基于AutodeskInventor的平板鋼閘門三維參數(shù)化建模方法

□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)閘門中，平面鋼閘門運用較為廣泛，工程布置多在水庫的輸水洞、渠道及水電站進水口、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)計水平的提高使得鋼閘門的設(shè)計趨于復(fù)雜化，迫切需要在傳統(tǒng)設(shè)計的手段和思路上進行改革，以適應(yīng)當(dāng)前的設(shè)計趨勢。在科技飛速發(fā)展的今天，產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)進入到了全新的三維可視化設(shè)計階段,三維參數(shù)化設(shè)計和二維設(shè)計相比有直觀形象、容易事先發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷等明顯優(yōu)越性，有助于提高設(shè)計質(zhì)量和效率，縮短設(shè)計周期，保證設(shè)計質(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)來約定設(shè)計對象的信息模型，通過參數(shù)之間的關(guān)系與參數(shù)和設(shè)計對象的信息模型的關(guān)系，部分參數(shù)的修改可以直接導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果的自動修改。參數(shù)化技術(shù)在CAD軟件中應(yīng)用方便了零件的設(shè)計修改過程，提高了設(shè)計效率和準(zhǔn)確性。

本文介紹的平板鋼閘門三維參數(shù)化建模以AutodeskInventor制圖軟件為平臺，采用目前先進的自頂向下的設(shè)計理念，它強調(diào)從設(shè)計實體入手，從設(shè)計實體上衍生出設(shè)計人員需要的分析計算模型，二維工程圖模型，通過實體的參數(shù)化模型帶動分析模型和二維工程圖模型的改變，達(dá)到提高設(shè)計效率的目的。設(shè)計人員首先構(gòu)建一個骨架模型，然后在此骨架模型上進行新零件的構(gòu)建或已建零件的裝配，通過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)計結(jié)果的自動修改，從而實現(xiàn)參數(shù)化建模的思想。

3.平板鋼閘門門葉裝置的參數(shù)化建模過程

平板鋼閘門一般是由可以上下移動的門葉結(jié)構(gòu)、埋固構(gòu)件和啟閉閘門的機械設(shè)備3大部分所組成，本模型只是對平板鋼閘門的門葉結(jié)構(gòu)及裝置進行了參數(shù)化建模。

圖1 平板鋼閘門的骨架模型圖

3.1 門葉結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模

3.1.1 主骨架的設(shè)計

以某拱壩平板鋼閘門(事故檢修閘門)為研究對象，先初步規(guī)劃出該設(shè)備的主骨架。主要是門葉結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，其他設(shè)備都是在門葉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上而建的。而門葉結(jié)構(gòu)主要是對面板、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

本鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)由底葉門葉結(jié)構(gòu)、中葉門葉結(jié)構(gòu)和頂葉門葉3部分組成，主骨架中不包含具體的零件，只是對平板鋼閘門中面板、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子裝配體的設(shè)計基準(zhǔn)，改變主裝配體的參數(shù)，子裝配體的空間位置也會相應(yīng)的發(fā)生改變。

3.1.2 子裝配和零件的設(shè)計

當(dāng)代表頂層裝配的骨架模型確定,設(shè)計基準(zhǔn)傳遞下去之后,可以進行單個的零件設(shè)計。這里,可以采用兩種方法進行零件的詳細(xì)設(shè)計:一種方法是基于已存在的頂層基準(zhǔn),設(shè)計好零件再進行裝配;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，沒有進行約束，處于欠約束狀態(tài)；選取截面拉升設(shè)計厚度（也可參數(shù)約束），利用Inventor強大的自適應(yīng)功能，將零件的各個面與框架的對應(yīng)參考面添加相應(yīng)的約束。零件會定位在相應(yīng)的位置，它的尺寸與骨架模型對應(yīng)的尺寸相關(guān)聯(lián)。當(dāng)框架的尺寸發(fā)生變化時，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)境中骨架模型所對應(yīng)的參照面上進行面板的二維輪廓繪制，面板輪廓繪好后——右鍵菜單——點擊結(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，進行相應(yīng)的特征設(shè)置，單擊“確定”按鈕。然后單擊右鍵，點擊“完成編輯”按鈕，結(jié)束零件特征，特征面板轉(zhuǎn)到部件面板。

底門葉面板是創(chuàng)建的第一個零件，Inventor自動將該零件固定，要想實現(xiàn)零件的自由拉伸，必須右鍵單擊該零件，彈出對話框，取消固定按鈕前邊的“√”，并且開啟自適應(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)添加裝配約束對話框，點擊“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，單擊應(yīng)用按鈕。

按同樣的方法，將底葉面板的其他三個面與所創(chuàng)建對應(yīng)的工作面參加相應(yīng)的約束，這樣底門葉結(jié)構(gòu)的面板就按設(shè)計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，對應(yīng)面板的尺寸也會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，把鋼閘門門葉結(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應(yīng)的參照面上，這樣就完成了平板鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)的參數(shù)建模工作（圖3）。

圖3 鋼閘門門葉結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模效果圖

3.2 平板鋼閘門門葉裝置的參數(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，所以是作為獨立的零部件設(shè)計的。

零件的參數(shù)化設(shè)計流程為：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)→通過改變一個參數(shù)值來調(diào)整零件大小，利用AutodeskInventor的裝配模塊運用配合、對準(zhǔn)角度、相切、插入等約束條件消除其自由度，將創(chuàng)建好的零件進行裝配。最后在裝配模塊中對主輪裝置、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門葉結(jié)構(gòu)上，至此平板鋼閘門總裝置的參數(shù)化建模工作完成，如圖4所示。

3.3 平面鋼閘門的干涉檢查

利用Inventor進行虛擬零部件裝配，零部件之間的裝配約束設(shè)置不當(dāng)，就有可能造成2個或多個零部件同時占用相同的空間。為了避免上述問題的出現(xiàn)，Inventor中設(shè)有干涉檢查功能，在零部件交疊處，干涉部分臨時顯示為實體。

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：連接強度不夠，尺寸設(shè)計不匹配；測定修改數(shù)據(jù)；修改模型特征；重新干涉檢測，如果沒有問題，說明模型準(zhǔn)確可行。

3.4 工程圖

圖4 平板鋼閘門門葉裝置的參數(shù)化建模效果圖

模型設(shè)計完成后，在AutodeskInventor工程圖模塊中，讀取三維模型到IDW圖紙中，通過投影消隱生成需要的各個視圖，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)計信息的各個要素，便成為指導(dǎo)設(shè)計生產(chǎn)和施工的平面圖紙。

4.結(jié)論

本文以Inventor作為建模工具，以平板鋼閘門作為研究對象，對其三維參數(shù)化建模進行了比較詳細(xì)的敘述。通過上述參數(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)計缺陷等明顯優(yōu)越性，有助提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，保證設(shè)計質(zhì)量。

二是利用Inventor進行三維參數(shù)化設(shè)計的新理念，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，實現(xiàn)聯(lián)動設(shè)計和參數(shù)化修改功能。

三是應(yīng)用Inventor于鋼閘門設(shè)計中的效果，對原來鋼閘門設(shè)計思想的改造，并結(jié)合當(dāng)前最新的設(shè)計理念，將閘門設(shè)計提高到一個新層次。同時對于其他機械的設(shè)計,具有很好的參考價值。

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[3]陳伯雄.InventorR6機械設(shè)計應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，2003,3.