水利水电行业中应用三维设计的探讨

摘要：计算机辅助设计(CAD)技术显著的成就就是三维设计技术的迅速发展以及由此带来的设计理念的更新与变革。本文阐述三维设计的重要性、发展历程及方向；比较目前国内外流行的几种三维设计软件功能上的特点与差异；对复杂工程进行三维建模与有限元分析，以双层取水口为例，介绍CATIA软件在工程三维设计中的应用；实现CATIA与ANSYS的联合使用以及三维设计二维出图。三维设计已影响到各行业，将成熟技术引入到水利水电行业中是可行的。

关键词：水工结构；三维设计；CATIA软件；双层取水口；有限元

工程图是工程用来交流的语言，人在设计时的原始冲动是三维的，是有颜色、形状、材料、尺寸、位置、复杂运动关系等关联概念的三维实体，只有三维设计才能完成思维过程与设计过程的统一，才是真正意义上的CAD。

二维CAD代替了丁字尺圆规图板，随着数字化的发展，设计有可能真正从三维开始，实现无纸化设计与办公。

三维设计是工程设计的必然趋势，三维技术在机械、电子、航空、航天以及建筑等部门得到广泛的应用。把三维设计应用到水利工程上，可以实现真正意义上的工程方案优化及多方案的比较，对于提高工程的技术指标和品质、降低工程造价、缩短设计周期、提高设计质量均可以起到重要作用。

集成化、智能化、可视化、网络化、并行化是三维设计的发展方向幢。应努力实现远程协助设计、自动协同设计、集成协同设计，充分体现设计的团体性、交互性、协作性，建立跨学科的、以人际合作关系为基础、协同工作、合作设计的新格局。

1三维设计的意义

1．1三维设计的必要性三维设计能准确地表达技术人员的设计意图，更符合人们的思维方式和设计习惯；能组建进行有限元分析的原始数据，从而进行几何形状的优化设计，并实现CAD，CAE／CAPP／CAM的集成；能够通过着色和渲染功能得到设计方案的三维效果图，使得设计人员和决策人员能全面准确地了解其外观，有助于设计的决策，缩短周期，加快产品开发；能够分析产品的动态特性，对工程项目的成本进行预算；三维设计是实现设计、制造一体化的基础，为工程设计带来巨大的变革，把设计推上前所未有的高度。

1．2三维设计与二维设计三维设计之所以能迅速成为CAD技术的主流，是因为它有许多传统的平面二维设计所无法比拟的优越性，表1对二维、三维设计从性能、效率等诸多方面进行了比较，三维设计显示了其对结构描述更加真实、更准确更全面的强大优势，克服了二维设计中可想而不可见的缺点，是技术进步的必然趋势。

2三维设计的软件环境目前国外流行的三维设计软件很多，根据产品的性能及应用领域的不同大致分类如下： (1)用于三维渲染绘图设计，如3DMAX、MAYA、Rhino、Sogtimage 3D、Lightwave、Bryce 3D等；(2)着重于三维建模功能，如Auto CAD、Solid Works、Solid Edge、MDT、Master

CAM等；(3)大型集成化系统，它不但兼有CAD／CAE软件之长，还集成有CAE、CAPP、PDM等分析、工艺、产品资料管理的功能，这类软件以CATIA、UG、Pw／E、I-DEAS为代表，还包括Autodesk Inventor、Cimatron、PDS、PDMS、PLANTSPACE等。

国产软件有北航海尔三维电子图板CAXA、高华CAD、开目CAD、广州金银花Imnicem等。

下面对市场上较有影响力的CAD／CAM软件特点进行评价，并说明它们在水利电力行业中的应用情况。

2．1 CATIA软件CATIA是法国Dassault公司发展的一套完整的高档3D CAD／CAM／CAE一体化软件。支持复杂曲面造型和复杂装配。零件间的接触自动地对连接进行定义，加快了装配件的设计进度。CATIA与ANSYS之间有非常好的接口。CATIA的零件可直接转化为ANSYS可以兼容的模型，为复杂有限元分析提供了较好的平台。

CATIA软件是加拿大QUEBEC电力公司于2003年提供Mercier水电站设计时、对各种三维设计软件提供商进行测试后决定广泛采用的。该电力公司目前已成功将CATIA应用于地质重构、大坝设计、厂房设计和机电设备安装等，且已建立水电站三维设计的标准环境。

2．2 UGUG是高中挡软件的杰出代表，功能模块齐全，是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起。UG一个最大的特点就是混合建模，在一个模型中允许存在无相关性特征，可以局部参数化曲面造型。在曲面造型、数控加工方面是强项，但在分析方面较为薄弱。UG软件中的UG／Routing模块使得管道、管系、导管、水道和钢结构等走线应用的装配件建立更加方便快捷，在水利、石油、化工及各种液压系统等工程中的应用逐渐广泛。

2．3 Pro／EngineerPro／Engineer是美国参数技术公司(Parametric Techndogy

Corporation，简称兀℃)的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD／CAE／CAM的传统观念。该软件操作较为复杂，存储空间大，但二维绘图工具不完善。Pro／E中的Toolkit是进行流体机械(泵、水轮机、喷灌机、风机、压气机等)计算机辅助设计及结构分析的良好工具。

2．4 I·DEASI-DEAS软件以CAD／CAE／CAM一体化著称，分析方面较好，但是加工方面较弱。广泛应用于汽车、家电产品及复杂机械产品的设计、分析、测试、加工方面等。IDEAS在转轮刚强度计算中有着广泛的应用，哈电应用IDEAS和DEFORM．3D两个有限元软件开发了动态计算模压叶片中心和压力吨位的计算方法。此外，IDEAS还应用在盾构掘进机整体结构设计优化方法的研究中，进行盾构掘进机结构计算、分析，解决了用传统解析法和经验法难以解决或无法解决的盾构掘进机结构计算、分析、优化等。

2．5 Solid Works与Solid EdgeSolid works与Solid Edge在界面风格和功能上都极其相似，是中端三维设计软件的代表。Solid Edge是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计纯Windows的CAD系统。它的二维绘图模块充分体现了参数和变数技术的完美结合，设计简单易行。Solid works的三大特点是功能强大、易学易用和技术创新，可以对复杂机械系统进行完整的运动学和动力学仿真。但Solid works与Solid Edge的曲面造型功能较差。美国德州Lorimer公司使用Solid WoAs及COSMOS一起设计制造高压水利控制系统、脐状盘管系统和用于海上石油开采业的其他设备。

2．6 Autodesk InventorAutodesk Inventor是Autodesk公司开发的基于自适应技术的三维设计软件，能够完整读入用户的二维DWG文件并通过简单方便的三维造型方法迅速生成三维模型，然后自动生成二维工程图。自适应技术建立于参数化技术并且超越了现有的参数化技术，提供了完全的设计灵活性。零件特征之间只有配合和位置关系无父子关系，解决纯参数化系统所固有的缺陷。

3 三维设计软件CATM在水利水电工程中的应用

3．1 CArlA软件功能简介CATIA的内容涵盖了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到人机交换等实用模块。系统的主要特点如下：

(1)真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方；(2)具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力；(3)具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；(4)容易使用，可以极大地提高设计效率。

CATIA软件在航天、航空、汽车等一些高端技术制造领域中得到了广泛的应用，并获得了卓有成效的成果；而将CATIA软件引入水利水电行业，则是直接或间接借鉴了它的成熟技术。

3．2复杂工程建模M1

3．2．1工程概况某水电站进水口由进水引渠和进水塔组成，岸塔式进水塔采用双层取水方式，长225m，宽31．45m。塔顶平台高程821．5m，建基面高程734．5m。地基岩体多为微风化．新鲜的花岗岩或沉积角砾岩，岩体完整性较好。

3．2．2模型建立三维建模工作主要运用CAllA系统的零件设计(Part Design)、装配设计(Assemble Desi印)来完成。

1．零部件设计在零部件设计过程中，主要是实体造型。首先分析结构由哪些特征组成，哪些特征为基本特征(即最先要建立的特征)，然后决定各个特征被创建的顺序。建模基本过程为：

(1)在草绘模块根据主特征外形进行二维草绘图的绘制；(2)运用零件设计模块提供的特征建模工具进行主特征造型，包括拉伸、旋转、扫掠等，根据零件外形之间的拓扑关系，继续下一个特征的建立，一次完成整个模型的建立；(3)根据具体要求进行辅助特征造型，包括挖空、开槽等。

双层取水口的单联机组镜像前零件三维视图、主视图、俯视图及侧视图。

2．装配设计一对装配模型的表达，采用层次模型，装配时从最底层次的子装配体开始逐层装配，直至最上层装配体。采用这种方法便于数据管理，能减少各层次装配元素的数目，降低分析的复杂度，便于对模型进行快速有效的修改。

工程模型对位置关系的约束要求较高，在装配过程中，应根据实际情况对模型施加准确有效的约束。在CATIA系统中，装配模型的建立过程如下：

(1)将所需要装配的零件导入装配模型文件中。对重复引用的零件模型，可运用对称等相关工具实现零件的快速多实例化，快速导入零件模型；(2)按各零件问的装配关系施加适当约束，包括同轴、贴合、角度、间距、有限元分析CATIA软件是一个集CAD／CAE／CAM于一体的三维参数化软件，它提供了功能强大、且使用方便的工程分析模块

——Analysis&Simulation。利用该模块，非分析专业的设计人员只需要在模型上添加载荷和约束，就可以快速地进行初步的有限元分析怫1，得到分析系统对设计的验证。

有限元分析功能包括单个零件的有限元分析GPS，装配部件的有限元分析GAS和它们的扩展模块EST。与专业有限元软件不同的是，CATIA软件的网格划分是自动进行的，只要设计者转到有限元计算工作台，程序就自动进行网格划分。对于侧重设计的工程技术人员来说，这是非常有吸引力的。当然，为了得到某个区域的精确计算结果，设计者也可以手动对局部网格进行划分。

取水口单联机组模型有限元网格图，结点数9 257，单元数33 765。

3．3 CATIA与ANSYS联合使用

3．3．1软件组合的意义ANSYS软件具备功能强大、兼容性强、使用方便和计算速度快等优点，但是面对越来越复杂的大型结构件，专业有限元软件在建模尤其是网格剖分方面花费的巨大精力使人难以忍受，结构没计的改动给建模带来了更大的困难。而CATIA的造型功能十分强大，与专业的有限元分析软件相比，其有限元分析模块还不是很完善。因此，大型复杂结构件在进行三维建模和有限元分析时，采用软件集成的方法能最优组合各软件的长处旧1，较快地得到直观的结果数据。