基于CATIA的水電站水機(jī)三維設(shè)計(jì)探討

成 飛

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

20世紀(jì)以來，CAD為代表的設(shè)計(jì)軟件在水利水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)的普及應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)行業(yè)制圖效率，促進(jìn)了行業(yè)整體技術(shù)水平的提高，為近20年水利水電工程大發(fā)展提供了必要的技術(shù)支持?，F(xiàn)今，以BIM為代表的新一代三維設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為水利水電工程設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展趨勢。

三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于可以準(zhǔn)確地表達(dá)技術(shù)人員的設(shè)計(jì)意圖，直觀地反應(yīng)水工結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備、管路之間的真實(shí)狀態(tài)，通過定位裝備碰撞分析，在初設(shè)階段就能避免以往在施工圖階段才能發(fā)現(xiàn)的空間位置和尺寸等問題，提高設(shè)計(jì)工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 CATIA軟件在水電站水機(jī)三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用

CATIA是法國達(dá)索公司旗下的一款三維設(shè)計(jì)軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、機(jī)械制造和汽車制造等領(lǐng)域，有超強(qiáng)的3D產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、工程全生命周期管理等功能。CATIA是集成應(yīng)用軟件包，具有零件設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、工程制圖、管路設(shè)計(jì)、設(shè)備布置、DMU空間分析、動(dòng)畫演示等功能。同時(shí)，CATIA還允許用戶自由地建立自己的標(biāo)準(zhǔn)件庫及開放接口進(jìn)行二次開發(fā)等功能。

水電站水機(jī)專業(yè)設(shè)計(jì)有設(shè)備種類多、組成部件多、形狀復(fù)雜等特點(diǎn)。在工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常大量并重復(fù)的使用同一種零件。在進(jìn)行具體的工程設(shè)計(jì)之前，建立好水機(jī)設(shè)備庫和管路零件庫就顯得尤為重要，方便后期工程的調(diào)用布置，提高設(shè)計(jì)效率。

水電站水機(jī)三維設(shè)計(jì)可采用先建模建庫后調(diào)用的方法，總體方法步驟為：

1）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)模型，通過收集水機(jī)設(shè)備的出廠資料，包括外形形狀，控制尺寸，零件接頭等信息，利用零件設(shè)計(jì)和曲面設(shè)計(jì)模塊建立設(shè)備參數(shù)化模型；

2）依據(jù)水利水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范，確定水機(jī)設(shè)備庫與管路零件庫的文檔結(jié)構(gòu)，使用Catalog文件建立水機(jī)設(shè)備庫與管路零件庫，設(shè)計(jì)人員可以通過結(jié)構(gòu)樹放入或調(diào)用設(shè)備；

3）通過管路設(shè)計(jì)和設(shè)備布置功能，調(diào)用庫中設(shè)備進(jìn)行裝配布置并連接管路；

4）上傳裝配模型至VPM服務(wù)器，與其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)備布置和管路路徑，完成最終成果。

2 基于CATIA的三河口電站水機(jī)三維設(shè)計(jì)

三河口水利樞紐壩后電站、泵站原方案為分開布置的方案，經(jīng)比較選用泵站和電站合并布置的方案，形成常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組和水泵水輪機(jī)組（可逆機(jī)組）布置在一個(gè)廠房內(nèi)的電站廠房。電站總裝機(jī)容量為60 MW，其中常規(guī)機(jī)組2臺(tái)20 MW，可逆機(jī)組2臺(tái)10 MW，為適應(yīng)寬水頭的揚(yáng)程范圍采用了變頻調(diào)速技術(shù)。

因同一廠房內(nèi)裝有常規(guī)、可逆兩種不同種類機(jī)組，且機(jī)組均為變頻運(yùn)行，故廠房內(nèi)水機(jī)管路、電氣橋架、消防管路比原分開方案增加很多，帶來了專業(yè)交叉多，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)量大的難題。通過使用三維設(shè)計(jì)軟件，建立三河口電站水機(jī)專業(yè)三維模型，與其他專業(yè)進(jìn)行三維模型交叉碰撞，檢查并解決此類問題。

2.1 參數(shù)化建模

在零件設(shè)計(jì)模塊中，基于草圖命令創(chuàng)建二維草圖，然后通過拉伸、掃掠、凹槽和旋轉(zhuǎn)等命令生成模型外形特征，組合起基本的CATIA實(shí)體模型?？赡鏅C(jī)機(jī)組蝸殼尾水管三維模型各向視圖見圖1。

圖1 可逆機(jī)機(jī)組蝸殼尾水管三維模型各向視圖

建立一個(gè)設(shè)備實(shí)體模型，通過公式編輯器建立參數(shù)約束其二維草圖、拉伸尺寸和零件相對位置關(guān)系等使實(shí)體模型可以通過調(diào)整參數(shù)而自動(dòng)更新。將建立的參數(shù)與設(shè)備外形尺寸參數(shù)表相關(guān)聯(lián)，通過RESOLVE功能模塊進(jìn)行解析，得到一系列外形相同但尺寸不同的設(shè)備實(shí)體模型。一次建模，可得系列多個(gè)尺寸實(shí)體模型，方便多次使用。也可以通過知識(shí)工程模板中超級副本和用戶特征的方式建成智能模型。參數(shù)化后解析出的同系列球閥實(shí)體模型見圖2。

圖2 同系列球閥實(shí)體模型

2.2 建立水機(jī)設(shè)備庫與管路零件庫

建立設(shè)備庫和管路零件庫前，首先需要對水電站水機(jī)專業(yè)每一種常用設(shè)備進(jìn)行歸納分析，確定庫文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)三河口電站設(shè)備零件實(shí)際使用情況確定的管路零件庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 管路零件庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

用機(jī)電環(huán)境打開管路零件的catalog文件，分別將每一種零件進(jìn)行Function Type和Physical Type的添加，之后用映射文件將二者對應(yīng)起來，建立管路零件庫,水機(jī)設(shè)備庫方法相同。建成的庫文件目錄見圖4。

圖4 水機(jī)管路零件庫和水機(jī)設(shè)備庫文件目錄

在水機(jī)零件庫catalog的成功建立下，將已建成的設(shè)備進(jìn)行入庫，調(diào)速器、球閥、水輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)、截止閥和蝸殼尾水管等幾種設(shè)備的三維模型見圖5。之后根據(jù)不同項(xiàng)目具體情況從庫中靈活調(diào)用。

圖5 幾種水機(jī)設(shè)備的三維模型

2.3 設(shè)備布置及管路連接

在廠房三維模型結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)下建立水機(jī)專業(yè)的分節(jié)點(diǎn)，三河口電站工程水機(jī)專業(yè)三維建模共分為主機(jī)、進(jìn)水主閥、橋機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)共五個(gè)水機(jī)Ⅰ級節(jié)點(diǎn)，輔助系統(tǒng)又細(xì)分為透平油系統(tǒng)、絕緣油系統(tǒng)、中壓氣系統(tǒng)、低壓氣系統(tǒng)、技術(shù)供水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和測量系統(tǒng)等幾個(gè)Ⅱ級節(jié)點(diǎn)。

將所需設(shè)備從庫中調(diào)入到對應(yīng)結(jié)構(gòu)樹下，使用設(shè)備布置模塊中的Place Equipment功能，根據(jù)發(fā)布的骨架為參考進(jìn)行水機(jī)設(shè)備的布置，調(diào)整設(shè)備到正確位置。

在管路設(shè)計(jì)模塊中布設(shè)管路及管路零件，利用run功能通過補(bǔ)償定位的方式定位布置管路空間走向，使用放置管路零件功能放置管路零件，精確定位零件及設(shè)置零件規(guī)格大小等參數(shù)。

2.4 碰撞檢查

上傳模型至VPM服務(wù)器中與其他專業(yè)進(jìn)行沖突分析，通過DMU空間分析模塊下的碰撞檢查功能，檢查水機(jī)專業(yè)模型與其他專業(yè)模型間內(nèi)部空間碰撞與干涉情況。引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐電站工程水機(jī)設(shè)備裝配效果見圖6。

圖6 引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐電站工程水機(jī)設(shè)備裝配圖

將最終水機(jī)模型與廠房模型的定位裝配，發(fā)現(xiàn)管路與兩處樓梯的碰撞以及一處管路穿梁的不合理設(shè)計(jì)，立即調(diào)整相關(guān)管路位置，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖7 管路與樓梯布置不合理

3 結(jié)論

1)應(yīng)用CATIA三維設(shè)計(jì)軟件，對水電站水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，探索了建模方法、參數(shù)化技術(shù)、設(shè)備庫和零件庫的建立和管路布置在復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，完成了引漢濟(jì)渭三河口水利樞紐電站工程水機(jī)的三維設(shè)計(jì)。

2)利用參數(shù)化建模、模板建模、知識(shí)工程建模等方法可以建立系列化模型，減少重復(fù)工作，一次建模多次使用。

3)前期工作建立水機(jī)設(shè)備庫、水機(jī)管路零件庫工程量較大，需要投入大量人員與資源。但建成完整的設(shè)備及零件庫后，在工程具體設(shè)計(jì)時(shí)可以直接查詢調(diào)用，方便快捷，提升水機(jī)設(shè)計(jì)效率。

4)各專業(yè)使用CATIA進(jìn)行VPM協(xié)同設(shè)計(jì)可以明晰對方設(shè)計(jì)意圖，可發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)中水機(jī)專業(yè)與廠房、電氣、金結(jié)和暖通等專業(yè)存在的設(shè)備碰撞、管路交叉等問題。方便設(shè)計(jì)人調(diào)整布置解決碰撞，修改距離尺寸，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而提高設(shè)計(jì)效率加快水利水電工程的設(shè)計(jì)速度，增強(qiáng)設(shè)計(jì)單位的核心技術(shù)能力，促進(jìn)工程設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。