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基于CATIA软件的水工钢闸门三维设计

2010/11/10 11:56:00 来源: 评论: 0 条 点击: 6973 次

余迎宾,陈相楠,贾 刚 

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院  四川 成都 610072)

摘  要:本文简单介绍了三维CAD技术的应用情况,重点介绍了应用CATIA软件设计水工钢闸门的思路和过程及使用体会,总结了使用CATIA作闸门设计的优点。

关键词:三维设计 CATIA软件 混合式设计 二维工程图 标准件库闸门

0  引言

目前,水电设计大多数采用的设计软件仍为AutoCAD,该软件相比手工绘图大大提高了设计效率,但其不够智能,在因为原始设计资料变动的情况下,设计完成的产品可能需要重新手工调整,且其工作量相当的大,费时费力。在计算机辅助设计(CAD)技术不断发展的今天,三维CAD技术在航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品等行业得到了广大的应用,而在水电行业,目前还只是开始阶段,但其在水电行业的应用是必然的。

CATIA是一款功能强大三维CAD设计,具有7大类模块:机械设计、曲面造型、产品分析、设备及系统工程、车间设计、数控加工以及产品综合。在水工钢闸门设计中,主要应用到机械设计和产品分析。我院于2006年采购了CATIA软件,并对员工进行了多次阶段性的培训。目前,我们已经运用CATIA完成了多套水工钢闸门的三维建模及利用三维模型生成二维图纸的工作,初步掌握了平面钢闸门三维设计方法和技巧。

利用CATIA设计水工钢闸门的基本思路就是:先通过做草图建立三维模型,再在三维模型的基础上生成二维工程图,当一套闸门按此方法做完以后,可以对其进行参数化,对关键参数(如孔口尺寸、支承跨度、梁格位置等)进行参数化设置后,当初始条件变化后或需要设计类似闸门时,可以通过修改参数值来自动重新生成三维模型和二维工程图,这样就大大节省了设计者的时间与精力,提高了设计效率。参数化是贯穿CATIA的重要思想,设计过程中应掌握好使用。生成二维工程图是目前设计院的最终目的,现就利用CATIA设计水工平面钢闸门做一些介绍,在此抛砖引玉,希望广大业内人士批评指正。下面着重介绍三维模型的建立、二维图的生成、标准件库的建立。

1  三维建模的建立

闸门三维模型的建立,一般分为以下几个步骤。

1.1  产品的结构型式

一套闸门分门叶和门槽埋件两部分,在建模之前,首先要确定产品的结构型式,哪个是装配,哪个是零件,是并列关系还是父代子代关系。先搭一个总的框架。如:闸门门叶部分应该是一个总装配,门叶结构和支承装置应该是其下并列关系的两零件,而支承装置又可以是一个装配,其下有主轮、轮轴、螺栓等零件;门槽埋件是一个总装配,其子零件是主轨、反轨、底坎等。

1.2  零部件设计

确定了产品的结构型式后,就可以分别进入相应部分进行零部件设计。大多数的三维软件的零件设计都很类似,都是通过做草图生成相应的三维实体,CATIA也不例外,先选择一个草图基准平面,在其上进行草图设计,完成后退出草图模式,进入零件设计模式,对草图进行拉伸、旋转、开凹槽等实体操作,再对实体进行导角、阵列、镜像等特征修饰操作,生成一个零件几何体,一个零件几何体下可以有很多这样的实体(带特征修饰或不带特征修饰),而一个零件下面也可以有很多零件几何体。水工钢闸门门叶结构是通过很多钢板、型钢焊接而成的,为方便表达各板材及其相互间的关系,每一个板材对应一个零件几何体,如,主梁的前翼缘板与主梁的腹板就分别是两个几何体。 这样处理的好处在于在结构树上表达很清晰,以后生成二维图的时候,剖面线将会自动区分出两个板材。
完成了一个零部件设计后,可以切换到另外一个零件进行设计,各零部件的元素之间可以相互参考引用,达到“你动我跟着动”的联动效应,而不需要人为的去重新调整,这种设计方法叫混合式设计,如,反向滑块一般焊接在主梁轴线端部位置,当重新调整主梁的上下位置后,反向滑块将自动出现在主梁轴线新位置的端部,当然,在反向滑块的草图设计的时候,就得引用主梁轴线。所以,为了能达到联动效应,在设计过程中,设计者应有意识的去引用已有的零件元素。

1.3  装配设计

装配设计其实就是将设计好的各个零件组装起来,通过添加零件间的重合、同心、距离、夹角、平行、垂直等约束条件,使各零件组合成一个装配体,这个装配体即完整的产品。同时在装配过程中,进行动态装配干涉检查,可以及时对某零部件进行修改。最后对总装配进行渲染,包括加颜色、设置透明、赋予材料属性等。

下面两图为我院设计的沙溪水电站冲沙廊道工作闸门的模型图:
 

2  二维图的生成

二维图生成过程如下:

2.1  视图生成

三维模型建立完成之后,通过生成主视图命令,在三维模型上选取一个视图平面,即可生成主视图,其他视图可以通过投影的方法产生,确定主视图后选择投影方向,即可生成该方向上的视图,而剖视图只需在视图上选择两点确定剖面位置,即可生成,剖面线的模式是根据三维模型的材料属性而自动生成的,因此,钢板的剖面与橡胶的剖面是自动区分的。还有局部放大视图、轴侧图等这些都可以在CATIA的工程图模块中方便的生成。生成了视图后,隐藏线、中心线、螺纹线等可以在视图属性中选择显示或者不显示,在闸门的上下游视图中,选择显示隐藏线,则隐藏线太多,显得很杂乱,选择不显示隐藏线,梁格的大小反映不出,这时可以通过选择显示隐藏线,通过在三维模型上选择视图的影响范围来实现显示部分隐藏线。

2.2  尺寸标注

尺寸标注是对已生成的二维视图进行添加尺寸的操作,CATIA能实现自动标注,但在水工钢闸门设计上应用自动标注不是很理想,这是因为自动标注针对每一个零件几何体进行标注,如主梁截面的规格,在下主梁上表达了,其余主梁系统也会自动添加标注,而往往我们习惯表达一处就知道了,除非主梁截面规格不一样才会再标注一次。所以目前我们采用人工添加标注的方式,人工添加标注也很方便,因为二维图是根据三维模型生成,因此,所有的二维尺寸都是正确的,是跟三维模型关联的,当然也可以修改尺寸为假尺寸。公差标注可以根据公差代号,方便的查出上下偏差。粗糙度、焊缝的标注,都可以方便的进行,只是,默认的焊缝标注符号是按国际标准的,想改成国家标准还需要二次开发来定制,目前,我们暂时采用将各种型式的焊接标注符号按国家标准先画出,然后对其入库,使用的时候调出相应的焊接标注符号,进行焊缝标注。

2.3  图框和材料表

CATIA工程图环境中,图框作为页背景,而视图作为工作背景,两者不能同时编辑,需激活成当前对象才能进行编辑。每个企业都有自己的图框标准,可以通过原有的AutoCAD格式的图框样板文件,导入到CATIA中,制作CATIA格式的图框样板文件,使用的时候通过插入背景视图来添加图框。

材料表可通过Excel表格导入,在CATIA中调整成企业标准格式后,进行入库,方便下次调用使用。材料表中的材料、单重、数量、总重等参数,常规方法是各自输入的,由于三维模型的建立及材料的赋予,使得每个零件都应有这些参数,通过在三维模型上测量重量,在材料表中的单重单元格数值链接到三维模型上的测量结果,这样就实现了联动。当然这并不是最好的方法,最好的方法是通过二次开发定制,自动生成按企业标准的材料报表。
下面图3、图4为通过三维模型生成的二维工程图:
 
 

3  标准件库建立

CATIA系统以其支承多平台、可扩充性、具有知识的捕捉和重用性,使其在三维设计领域能得到广泛的应用,其标准件库的开发和利用已成为数字产品定义和快速设计的关键,功能较为完善。

3.1  普通标准件库的建立

利用CATIA的Fomula、Design Table和Catlog功能可建立三维设计标准件库,步骤如下:

3.1.1  实体建模

利用CATIA的PartDesign或General Shape Design模块建立标准件的实体模型,以CatPart文档的形式存储。

3.1.2  创建参数变量

利用CATIA的Fomula功能,根据模型几何尺寸的需求,设计一定的参数变量个数,对每个参数命名、赋初值并添加各几何尺寸与参数的关系表达式,从而实现参数化设计,能通过尺寸驱动的方式控制几何模型。

3.1.3  设计参数表

使用当前创建的参数变量创建与模型文件对应的设计表,在其中添加标准件参数化的数据,即同一类型标准件的不同尺寸。设计表以“.xls”的文档格式保存,能使用Excel软件方便的实现添加与修改参数。表的各列代表模型的某些属性及参数变量,包括文档编号(PartNumber)、材料和尺寸等。如图5所示为常用件P型水封的文档。
 

3.1.4  创建Catalog文件

新建或调用原有的Catalog文档,引入含有参数设计表的模型文件,最后加入零件的描述信息,保存Catalog文件。在实际的应用中,通过利用库浏览器访问已建的Catalog文件,实现标准件的预览和调用。图6所示将模型加入到已有的Catalog文档中。
 

3.1.5  Power Copy及UDF建模

Power Copy和User Defined Features(UDF) 是CATIA的一种特征定义工具。通过它,设计者可以把一些在结构设计中经常使用的特征用户