基于CATIA V5R20的重力壩三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

李開明，秦子鵬，田艷，沈蕊芯，陳新瑞

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

基于CATIA V5R20的重力壩三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

李開明，秦子鵬，田艷，沈蕊芯，陳新瑞

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭的日益激烈和計(jì)算機(jī)輔助繪圖技術(shù)的迅速發(fā)展，水利行業(yè)對(duì)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率的要求越來越高，傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)方法已無法有效滿足未來工程設(shè)計(jì)的發(fā)展要求，三維設(shè)計(jì)方法逐漸受到關(guān)注。本文以CATIA V5R20軟件為平臺(tái)，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)某水利樞紐工程中的重力壩進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，介紹了工程概況和運(yùn)用CATIA軟件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的理念，詳細(xì)闡述了重力壩三維設(shè)計(jì)的思路、過程等。結(jié)果表明：采用參數(shù)化三維設(shè)計(jì)方法可以在很大程度上縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)失誤，大大提高水工建筑物的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。該設(shè)計(jì)方法可為水工建筑物的三維設(shè)計(jì)提供一定的借鑒，對(duì)水利工程施工及運(yùn)行管理也有一定的參考價(jià)值。

參數(shù)化；三維設(shè)計(jì)；CATIA；重力壩

水工建筑物種類多，設(shè)計(jì)工作量大、設(shè)計(jì)周期短、質(zhì)量要求高，且常處于復(fù)雜的地質(zhì)、地形環(huán)境中，若同時(shí)考慮網(wǎng)形、通視、地質(zhì)及測(cè)量條件等因素，運(yùn)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件和方法對(duì)水工建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要反復(fù)調(diào)整，工作繁雜，設(shè)計(jì)效率低下[1-2]。另外，在水工建筑物設(shè)計(jì)中往往需要多次修改尺寸或形體來實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化，而采用常規(guī)軟件和方法設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)方案表達(dá)不直觀、計(jì)算工作量大、設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整困難，且容易發(fā)生設(shè)計(jì)失誤，增加設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本等[3-5]。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭的日益激烈和計(jì)算機(jī)輔助繪圖技術(shù)的迅速發(fā)展，水利行業(yè)對(duì)工程設(shè)計(jì)質(zhì)量、設(shè)計(jì)效率的要求越來越高，傳統(tǒng)的平面設(shè)計(jì)方法已無法有效滿足未來水利工程設(shè)計(jì)的發(fā)展要求，三維設(shè)計(jì)方法逐漸受到關(guān)注[6-7]。運(yùn)用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法能夠清晰地表達(dá)實(shí)物形體，反映實(shí)物特征參數(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于用參數(shù)、公式等來控制圖形的大小和形狀。三維形體的空間視圖也可以從任意方向進(jìn)行觀察，比在二維圖中讀取各個(gè)平面投影的視圖更直觀，也易于考察設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)和對(duì)其進(jìn)行干涉，便于工程設(shè)計(jì)人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和優(yōu)化，減少許多重復(fù)操作和冗余設(shè)計(jì)[8-11]，從而提高設(shè)計(jì)的效率。

設(shè)計(jì)復(fù)雜的水工建筑物時(shí)，可以將小構(gòu)件先進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，再通過軟件的裝配功能來實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程實(shí)體的三維設(shè)計(jì)，從而滿足各種水工建筑物的三維設(shè)計(jì)要求[12]。本文以CATIA V5R20軟件為平臺(tái)，以某水利工程樞紐中的重力壩為例，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法可以為水工建筑物的三維設(shè)計(jì)、水利工程施工及運(yùn)行管理提供一定的借鑒。

1 工程概況及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 工程概況

某水利樞紐是一個(gè)主要向周邊村莊供水，在平水或豐水年兼顧灌溉的Ⅳ等?、判凸こ?，主要建筑物包括混凝土重力壩（含溢流表孔、泄洪沖砂中孔）、右岸泄洪隧洞及取水建筑物等，次要建筑物主要包括上壩公路等。壩址處于“V”型河谷中，壩體結(jié)構(gòu)基本采取對(duì)稱布置，共分左、右岸非溢流壩段和河床溢流壩段4個(gè)壩段。壩頂高程1430.00 m，壩頂軸線長106.8 m，最大壩高44m。

重力壩的部分平面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 重力壩部分平面設(shè)計(jì)圖Fig.1 Part plan of gravity dam

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

重力壩主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）左岸非溢流壩段設(shè)計(jì)參數(shù)。

左岸非溢流壩段壩軸線長28.20 m，壩頂高程1430.00 m，頂寬4.80 m。上游面高程1400.00 m以上垂直，高程1400.00 m以下坡比為1∶0.1；下游面高程1422.76 m以上垂直，高程1422.76 m以下坡比 l∶0.71。

（2）右岸非溢流壩段設(shè)計(jì)參數(shù)。

右岸非溢流壩段壩軸線長39.20 m，壩頂高程1430.00 m，頂寬4.80 m。上游面高程1400.00 m以上垂直，高程1400.00 m以下坡比為1∶0.1；下游面高程1422.76 m以上垂直，高程1422.76 m以下坡比 l∶0.71。

（3）河床溢流壩段設(shè)計(jì)參數(shù)。

壩軸線長32.40 m，上游面高程1400.00 m以上垂直，高程1400.00 m以下坡比為l∶0.1；下游面坡比為l∶0.71。堰頂高程1422.00 m，采用開敞式WES實(shí)用堰型，共設(shè)3孔，單孔凈寬8 m；其中陡槽段為臺(tái)階式溢流面，下游采用底流式消能。

溢流壩段頂部設(shè)9 m寬的平板工作鋼閘門，采用門機(jī)啟閉，工作門門槽尺寸為0.80 m×3.0 m，閘墩頂高程為1430.00 m。壩體底部沿河流方向長30.70 m，高程為1386.00 m。

2 重力壩的CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1 CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)

任何形狀的設(shè)計(jì)對(duì)象都可以由不同的直線和曲線進(jìn)行組合得到。三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本思想是以尺寸約束來表達(dá)設(shè)計(jì)對(duì)象的形狀特征，通過從設(shè)計(jì)對(duì)象中獲取一些主要的定位、定形或裝配尺寸作為自定義變量，修改或調(diào)整這些變量，再由一些描述形體的函數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的結(jié)果，并驅(qū)動(dòng)相關(guān)尺寸的改變，從而方便地創(chuàng)建一系列形狀相似或不同的三維零部件[15]。

x1.85=2×4.50.85y, （1）

上式中：x為曲線相對(duì)于原點(diǎn)的水平向控制參數(shù)，y為曲線相對(duì)于原點(diǎn)的豎向控制參數(shù)。

2.2 CATIA軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法與過程

CATIA軟件是法國達(dá)索公司開發(fā)的三維解決方案旗艦產(chǎn)品，可以幫助工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)未來的產(chǎn)品，并支持從設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。模塊化的CATIA軟件系列產(chǎn)品旨在滿足客戶在產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中的需要，包括風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬等。

利用CATIA軟件實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方式通常有2種，分別是基于產(chǎn)品模板的方式（通過更改尺寸約束來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)）和程序模板的方式（通過不同程序模塊的組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)）。上述2種方式均可以生成新的結(jié)構(gòu)或尺寸的產(chǎn)品，前者是通過程序獲取產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征屬性信息來對(duì)相應(yīng)部分的參數(shù)值進(jìn)行修改，以便得到不同結(jié)構(gòu)或不同尺寸的產(chǎn)品實(shí)體模型，該方式工作量大，靈活性差，且參數(shù)化驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性欠佳；后者是在產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用底層的特征函數(shù)來創(chuàng)建產(chǎn)品的實(shí)體模型，該方式程序編寫工作量稍大，但具有較好的靈活性[13-14]。

方法如下：

先在CATIA軟件的零件設(shè)計(jì)（Part Design）界面先確定一個(gè)平面，然后進(jìn)行二維直線和曲線的繪制。直線通過起點(diǎn)和終點(diǎn)來控制，兩點(diǎn)由不同的坐標(biāo)組成，只要提取出設(shè)計(jì)對(duì)象的尺寸，再確定一個(gè)合適的參考點(diǎn)，輸入兩點(diǎn)的坐標(biāo)值便可得到一條直線。運(yùn)用該方法繪制工程圖不僅精確、簡單，而且可以避免多余約束和開放輪廓。曲線的畫法一般是運(yùn)用工具欄中的公式選項(xiàng)，通過導(dǎo)入函數(shù)關(guān)系公式來進(jìn)行曲線的繪制。

具體過程主要如下：通過工具條中的公式選項(xiàng)，進(jìn)入公式對(duì)話框，參數(shù)列表中會(huì)出現(xiàn)所做模型的各項(xiàng)參數(shù)（如零件幾何體/凸臺(tái)、第一限制/長度），將其改為設(shè)計(jì)對(duì)象的長度、寬度等相應(yīng)的名稱并編輯參數(shù)值，選擇新類型參數(shù)中的選項(xiàng)（如長度具有單值）后，單擊應(yīng)用，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的尺寸約束。在工具條中的選項(xiàng)菜單中啟動(dòng)選項(xiàng)對(duì)話框，在常規(guī)/參數(shù)和測(cè)量節(jié)點(diǎn)的參數(shù)樹形視圖部分勾選“帶值”和“帶公式”兩個(gè)復(fù)選框，點(diǎn)擊fog規(guī)則選項(xiàng)，輸入法則曲線的名稱后點(diǎn)擊確定進(jìn)入規(guī)則編輯器對(duì)話框，在對(duì)話框內(nèi)編輯公式便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形曲線的約束。如圖1f溢流段剖面圖的WES曲線，直接作圖不易實(shí)現(xiàn)，可以將式（1）的曲線函數(shù)關(guān)系，輸入到編輯公式對(duì)話框內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線形狀的約束。

以上公式或相關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)象的參數(shù)可以在軟件內(nèi)進(jìn)行保存，圖形需要修改或調(diào)整時(shí)，不需要重新繪圖，只需將相關(guān)公式和參數(shù)值的大小進(jìn)行修改或調(diào)整即可。

2.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

重力壩主要由溢流堰、非溢流壩段、壩上公路、排沙、導(dǎo)流及消能設(shè)施等組成。主要過程如下：

（1）將壩體拆分為左岸非溢流壩段、溢流壩段、右岸非溢流壩段和排沙、導(dǎo)流及消能防沖設(shè)施等部分，如圖2所示。

圖2 重力壩構(gòu)件部分設(shè)計(jì)圖Fig.2 Part design of gravity dam

（2）利用零件設(shè)計(jì)模塊（Part Design）進(jìn)行各構(gòu)件設(shè)計(jì)。先點(diǎn)擊工具欄中的“凸臺(tái)”，任意選擇一個(gè)平面，在該平面上進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，再將繪制好的二維草圖拉伸到指定的寬度。在二維草圖繪制過程中可以通過坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)直線進(jìn)行約束，運(yùn)用公式或函數(shù)關(guān)系對(duì)曲線進(jìn)行約束。在用函數(shù)關(guān)系繪制曲線時(shí)，在模型樹中雙擊上一步建立的圖形，進(jìn)入草圖設(shè)計(jì)界面，雙擊尺寸約束線，在文本框中右擊編輯公式，在彈出的窗口中找到曲線參數(shù)后雙擊，然后點(diǎn)擊確定，這樣就把函數(shù)關(guān)系公式賦給對(duì)應(yīng)的曲線[1 6]。繪制溢流段閘門中墩、邊墩和壩上公路等更小構(gòu)件的方法與上述過程類似，不再贅述。

2.3 整體裝配設(shè)計(jì)

裝配設(shè)計(jì)（Assemble Design）功能就是將上述所設(shè)計(jì)的構(gòu)件像堆積木一樣拼合成一個(gè)整體。進(jìn)入裝配設(shè)計(jì)模塊（Assemble Design）后，插入現(xiàn)有構(gòu)件，將所繪制的全部待裝配構(gòu)件導(dǎo)入進(jìn)去，然后運(yùn)用相合與接觸2個(gè)功能，將導(dǎo)入的構(gòu)件兩兩拼湊在一起，組合成一個(gè)整體。

裝配設(shè)計(jì)完成后的重力壩設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 重力壩裝配設(shè)計(jì)圖Fig.3 Assembly design of gravity dam

上述設(shè)計(jì)完成以后，如果需要更改，可以通過修改相關(guān)公式或參數(shù)對(duì)各個(gè)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在設(shè)計(jì)過程中也可以將某些常用構(gòu)件做成模板，在其他類似工程中通過修改相關(guān)公式或參數(shù)對(duì)模板進(jìn)行調(diào)整后調(diào)用，這樣可以大大減少重復(fù)工作，縮短設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)效率得到顯著提高。

3 結(jié)論

（1）基于CATIA V5R20三維設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)某水利樞紐中的重力壩進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程直觀、易懂，設(shè)計(jì)精度高，不易引起設(shè)計(jì)失誤，可有效提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

（2）三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法可通過修改相關(guān)公式或參數(shù)，對(duì)重力壩的體形進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，可以在類似工程設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用，從而減少重復(fù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

（3）三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)過程也可以與施工過程一致，模擬整個(gè)工程的施工進(jìn)程。因此，該方法不僅可以為水工建筑物的三維設(shè)計(jì)提供一定的借鑒，對(duì)水利工程施工及運(yùn)行管理也有一定的參考價(jià)值。

[1] 菅強(qiáng)，王衛(wèi)國，張群，等.基于CATIA三維平臺(tái)的水電工程平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，2015(2):86-89，97.Jian Q，Wang W G，Zhang Q，et al.CATIA-based Design Method for Horizontal Control Network in Hydropower Projects[J].Water Power，2015(2):86-89，97.

[2] Zou L H，Guo D M，Gao H，et al.A method to analyze the difference of 3-D CAD model files based on feature extraction[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2011，25(4):971-976.

[3] 董甲甲，楊磊，杜燕林.基于CATIA的重力壩可視化設(shè)計(jì)[J].水利水電科技進(jìn)展，2010（5）:57-60.Dong J J，Yang L，Du Y L，et al.Visual Design of Gravity Dams based on CATIA[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2010（5）:57-60.

[4] Silviu Berbinschi，Virgil Gabriel Teodor，Nicolae Oancea，et al.3D Graphical Method for Profiling Tools that Generate Helical Surfaces[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012，60(5/8):505-512.

[5] Wojciech Skarka.Application of MOKA methodology in generative model creation using CATIA[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence:The International Journal of Intelligent Real-Time Automation，2007，20(5):677-690.

[6] 余軍，田永生，胡燚，等.拱壩三維設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用與研究[J].人民黃河，2013（3）:79-81.Yu J，Tian Y S，Hu Y，et al.Application and Research of Arch Dam 3-D Design Technology[J].Yellow River，2013（3）:79-81.

[7] F Hurlimann，R Kelm，M.Dugas，et al.Mass estimation of transport aircraft wingbox structures with a CAD/CAE-based multidisciplinary process[J].Aerospace science and technology，2011，15(4):323-333.

[8] D M S Ronden，W A Bongers，B S Q Elzendoorn，et al.Parameterized modelling of mm-wave beam propagation of the ITER ECRH remote steering upper port launcher in CATIA[J].Fusion engineering and design，2007，82(5/14):640-645.

[9] 李原，彭培林，邵毅，等.基于CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(8):1873-1877.Li Y，Peng P L，Shao Y，et al.CATIA-Based Design and Implementation of Standard Parts Library[J].Journal of Computer-Aided Design&Computer Graphics，2005，17(8):1873-1877.

[10] 王永志，張衛(wèi)民，康傳明，等.基于CATIA二次開發(fā)的風(fēng)力機(jī)葉片參數(shù)化建模[J].太陽能學(xué)報(bào)，2012，33(5):723-726.Wang Y Z，Zhang W M，Kang C M，et al.A Parametric Modeling of Wind Turbine Blade Using Api in CATIA[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2012，33(5):723-726.

[11] 苗萌，曾鵬，閻超，等.基于替代模型的三維后體尾噴管優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31(5):641-646.Miao M，Zeng P，Yan C，et al.Surrogate-based Optimization of 3D Afterbody Nozzle[J].Acta Aerodynamica Sinica,2013，31(5):641-646.

[12]皮漫，張淼，馬秀偉.CATIA在水工建筑物模板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].陜西水利，2013（5）:137-139.Pi M，Zhang M，Ma X W.Application of CATIA in Design of Hydraulic Structures in the Template[J].Shaanxi Water Resources，2013（5）:137-139.

[13] Jiang Nan，Hu Xuelong，Wang Heng，et al.Parameterized Design Based CATIA for Car Seats[C].//New engines for industrialdesign-Intelligence.interaction.services.vol.2.2011:1-5.

[14] 陳勇，吳國獻(xiàn)，趙忠明，等.基于CATIA的人員作業(yè)仿真建模、人因分析與優(yōu)化[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(14):4540-4545，4553.Chen Y，Wu G X，Zhao Z M，et al.Modeling Simulation，Human Factors Analysis and Optimization of Personnel Operating Based on CATIA Virtual Environment[J].Journal of System Simulation，2009，21(14):4540-4545，4553.

[15] 伍鶴皋，付山，汪洋，等.基于CATIA的水電站月牙肋鋼岔管三維參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2014，47（6）:738-742.Wu H G，F(xiàn)u S，Wang Y，et al.3D Parametric Design of Rib Reinforced Bifurcation Using CATIA [J].Engineering Journal of Wuhan University，2014，47（6）:738-742.

[16] Zou Linghao，Guo Dongming，Gao Hang，et al.A method to analyze the difference of 3-D CAD model files based on feature extraction[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2011，25(4):971-976.

3D parametric design of gravity dam based on CATIA V5R20

Li Kaiming,Qin Zipeng,Tian Yan,Shen Ruixin,Chen Xinrui
(College of water conservancy and architecture,Shihezi University,Shihezi,Xinjiang 832003)

With the increasingly fierce market competition and the rapid development of computer-aided drawing technology,the water conservancy industry is demanding high engineering design quality and design efficiency.The traditional graphic design method can not meet the development requirements of future engineering design.Traditional graphic design methods could not effectively meet the requirements of the development of future project design,and three-dimensional design method gradually

attention.The V5R20 CATIA software was used as a platform in this paper,and a three-dimensional gravity dam of a water control project was designed through the parametric design method.The general situation of the project and the idea of using CATIA software to design three dimensional drawing were briefly introduced,and the design ideas,design steps and process were described in detail.The results showed that the method could shorten the design cycle and reduce design errors,and the design quality and design efficiency of hydraulic structures were significantly improve.It showed that the design method could not only provide a reference for the 3D design of hydraulic structures,but also had a certain reference value for the construction and operation management of water conservancy projects.

parameterization;3D design;CATIA;gravity dam

TV61

A

10.13880/j.cnki.65-1174/n.2017.02.021

1007-7383(2017)02-0254-05

2015-12-31

石河子大學(xué)應(yīng)用基礎(chǔ)研究青年項(xiàng)目（2015ZRKXYQ13，2015ZRKXYQ-LH01），石河子大學(xué)第十三期大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（SRP2015147）

李開明（1994-），男，專業(yè)方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水利工程。

*通信作者：秦子鵬（1985-），男，講師，從事水工建筑物設(shè)計(jì)及水工材料耐久性的研究，e-mail:qzpshzu@163.com。