淺議CAD技術(shù)在鐵閘門零件設(shè)計中的應(yīng)用

1、    淺議cad技術(shù)在鐵閘門零件設(shè)計中的應(yīng)用    蹤燦【摘 要】針對傳統(tǒng)鐵閘門零件中設(shè)計方法不合理，設(shè)計任務(wù)大，效率低，設(shè)計與數(shù)字工程建設(shè)需求脫節(jié)等問題，結(jié)合cad技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計理念，提出了數(shù)字化的新思路。深入探討了鐵閘門的設(shè)計，形成了一套適用于鐵閘門的新思路。詳細介紹了設(shè)計的方法，重點介紹了其建模技術(shù)，模型轉(zhuǎn)換技術(shù)和工程分析技術(shù)?！娟P(guān)鍵詞】鐵閘門;數(shù)字設(shè)計;cad技術(shù)鐵閘門是可移動的擋水結(jié)構(gòu)，其放置在水力結(jié)構(gòu)的溢流孔處。其主要功能是控制水位和調(diào)節(jié)流量。近年來，隨著中國水電資源的開發(fā)，越來越多的高壩已經(jīng)建成。同時，配套鋼閘也呈現(xiàn)出高水平，大規(guī)模發(fā)展的

2、趨勢，對鐵閘門的設(shè)計在安全性，可靠性和經(jīng)濟性方面提出了更高的要求。該方法簡單但不考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)和自重效應(yīng)，因此計算結(jié)果不能準確反映實際結(jié)構(gòu)行為。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)分析方法得到了迅速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于鐵閘門結(jié)構(gòu)的分析計算。結(jié)果更接近鐵閘門的實際工況，因此空間結(jié)構(gòu)的計算方法可以最大限度地提高結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一性。一、鐵閘門零件數(shù)字化設(shè)計方法為了充分利用各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，本文提出了catia作為建模軟件和ansys作為鐵閘門數(shù)字化設(shè)計方法的工程分析軟件。steel gates的傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)歷了數(shù)據(jù)收集和分析、部件的設(shè)計和計算繪圖等過程。在繼承上述傳統(tǒng)設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，鐵閘門數(shù)字化設(shè)

3、計將cad數(shù)字模型與cae工程分析功能相結(jié)合，形成一個整體。新的完整設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了計算方法和繪圖方法的實質(zhì)性轉(zhuǎn)換。1.1數(shù)字設(shè)計系統(tǒng)的組成根據(jù)鐵閘門的結(jié)構(gòu)特點和基本設(shè)計要求，探索并形成了一套技術(shù)可行，方便快捷的鐵閘門數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)。在建立主體模型的基礎(chǔ)上，利用模型轉(zhuǎn)換技術(shù)將幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，避免了cae分析的重復(fù)建模。通過將模擬結(jié)果與規(guī)范的允許值進行比較，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)驗證的目的，并且還可以提供進一步優(yōu)化的標準。結(jié)構(gòu)優(yōu)化意味著通過調(diào)整主要結(jié)構(gòu)模型的布局，尺寸和屬性，可以改變空間布局位置，尺寸關(guān)系，材料屬性甚至部件類型，從而提高設(shè)計產(chǎn)品的性能，減少投資成本。在該系統(tǒng)中，如果整個或部分產(chǎn)品的

4、機械性能不能滿足規(guī)范要求，或者結(jié)構(gòu)滿足要求但材料利用率低，則應(yīng)修改模型的控制參數(shù)，應(yīng)再次進行工程分析，直至獲得更合理的力和最佳經(jīng)濟性的門結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)定型后，為了使設(shè)計的鐵閘門起到靈活調(diào)度，儲存和水控制的作用，有必要利用標準模板數(shù)據(jù)庫組裝必要的零件，形成一個完整的鐵閘門結(jié)構(gòu)。在整個三維cad模型的基礎(chǔ)上，投影相關(guān)的二維工程施工圖，完成圖紙設(shè)計任務(wù)?？傊?，鐵閘門的數(shù)字化設(shè)計是基于產(chǎn)品的初步設(shè)計，并進行有限元分析，并反饋分析結(jié)果來指導(dǎo)修改。1.2 cad建模技術(shù)1.2.1參數(shù)相關(guān)設(shè)計和參數(shù)管理參數(shù)化設(shè)計不僅是三維設(shè)計的靈魂，也是設(shè)計思想的綜合體現(xiàn)。其實質(zhì)是解決設(shè)計約束的數(shù)學(xué)方法。設(shè)計圖形元素過程中

5、所需的數(shù)字信息通過參數(shù)相關(guān)聯(lián)，通過修改參數(shù)可以實現(xiàn)模型驅(qū)動的功能，大大提高了模型生成和修改的速度。因此，它在產(chǎn)品系列設(shè)計，相似性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計中具有很高的應(yīng)用價值。在catia中，可以通過直接修改系統(tǒng)參數(shù)，用戶參數(shù)或使用公式，設(shè)計表，規(guī)則和其他方法來間接修改參數(shù)，以達到驅(qū)動模型更改的目的。鐵閘門中有許多幾何元素和復(fù)雜的關(guān)系。每個基本組件功能都可以生成一系列參數(shù)，并且很難識別和管理大量參數(shù)。因此，一方面，結(jié)合每個部件的優(yōu)化設(shè)計的意圖，減少了設(shè)計獨立參數(shù)，然后減少了參數(shù)總數(shù);另一方面，根據(jù)門的功能特性和裝配級別，執(zhí)行標準化命名，并創(chuàng)建相應(yīng)的參數(shù)管理表。1.2.2骨架相關(guān)性設(shè)計思想通常，為了便于制造

6、和加工存在一些規(guī)則，因此更適合使用軸網(wǎng)作為模型框架。該方法的優(yōu)點是可以通過軸網(wǎng)的參數(shù)快速均勻地修改鐵閘門的結(jié)構(gòu)布局，并且可以控制鐵閘門的整體尺寸和梁系統(tǒng)布局。它也非常符合設(shè)計師的設(shè)計理念，因此設(shè)計師可以更專業(yè)。關(guān)于結(jié)構(gòu)形式的布局和優(yōu)化的注意事項。1.2.3鐵閘門的標準模板模板根據(jù)裝配級別分為三類：零件模板，零件模板和裝配模板。作為底部模板，零件模板是通過面向?qū)ο蟮脑O(shè)計構(gòu)建的。面板，主梁，次梁和隔板用作統(tǒng)計感應(yīng)的獨立基本類型。結(jié)合參數(shù)化設(shè)計，以超級副本或用戶特征的形式形成通用模板類型或系列模型。組件模板基于部件模板形成，門和葉片段作為單元。由于需要安裝和制造以及運輸條件的限制，鐵閘門通常是分段設(shè)

7、計和制造的。每個部分的空間配置和大小基本相同。因此，以機械葉片為單元建造鐵閘門更為有效。裝配模板以鐵閘門結(jié)構(gòu)為單位，主要考慮普通鐵閘門的相似性，為了重復(fù)使用工程結(jié)果，建模效率最高。1.3 cad模型轉(zhuǎn)換技術(shù)在建立鐵閘門cad模型時，為了提高cae計算和分析的效率，避免重復(fù)建模工作，應(yīng)實現(xiàn)從三維實體模型到有限元模型的轉(zhuǎn)換。通用大型通用有限元分析軟件為幾何模型導(dǎo)入預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，可以直接與數(shù)據(jù)交互。考慮到鐵閘門的大多數(shù)部件由焊接在一起的薄壁鋼板組成，厚度方向的尺寸遠小于其他兩個方向的尺寸。為了平衡計算速度和精度之間的約束關(guān)系，有必要將實體模型轉(zhuǎn)化為表面模型，然后將其劃分為相應(yīng)的板殼單元進行有限元分

8、析。殼單元用于模擬中厚度結(jié)構(gòu)。二、工程應(yīng)用2.1幾何模型和有限元模型以西部某大型水電站進水口快速機械的數(shù)字化設(shè)計為例，眾所周知，鐵閘門為平面滑動機械，基礎(chǔ)海拔2690.0 米，設(shè)計高水位2715.0 米，孔徑為9.0米×10.0米（寬度*高度，下同）的水下孔，止水尺寸為9.15米×10.1米，支撐跨度。距離為9.6米，水量重量為10.0kn / m3。操作方式為動態(tài)關(guān)水和靜水開啟。2.2有限元結(jié)果與分析根據(jù)代碼檢查主要部件的強度和剛度。在檢查鐵閘門強度時，應(yīng)首先確定材料的允許應(yīng)力，這與鋼板的厚度直接相關(guān)。另外，考慮到柵極和工作條件的重要性，在計算元件的允許應(yīng)力時，調(diào)整系數(shù)通

9、常乘以0.9，0.95?？紤]到項目的具體情況，該值為0.9。面板本身也與梁系統(tǒng)一起受到整體彎曲，因此應(yīng)乘以彈塑性調(diào)整系數(shù)b/a>3，取1.5;b/a3，取1.6。第四強度理論用于檢查鐵閘門的強度。只有等效應(yīng)力小于元件的允許應(yīng)力才能滿足強度要求。主梁和次梁的應(yīng)力變化是一致的。2.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化從以上分析可以看出，機械的初步設(shè)計符合相關(guān)規(guī)范的要求，具有較高的安全性和富裕度。為了達到安全運行和經(jīng)濟優(yōu)化的設(shè)計目標，可以通過修改屬性參數(shù)和尺寸參數(shù)來調(diào)整整體梁系統(tǒng)的布局和一些部件的尺寸，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化。參數(shù)化幾何建模方法與參數(shù)化命令流分析模式相結(jié)合，使調(diào)整和再分析操作簡單方便。從靜力分析的結(jié)果來看，優(yōu)化模型的應(yīng)力分布和變形規(guī)律與預(yù)優(yōu)化模型基本相同，但峰值應(yīng)力增大，最大位移略有增加，但均在允許范圍內(nèi)。三、結(jié)論針對傳統(tǒng)鋼閘設(shè)計中設(shè)計方法不合理，設(shè)計任務(wù)大，設(shè)計與工程數(shù)字化建設(shè)斷開等問題，提出了一套鐵閘門數(shù)字化設(shè)計方法。實現(xiàn)了cad 設(shè)計與計算在鐵閘門數(shù)字化設(shè)計過程中的集成，有效地解決了設(shè)計模型與計算模型之間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合大型平面鐵閘