Inventor三維設計軟件在水利水電工程中的應用

劉敦煌

Inventor三維設計軟件在水利水電工程中的應用

劉敦煌

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

Inventor軟件是全面智能化的三維機械設計工具。應用Inventor軟件設計了鋼結構、系船墩、變坡水槽等機械設備，高效準確地解決了實際水力學工程問題。結合設計實例介紹了軟件的基本功能，表明Inventor三維軟件是工程技術及科學研究的重要工具。進一步掌握其技術和技巧，即可進入設計的前沿，輔助實現(xiàn)工程技術及科學研究的創(chuàng)意與創(chuàng)新。

Inventor軟件；水利水電；工程技術；科學研究

1 研究背景

在水利水電樞紐的各個建筑物中，大量配套使用機械和金屬結構設備，如水輪機、液壓啟閉機、閘閥門等；樞紐原型建筑物的設計建造，也需要預先設計制作模型，模擬幾何、物理量等。這些設備與模型的形狀、運動和動力，需要高效準確的設計，是樞紐建筑物安全運行，保證發(fā)揮最大效益的關鍵；也是保證模型研究的數(shù)理分析和實驗分析正確的回復到原型狀態(tài)的重要基礎。

應用Inventor軟件設計了鋼結構、系船墩、變坡水槽等機械設備，高效準確的解決了實際工程課題。Inventor軟件是十分通用的機械設計軟件工具，軟件包括多個基本的功能模塊，可以十分輕松的完成零件與結構設計、裝配設計；其附加模塊，可以進行管路設計、線路設計、有限元分析和運動仿真演示等功能，同時具備國家標準與國際標準零件庫，其設計功能，可以全面覆蓋水利水電工程及科學研究工作的設計需要，是全面提高生產(chǎn)力的有力工具。

Inventor軟件是具有全面智能化的三維機械設計工具，具有強大、高效的功能，可以完成各種設計。為相關專業(yè)課題研究增添重要的基礎手段，形成多專業(yè)的先進技術交叉取補，最大限度提高產(chǎn)品與成果的綜合品質。

2 設計應用示例

Inventor三維設計軟件有造型、裝配、計算、仿真等功能［1］，通過簡單的參數(shù)設置及調用，就可以十分迅速有效地解決面臨的各種設計問題。

2.1 物理模型結構設計

在力學研究中，需要對建筑物在不同條件不同狀態(tài)下進行系統(tǒng)的觀察和測定，從原型數(shù)據(jù)中分析得到力學規(guī)律，這是最為可靠的方法。但是實際問題中，多數(shù)課題必須逆向研究，即根據(jù)力學相似原理預先在實驗室，以適當?shù)谋壤呖s小建造模型以及配套的設備，完整準確地表現(xiàn)與原型成一定比例的力學現(xiàn)象，間接呈現(xiàn)原型建筑物狀態(tài)和各種參數(shù)。因此，物理模型的設計制作是準確呈現(xiàn)原型數(shù)據(jù)的重要基礎。

通常物理模型的主要要素是幾何形態(tài)、材料屬性和運動規(guī)律等。基于傳統(tǒng)的二維設計，采用二維設計軟件以及機械制圖與畫法幾何知識完成平面形狀，然后再根據(jù)相關原理作分析計算才可完成。但在Inventor軟件設計里，首先定義模型材料的屬性，然后在二維狀態(tài)繪制平面形狀，再轉化為具有三維形式的立體形狀零件，在作尺寸與公差標注的同時，也可即時修改零件外形。完成了全部零件后，接著進行裝配設計，在裝配設計過程中還可以對零件形狀作逆向修改。最后根據(jù)選定的材料屬性，得到物理參數(shù)，進行必要的強度剛度校核。

在實際設計使用中，Inventor軟件可以較快地繪制形狀，設計者可以留有較多的時間考慮零部件功能、作用、關聯(lián)等實質內容。而且在物理模型尚未建造之前，就可通過裝配完成的虛擬模型，作預先的觀察與評估。

2.2 水下鋼結構設計

葛洲壩水利水電樞紐大江排砂孔進水口底板高程為28 m，其淹沒水深約為38 m。為了觀察研究排砂孔進水口門底板的流態(tài)及砂礫運動規(guī)律，設計鋼結構的支架帶著水下攝像儀器安裝到進水口門底板上，實時觀察記錄水下砂礫流動過程。設計的支架結構如圖1所示，根據(jù)排砂孔進水口門以及水下觀察部位結構，確定支架輪廓尺寸為8 000 mm×3 000 mm× 1 200 mm（寬×高×長（水流方向））。

圖1 水下攝像儀固定支架Fig.1 Fixed bracket for underwater camera

用Inventor軟件進行設計，選用圓形鋼管并確定了其材料屬性。由支架的作用要求與邊界條件擬定各個構件的結構，進行構件幾何設計和工藝造型，然后裝配各構件成型，節(jié)點電弧焊連接，組成完整支架。進一步可以將焊縫的物理特性輸出到電子表格，在實際制作中查詢各個焊道的名稱、類型、長度、面積等參數(shù)。最后還可根據(jù)構件受力狀態(tài)，作應力與變形分析［2］，在此基礎上，修改構件與整體幾何尺寸。在軟件中將其模擬安裝到進水口底板，在實際應用的部位觀察邊界及相關條件，確定幾何尺寸與功能作用效果，最后完成設計，出圖制造。在設計過程中，各個構件的質量以及支架整體質量等非幾何數(shù)據(jù)同步在設計全過程中傳遞與共用。

設計特點：①采用相同管徑的鋼管材料（管壁厚8 mm）焊接成形；②支架上安裝5臺攝像儀器與照明設備，分別有多個自由度，根據(jù)流態(tài)作調整，覆蓋需要觀察的范圍；③對支架設有位置限制構件和頂緊固定機構，水下安裝與拆卸過程迅速可靠；④支架整體具有足夠的自重，在動水條件下，工作穩(wěn)定牢固；⑤結構形狀影響水流流態(tài)最小。

在葛洲壩水利水電樞紐現(xiàn)場使用表明，支架結構簡潔實用，設計尺寸準確，儀器安裝方便牢固可靠；攝像范圍大，捕捉到全部信息。高效可靠的設計，是順利進行水力學觀測，取得數(shù)據(jù)，完成合同的重要技術支撐。

3 結 語

在工業(yè)與工程建設等行業(yè)，已廣泛應用三維軟件設計產(chǎn)品。Inventor三維軟件設計功能強大，界面清晰，應用十分廣泛，上述例子僅僅是三維軟件工具最基本的應用。軟件中的管路設計、線路設計等功能，同樣也能在水利水電工程中有重要應用，如樞紐的監(jiān)測儀器信號電纜以及壓力管道埋設路徑設計等。

我們可以看到，設計的過程，就是策劃、構想所設計對象的形狀、裝配、制造、使用等細節(jié)，將這樣的設想變成可以實施的結果方案。可見創(chuàng)成式的設計，最重要的是設計者必須清楚地知道產(chǎn)品的作用與功能，并據(jù)此設計出它的結構、材質、運動等參數(shù)和最終形狀。設計中的相關要素，在設計的全過程中要反復調整和配湊，是任何設計全過程中始終存在的動作，只有智能化的設計軟件才會提供如此重要的功能。通過應用我們可以得到，設計就是模擬加工、模擬裝配、模擬使用，這就是當今計算機輔助設計軟件最具特色的功能和作用。

用Inventor軟件設計的過程中，一開始就以三維方式思考，完全進入三維模型中，從零件受力、運動和動力結果以及全部零件的關聯(lián)，表達出優(yōu)化設計后的全部物理參數(shù)，從而建立了充分而完整的設計數(shù)據(jù)庫。以此為基礎，進一步進行零件的應力分析、運動分析、裝配干涉分析，最后給出正確率高的二維加工圖和三維示意圖，完成設計。因此對于創(chuàng)成式設計，三維設計功能較二維設計效率高，而且由此生成的外觀色彩、動作仿真和動畫演示，對完成設計任務以及爭取市場合同都會產(chǎn)生更好的效果。

在工程建設以及科學研究全過程中，用圖形來表達成果是非常重要的形式。往往技術人員比較專注其自身專業(yè)的前沿科學技術，因此采用十分強大的具有通用性能的設計軟件為必備的圖形工具，就顯得非常重要。通過借鑒機械專業(yè)的優(yōu)秀設計軟件的應用，提高科學技術研究綜合能力，更好地為水利水電工程和科學研究服務。

［1］ 陳伯雄，董仁揚，張云飛，等.Inventor Professional 2008機械設計實戰(zhàn)教程［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2008.（CHEN Bo-xiong，DONG Ren-yang，ZHANG Yun-fei，et al.Practices ofMechanical Design Using Inventor Professional 2008［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2008.（in Chinese））

［2］ 唐湘民.Autodesk Inventor有限元分析和運動仿真詳解［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.（TANG Xiangmin.Finite Element Analysis and Movement Simulation Using Autodesk Inventor［M］.Beijing：China Machine Press，2009.（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

App lication of Inventor 3-D Design Software to W ater Conservancy and Hydropower Engineering

LIU Dun-huang
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The software Inventor is an intelligent tool for 3-D mechanical design.It is used in the present study to design mechanical equipment such as steel structure，bollard，and flume with variable slope，and has efficiently and accurately solved practical engineering problems.The basic functions of Inventor are presented by introducing design examples，which shows that Inventor is a crucial tool for the description and expression of engineering techniques and scientific research results.Utilization of Inventor is a key tomaster engineering design，and is essential for the creativity and innovation of engineering technique and scientific research.

software Inventor；water conservancy and hydropower；engineering technique；scientific research

TV52

A

1001－5485（2012）12－0119－02

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.024 2012，29（12）：119－120，126

2012－03－28；

2012－05－16

劉敦煌（1953－），男，湖北武漢人、高級工程師，主要從事工程水力學科研與機械設計工作，（電話）027－82829760（電子信箱）liudunhuang＠163.com。