平板鋼閘門數(shù)字圖形模板庫的建立與應(yīng)用

尹偉波，孫 凱，魏魯雙

(1.華北水利水電學院，河南鄭州450045;2.中國科學院大學，北京100049)

水工鋼閘門結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，出圖量大，制約了鋼閘門優(yōu)化設(shè)計水平和與相關(guān)專業(yè)的協(xié)調(diào)設(shè)計.目前鋼閘門三維設(shè)計多半是利用軟件已有功能來構(gòu)筑物理模型，然后利用手工進行工程圖制作.尤其是鋼閘門設(shè)計過程中的材料清單生成等工作完全依賴人工進行，費時、費力［1］.三維建模依賴于具體項目的單體，在圖形的架構(gòu)、分類及劃分層次中沒有進行科學的管理，圖形的可移植性和重復(fù)利用率低［2］.因此，在鋼閘門設(shè)計中提供屬于不同層次、不同級別的模板是快速化建模的關(guān)鍵，也是提高設(shè)計水平和效率的有效途徑.

筆者對平板鋼閘門的主要結(jié)構(gòu)進行了歸類，使用基本構(gòu)件的形狀信息、屬性參數(shù)和約束參數(shù)構(gòu)筑了構(gòu)件的信息模型［3］，以網(wǎng)軸線作為驅(qū)動骨架，并建立了構(gòu)件各級別、各層次的數(shù)字圖形模板庫.

1 構(gòu)件分類

構(gòu)件的分類是三維建模中的關(guān)鍵一環(huán)，直接影響著建模的速度和效率以及用戶的操作體驗.分類過于具體(如所有結(jié)構(gòu)都以板材處理)，則導(dǎo)致建模繁瑣，不利于提升建模的速度和質(zhì)量.分類過于粗略(如將門葉作為一個整體)，則會使模型失去靈活性和適應(yīng)性.因此，筆者認為比較合適的分類依據(jù)為:①各構(gòu)件能夠作為文獻［4］中獨立的計算單元，以便和計算部分銜接;②各構(gòu)件中使用的板材規(guī)格一般不超過3種;③各構(gòu)件的分類考慮層次和級別，以便和出圖部分銜接.根據(jù)上述基本原則，確定閘門構(gòu)件的分類如圖1所示.

在圖1構(gòu)件分類的基礎(chǔ)之上，總結(jié)平板鋼閘門常用的結(jié)構(gòu)型式，主要包括以下3種.

1)零件和標準件［3，5］.零件的特征是能由起始位置、結(jié)束位置和截面決定;標準件的特征是符合各種規(guī)范.

2)組合件.由零件、標準件和軸線組合而成，零件和標準件附著于軸線之上，隨著軸線的變化而相應(yīng)變化，零件和標準件能夠自由拆卸.

3)項目工程.由組合件、零件和軸線組合而成，組合件和零件附著于軸線之上，隨著軸線的變化而相應(yīng)變化，零件和組合件能夠自由拆卸.

對平板鋼閘門設(shè)計所使用的構(gòu)件進行分類［6］:①零件級別包括20多個大類、150多個子類和400多個實例模型;②組合件級別包括120多個類;③項目級別包括25套模板.

2 數(shù)字圖形模板庫的建立

使用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VB.Net對各模板按圖形數(shù)據(jù)方法進行匯編，即可得到平板鋼閘門的數(shù)據(jù)圖形模板庫.

2.1 零件和標準件模板庫

零件在使用時，首先需要選擇截面類型和樣式，然后選擇生成路徑(以起始點和結(jié)束點代替)，即可生成(拉伸、放樣、掃略)構(gòu)件.鋼閘門構(gòu)件大部分屬于這類構(gòu)件，比如主梁、次梁、邊梁等各種梁系.標準件是符合規(guī)范的各種標準件，諸如螺栓、螺母等.零件的數(shù)字圖形模板庫如圖2所示.

圖2 零件圖形模板庫

2.2 組合件模板庫

組合件一般由定位位置和參數(shù)組成［7－8］.模板中首先需要使用約束(對齊、匹配、角度、插入)設(shè)定三維模型和參數(shù)，并確定整體插入位置.使用時選擇插入點并確定參數(shù)即可生成構(gòu)件.鋼閘門構(gòu)件中的封水結(jié)構(gòu)和門槽結(jié)構(gòu)一般屬于該種類型.組合件的數(shù)字圖形模板庫如圖3所示.

圖3 組合件圖形模板庫

2.3 項目模板庫

在組合件和零件的基礎(chǔ)之上組合成項目模型庫.把鋼閘門所包括的門葉結(jié)構(gòu)、門槽結(jié)構(gòu)、水封結(jié)構(gòu)等以整套模板存儲起來，供相似項目進行快速移植.項目圖形模板庫如圖4所示.

圖4 項目圖形模板庫

在上述圖形模板庫基礎(chǔ)上構(gòu)建的各種項目級模板均可存入該項目級別模板庫中，以實現(xiàn)鋼閘門三維建模的智能累積功能.

3 數(shù)字圖形模板庫的應(yīng)用

利用Inventor軟件提供的面向?qū)ο蟮腁PI二次開發(fā)接口，筆者所在團隊利用多年來總結(jié)的一系列關(guān)于三維設(shè)計的理論和方法［3，5－8］，提出了基于 Inventor平臺的平板鋼閘門智能設(shè)計系統(tǒng)，并把數(shù)字圖形模板庫應(yīng)用到該系統(tǒng)的快速建模當中.圖5是從組件模板庫中生成的模型.

圖5 單節(jié)門葉模型

4 結(jié)語

在對鋼閘門分類分層的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)圖形模板庫，能夠為鋼閘門的快速建模提供大量準確精細的三維模型，實現(xiàn)了鋼閘門建模的智能積累，提高了設(shè)計的精度和效率.

［1］吳玉光，朱燈林.平面鋼閘門集成CAD軟件設(shè)計［J］.計算機輔助設(shè)計與圖形學學報，2001，13(1):44－47.

［2］余迎賓，賈剛.基于CATIA軟件的水工鋼閘門三維設(shè)計［J］.水電站設(shè)計，2009(1):17 －21.

［3］魏群，張國新，尉軍耀，等.拱壩三維可視化設(shè)計軟件的開發(fā)與應(yīng)用［J］.天津大學學報，2008，41(9):1087－1090.

［4］編者不詳.DL/T 5013—95水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范［S］.北京:電力工業(yè)出版社，1995.

［5］尹偉波，魏群，姬廣坤.基于 BRep的自動裝配技術(shù)在Inventor上的實現(xiàn)［J］.華北水利水電學院學報，2010，31(6):23－26.

［6］華北水利水電學院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究院.智能鋼閘門設(shè)計系統(tǒng)研發(fā)報告［R］.鄭州:華北水利水電學院鋼結(jié)構(gòu)與工程研究院，2012.

［7］魏群，姬廣坤，尹偉波.基于深層分析的方法的Inventor二次開發(fā)［J］.華北水利水電學院學報，2010，31(5):1－5.

［8］魏群，張國新.巖土工程圖形計算力學的概念方法及應(yīng)用［J］.巖土工程學報，2008，27(10):2043 －2050.