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《水利水電工程水力機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究》一書針對(duì)水利水電工程中水力機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,論述了引水徑流式水電站混流式機(jī)組、河床式水電站燈泡貫流機(jī)組、引水式電站沖擊式機(jī)組水力機(jī)械主機(jī)選型和水力機(jī)械輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì);對(duì)中高揚(yáng)程水泵站和低揚(yáng)程水泵站主泵選型與輔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)進(jìn)行了研究;針對(duì)多泥沙水電站水力機(jī)械磨蝕情況,提出了抗磨蝕的解決辦法及技術(shù)建議,還對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中計(jì)算模型的建立與方法進(jìn)行了研究。全書分為五個(gè)章節(jié),分別為水電站主機(jī)選型及水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水泵站主泵選型及水力機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、水電站水輪機(jī)抗磨蝕、水電站技術(shù)改造以及水電站、泵站過渡過程技術(shù)研究?!端姽こ趟C(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究》一書提出,水利工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極其復(fù)雜的工作,其中涉及海量數(shù)據(jù)信息,因此水利工程設(shè)計(jì)需要較高的規(guī)劃設(shè)計(jì)水平和先進(jìn)的技術(shù)手段。在水利工程設(shè)計(jì)中,單純依靠人力對(duì)數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行測量、采集、計(jì)算,則必然無法在工期內(nèi)完成。
因此,基于提高水利工程設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)信息的采集速度與質(zhì)量,保證水利工程設(shè)計(jì)能夠符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),在水利工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)勢在必行。為了獲得更加可靠的數(shù)據(jù),且利用數(shù)據(jù)分析得出更加準(zhǔn)確的結(jié)果,可以運(yùn)用三維動(dòng)畫技術(shù)來開展設(shè)計(jì)。三維動(dòng)畫技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用,不僅能夠使得水利工程設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn),還能夠有效提升設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量?!端姽こ趟C(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究》一書提出,在工程建設(shè)行業(yè)中三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)是其發(fā)展的必然趨勢,只有直觀生動(dòng)的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)才能夠讓缺乏工程技術(shù)知識(shí)、不熟悉平面布置結(jié)構(gòu)的人通過三維動(dòng)畫模型來交流設(shè)計(jì)理念,溝通設(shè)計(jì)思路,打造更理想的設(shè)計(jì)方案。基于三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)的工程設(shè)計(jì)能準(zhǔn)確表達(dá)工程設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)意圖與目的,且符合人們的思維習(xí)慣,讓設(shè)計(jì)人員可以全神貫注于設(shè)計(jì)本身,而不是二維圖紙的繪制。三維動(dòng)畫技術(shù)能夠生成用于開展有限元分析的數(shù)據(jù),從而進(jìn)行幾何形狀設(shè)計(jì)優(yōu)化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的集合。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)可以利用設(shè)計(jì)成果的三維模型投影自動(dòng)生成二維設(shè)計(jì)圖,若對(duì)三維模型進(jìn)行修改,則二維工程圖可自動(dòng)更新。且三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)可以利用著色與渲染功能來獲得水利工程的三維效果圖,不需要額外制作模型就可以使人全面、準(zhǔn)確地了解水利工程外觀,有助于設(shè)計(jì)方案的調(diào)整與決策,從而加快水利工程設(shè)計(jì)審批速度,推動(dòng)水利工程建設(shè)順利開展。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)還能夠根據(jù)設(shè)計(jì)需求快速得出水利工程的體積、質(zhì)量、重心等參數(shù),對(duì)水利工程成本進(jìn)行預(yù)算,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、預(yù)算一體化,全面推動(dòng)水利工程設(shè)計(jì)改革。三維動(dòng)畫之所以能夠在建筑工程設(shè)計(jì)中普及應(yīng)用,是因其擁有傳統(tǒng)二維平面設(shè)計(jì)難以比擬的優(yōu)越性。三維動(dòng)畫技術(shù)應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)中的主要價(jià)值在于能夠充分參與到水利工程設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)中去,便于開展密切的溝通交流與協(xié)調(diào),避免因展示不全面、溝通不暢而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)問題,且能提高水利工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量與效率。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)形式在水利工程設(shè)計(jì)中無法實(shí)現(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件一體化輸出,無法保證設(shè)計(jì)周期,且在設(shè)計(jì)過程中難以進(jìn)行全面徹底的檢查,如需要變更設(shè)計(jì),難度較大。
基于二維設(shè)計(jì)下的水利工程設(shè)計(jì)流程是線性的,如其中任意部分改動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致其他部分的變動(dòng),因此只有等所有部門都完成設(shè)計(jì)改動(dòng)后才能完成最后的設(shè)計(jì)工作。二維平面設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出明顯的平面性與間接性,主要是通過平面視圖與投影等方式來展現(xiàn)水利工程的外形與內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu),無法得到水利工程的三維軸測圖紙、開挖圖紙等。而三維動(dòng)畫應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)中優(yōu)勢較為明顯,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:一是三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)在宏觀上簡化了水利工程設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中的繪圖與讀圖過程,能夠有效節(jié)約生產(chǎn)成本,且能夠?qū)崿F(xiàn)CAD、CAE、CAM等軟件的一體化輸出。二是三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)過程中能夠在短時(shí)間內(nèi)掌握設(shè)計(jì)意圖,較為便捷,可以提高水利工程設(shè)計(jì)效率,且三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行全面的檢查,降低設(shè)計(jì)出錯(cuò)的概率。后期修改也較為便捷,能夠有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。相比二維設(shè)計(jì)來說,三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)流程為交互并行狀態(tài),如某部分出現(xiàn)改動(dòng),則最終設(shè)計(jì)成果會(huì)自動(dòng)更改,且設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與成果均為多部門共享,能夠有效提升三維設(shè)計(jì)效率。三是三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)成果是立體的,人們可以通過三維動(dòng)畫立體造型來直觀感受水利工程建筑的外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu),所見即所得。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)下的圖紙可視性較強(qiáng),可以直接通過三維模型獲得二維圖紙。整體來看,三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)在水利工程設(shè)計(jì)中對(duì)結(jié)構(gòu)與外觀的描述更加真實(shí)準(zhǔn)確,能夠展現(xiàn)出強(qiáng)大的設(shè)計(jì)優(yōu)勢。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)可視化設(shè)計(jì),可以顯著減少設(shè)計(jì)校對(duì)時(shí)間與工作量。三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)克服了二維平面設(shè)計(jì)中的各種缺陷,是計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步背景下水利工程設(shè)計(jì)的必然發(fā)展趨勢。水利工程設(shè)計(jì)在選擇設(shè)計(jì)軟件的過程中需要從自身實(shí)際需求入手,選擇與自身實(shí)力相匹配,能夠高質(zhì)量、高效率完成設(shè)計(jì)的軟件,主要需要考慮以下幾個(gè)方面:一是水利工程的性質(zhì)、規(guī)模;二是水利工程的系統(tǒng)性與集成性,要考慮水利工程數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等;三是工程化、實(shí)用化;四是開放性,用戶操作界面友好,擁有齊全的外部接口并支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于大多數(shù)水利工程來說,所需的三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件需要綜合CAD、CAE、CAM為一體。
在眾多軟件中,CATIA較為適用于水利工程設(shè)計(jì),其具有良好的開放性與兼容性?,F(xiàn)以CATIA軟件為例分析三維動(dòng)畫在水利工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。CATIA是法國達(dá)索公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品,擁有先進(jìn)的混合建模技術(shù),其中所有模塊都具有相關(guān)性,所營造的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)能夠有效縮短設(shè)計(jì)周期,且能夠覆蓋水利工程設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。第一,CATIA的主要模塊。CATIA的應(yīng)用功能十分強(qiáng)大,可以分為曲面設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工程與知識(shí)工程四大部分。一是曲面設(shè)計(jì)模塊。曲面設(shè)計(jì)模塊在水利工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用,主要可以實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中涉及的各類地形、地質(zhì)問題進(jìn)行合理解決或處理,如水利工程設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的曲面、曲面變形、逆向工程等處理;在應(yīng)用過程中還可以對(duì)三維建模過程中的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入處理,以形成地質(zhì)建模數(shù)據(jù);利用水利工程地質(zhì)建模的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,以保證水利工程設(shè)計(jì)中地質(zhì)、水工等方面信息數(shù)據(jù)得以平衡,具有較高的應(yīng)用價(jià)值。二是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊在水利工程設(shè)計(jì)中主要針對(duì)水利工程部件選擇與運(yùn)用的合理設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)難度較大的曲面設(shè)計(jì)工作。另外,還能夠完成數(shù)據(jù)的模板化設(shè)計(jì),為水利工程的建模打造直觀形象的環(huán)節(jié)。對(duì)于水利工程設(shè)計(jì)的過程與方法能夠進(jìn)行捕捉與重建,從而提高水利工程設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。三是施工工程模塊。施工工程模塊在水利工程設(shè)計(jì)中主要用于解決水利工程整體布置問題,可以完成曲面、地質(zhì)設(shè)計(jì)等運(yùn)算,能夠?qū)λこ淘O(shè)計(jì)進(jìn)行全面計(jì)劃,并對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行平衡。四是知識(shí)工程模塊。
知識(shí)工程模塊在水利工程設(shè)計(jì)中主要用于對(duì)模板化的問題進(jìn)行處理,在CATIA中加入設(shè)計(jì)規(guī)則,為后續(xù)水利工程設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ),使得水利工程設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。第二,CATIA在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。一是零部件設(shè)計(jì)。水利工程的零部件設(shè)計(jì)就是對(duì)水利工程內(nèi)部的各模塊進(jìn)行實(shí)體化的造型設(shè)計(jì)。首先,需要對(duì)水利工程中的模塊進(jìn)行初步繪制,即在掌握水利工程設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)部各個(gè)模板進(jìn)行二維圖繪制;其次,運(yùn)用CATIA中預(yù)設(shè)的零件設(shè)計(jì)模塊來對(duì)模塊進(jìn)行造型設(shè)計(jì),且根據(jù)零件外形之間存在的拓?fù)潢P(guān)系明確其相應(yīng)特點(diǎn),進(jìn)行模型制作;最后,根據(jù)水利工程設(shè)計(jì)要求對(duì)模塊的輔助特點(diǎn)進(jìn)行加工處理,從而完成零部件的設(shè)計(jì)工作。二是裝配設(shè)計(jì)。裝配設(shè)計(jì)流程首先是利用CATIA中的對(duì)稱工具來對(duì)零部件進(jìn)行復(fù)制,以加快模型導(dǎo)入速度;其次,在明確各零部件裝配關(guān)系的基礎(chǔ)上對(duì)零部件進(jìn)行細(xì)節(jié)處理,如對(duì)零部件的角度、間距等進(jìn)行細(xì)節(jié)處理,這一過程需要對(duì)零部件的位置與細(xì)節(jié)進(jìn)行細(xì)致的校對(duì)、檢查,以保證零部件的適用性;最后,對(duì)零部件組裝過程中存在的缺陷進(jìn)行校驗(yàn),保證零部件在裝配過程中不會(huì)出現(xiàn)矛盾與沖突,如在校驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)問題,則需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與處理。三是數(shù)據(jù)管理。CATIA中的VPM模塊可以對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理,其主要作用在于將水利工程數(shù)據(jù)源存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫與電子倉庫的服務(wù)器中,并根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性、類別與命名進(jìn)行統(tǒng)一歸類管理,對(duì)水利工程設(shè)計(jì)的模型版本進(jìn)行更新、規(guī)劃等。VPM模塊能夠?yàn)椴煌脩粼O(shè)置訪問權(quán)限與角色,針對(duì)不同數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的訪問權(quán)限,以保護(hù)數(shù)據(jù)安全。整體來看,VPM模塊猶如數(shù)據(jù)庫,對(duì)水利工程設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。最初VPM是獨(dú)立運(yùn)行的,但伴隨著CATIA的廣泛應(yīng)用,VPM模塊便與CATIA相結(jié)合,一同開展水利工程設(shè)計(jì)。VPM模塊可以快速查詢CATIA中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),還能夠?qū)λこ痰慕Y(jié)構(gòu)與零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。
不論是結(jié)構(gòu)簡單亦或是復(fù)雜的數(shù)據(jù)項(xiàng)目,均可以運(yùn)用VPM模塊進(jìn)行分析,掌握CATIA中存儲(chǔ)的關(guān)于水利工程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)聯(lián)系。綜上所述,水利工程設(shè)計(jì)作為三維立體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),雖然在初期設(shè)計(jì)中采用的是平面投影圖、剖面圖等工程圖紙,但設(shè)計(jì)人員腦海中所構(gòu)思的是三維結(jié)構(gòu)。在水利工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用三維動(dòng)畫設(shè)計(jì),直接生成三維結(jié)構(gòu)模型,能夠更加全面、直接地展現(xiàn)水利工程結(jié)構(gòu)的空間狀態(tài),展示水利工程建筑結(jié)構(gòu)中的空間關(guān)系,對(duì)水利工程施工量進(jìn)行更加準(zhǔn)確、更加全面的計(jì)算,且可以按照相應(yīng)的規(guī)則來明確結(jié)構(gòu)面的形狀,減少不必要的參數(shù)錄入,使得水利工程設(shè)計(jì)更加高效、更加便捷。
作者:黃鋅 彭嫣 單位:湖南大眾傳媒職業(yè)技術(shù)學(xué)院