件設(shè)計平臺，對零件進(jìn)行修改，修改后，裝配的產(chǎn)品會自動做相應(yīng)的修改，無需設(shè)計者再對此零件進(jìn)行操作。這就是參數(shù)化實體造型的優(yōu)點。通過這樣的反復(fù)操作，產(chǎn)品的數(shù)字模型就建立起來了。

4 基于CATIA的結(jié)構(gòu)有限元分析

可以看出CATIA V5在機(jī)械設(shè)計方面的功能比較強(qiáng)大的，但機(jī)械設(shè)計只是軟件功能的一部分。對于從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程師來說，CATIA的自動網(wǎng)格劃分和有限元分析也有很大的吸引力。在產(chǎn)品設(shè)計完成后，對于產(chǎn)品能否滿足強(qiáng)度要求，就要對產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力與應(yīng)變分析，以往設(shè)計者往往需要將此部分的工作利用其它有限元分析軟件單獨進(jìn)行，現(xiàn)在在CATIA V5中集成了有限元分析的功能，設(shè)計者可以在產(chǎn)品的設(shè)計過程中隨時對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，以便對結(jié)構(gòu)隨時進(jìn)行修改。由于CATIA軟件的網(wǎng)格劃分是自動進(jìn)行的，因此，有時候設(shè)計者并不需要完全了解有限元分析的內(nèi)涵，這對于側(cè)重工程設(shè)計的工程師來說這是非常有吸引力的。

下面對懸臂輪的主要受力零件“軸”，利用CATIA的通用結(jié)構(gòu)有限元分析模塊（Generative StructuralAnalysis）進(jìn)行分析。懸臂輪軸是一個軸端受集中載荷和扭矩的簡支結(jié)構(gòu)。

將零部件模型“軸”賦予材料屬性，選擇鋼steel，然后進(jìn)入通用結(jié)構(gòu)有限元分析模塊，首先定義全局網(wǎng)格的大小，此處定義的為15mm，CATIA有限元分析中用于3D的單元是四面體網(wǎng)格，且劃分是自動的。如同其他相關(guān)有限元分析軟件，依次加載邊界約束條件，載荷條件，就可以進(jìn)行求解。在后處理中，設(shè)計者可以通過相應(yīng)的菜單觀察結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的情況，以及顯示結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力、應(yīng)變云圖?？梢钥闯鲎畲蟮牡刃?yīng)力出現(xiàn)在支承的左側(cè)截面，這與材料力學(xué)求解的情況是一致的，最大的等效應(yīng)力為64.6MPa，這與實際計算結(jié)果的60MPa是非常接近的，并且可以看出在此危險截面處的最大應(yīng)力是在安全范圍內(nèi)的，這也就是說軸的強(qiáng)度可以滿足要求。

由此可以看出在設(shè)計過程中設(shè)計者可以隨時對產(chǎn)品或者零部件進(jìn)行簡單的有限元分析，找出結(jié)構(gòu)中薄弱或者不合理的地方，進(jìn)行修改。

同時，基于CATIA所建立的模型可以另存為許多通用的3D格式，以便后期將產(chǎn)品導(dǎo)入更加專業(yè)、全面的大型通用有限元分析軟件中進(jìn)行分析。

5 基于CATIA的工程圖設(shè)計

工程圖設(shè)計是CATIA的重要組成部分，目前對于大多數(shù)水利設(shè)計院來說，都要以工程圖的形式在不同的部門和生產(chǎn)廠家之間交流。在CATIA中存在著創(chuàng)成式工程圖設(shè)計和交互式工程圖設(shè)計兩種方式，創(chuàng)成式工程圖設(shè)計可以從3D零件和裝配件生成相關(guān)聯(lián)的2D圖紙，2D圖紙和3D主模型之間的關(guān)聯(lián)性使設(shè)計者可以進(jìn)行模型設(shè)計與圖紙標(biāo)注的并行工作；并且設(shè)計者對3D主模型進(jìn)行的修改會反映到2D的工程圖當(dāng)中，而無需設(shè)計者干預(yù)，這樣就可以讓設(shè)計者把所有的精力都放在產(chǎn)品設(shè)計上，而無需進(jìn)行繁復(fù)的制圖工作。交互式工程圖設(shè)計可以在二維環(huán)境下對創(chuàng)成式工程圖工作臺所生成的工程圖進(jìn)行編輯，以符合相應(yīng)的國家制圖標(biāo)準(zhǔn)，以及滿足不同生產(chǎn)廠家對圖紙的要求，從而實現(xiàn)了從三維設(shè)計到二維設(shè)計的無縫連接。CATIA生成的工程圖可以保存為CATIA的CATDrawing格式，也可保存為通用的DWG或DXF格式，以便不同的CAD軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

6 小結(jié)

CATIA V5解決方案覆蓋了產(chǎn)品開發(fā)的整個過程，給設(shè)計者提供了完備的設(shè)計能力。從水工金屬結(jié)構(gòu)的規(guī)劃布置設(shè)計到最終產(chǎn)品的形成，從單個零件的設(shè)計到最終虛擬樣機(jī)的建立，CATIA以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段。本文以某水工鋼閘門的懸臂輪裝置為例，基于CATIA軟件實現(xiàn)該裝置的三維零件設(shè)計、裝配、干涉分析、有限元分析、工程制圖、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一體化，覆蓋了產(chǎn)品設(shè)計的整個過程。此外，作為一個完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機(jī)械設(shè)計、參數(shù)設(shè)計、工程分析及仿真、數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機(jī)的結(jié)合在一起，有待于我們作進(jìn)一步研究。總之，利用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)進(jìn)行水工金屬結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計與仿真，可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品競爭力和質(zhì)量，具有非常重要的現(xiàn)實意義和巨大的工程應(yīng)用價值。

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