水電工程論文：三維軟件對水電工程的作用思考

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本文作者：劉敦煌 單位：長江科學(xué)院水力學(xué)研究所

在力學(xué)研究中，需要對建筑物在不同條件不同狀態(tài)下進行系統(tǒng)的觀察和測定，從原型數(shù)據(jù)中分析得到力學(xué)規(guī)律，這是最為可靠的方法。但是實際問題中，多數(shù)課題必須逆向研究，即根據(jù)力學(xué)相似原理預(yù)先在實驗室，以適當(dāng)?shù)谋壤呖s小建造模型以及配套的設(shè)備，完整準(zhǔn)確地表現(xiàn)與原型成一定比例的力學(xué)現(xiàn)象，間接呈現(xiàn)原型建筑物狀態(tài)和各種參數(shù)。因此，物理模型的設(shè)計制作是準(zhǔn)確呈現(xiàn)原型數(shù)據(jù)的重要基礎(chǔ)。通常物理模型的主要要素是幾何形態(tài)、材料屬性和運動規(guī)律等。基于傳統(tǒng)的二維設(shè)計，采用二維設(shè)計軟件以及機械制圖與畫法幾何知識完成平面形狀，然后再根據(jù)相關(guān)原理作分析計算才可完成。但在In-ventor軟件設(shè)計里，首先定義模型材料的屬性，然后在二維狀態(tài)繪制平面形狀，再轉(zhuǎn)化為具有三維形式的立體形狀零件，在作尺寸與公差標(biāo)注的同時，也可即時修改零件外形。完成了全部零件后，接著進行裝配設(shè)計，在裝配設(shè)計過程中還可以對零件形狀作逆向修改。最后根據(jù)選定的材料屬性，得到物理參數(shù)，進行必要的強度剛度校核。在實際設(shè)計使用中，Inventor軟件可以較快地繪制形狀，設(shè)計者可以留有較多的時間考慮零部件功能、作用、關(guān)聯(lián)等實質(zhì)內(nèi)容。而且在物理模型尚未建造之前，就可通過裝配完成的虛擬模型，作預(yù)先的觀察與評估。

葛洲壩水利水電樞紐大江排砂孔進水口底板高程為28m，其淹沒水深約為38m。為了觀察研究排砂孔進水口門底板的流態(tài)及砂礫運動規(guī)律，設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)的支架帶著水下攝像儀器安裝到進水口門底板上，實時觀察記錄水下砂礫流動過程。設(shè)計的支架結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)排砂孔進水口門以及水下觀察部位結(jié)構(gòu)，確定支架輪廓尺寸為8000mm×3000mm×1200mm(寬×高×長(水流方向))。用Inventor軟件進行設(shè)計，選用圓形鋼管并確定了其材料屬性。由支架的作用要求與邊界條件擬定各個構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，進行構(gòu)件幾何設(shè)計和工藝造型，然后裝配各構(gòu)件成型，節(jié)點電弧焊連接，組成完整支架。進一步可以將焊縫的物理特性輸出到電子表格，在實際制作中查詢各個焊道的名稱、類型、長度、面積等參數(shù)。最后還可根據(jù)構(gòu)件受力狀態(tài)，作應(yīng)力與變形分析［2］，在此基礎(chǔ)上，修改構(gòu)件與整體幾何尺寸。在軟件中將其模擬安裝到進水口底板，在實際應(yīng)用的部位觀察邊界及相關(guān)條件，確定幾何尺寸與功能作用效果，最后完成設(shè)計，出圖制造。在設(shè)計過程中，各個構(gòu)件的質(zhì)量以及支架整體質(zhì)量等非幾何數(shù)據(jù)同步在設(shè)計全過程中傳遞與共用。設(shè)計特點:①采用相同管徑的鋼管材料(管壁厚8mm)焊接成形;②支架上安裝5臺攝像儀器與照明設(shè)備，分別有多個自由度，根據(jù)流態(tài)作調(diào)整，覆蓋需要觀察的范圍;③對支架設(shè)有位置限制構(gòu)件和頂緊固定機構(gòu)，水下安裝與拆卸過程迅速可靠;④支架整體具有足夠的自重，在動水條件下，工作穩(wěn)定牢固;⑤結(jié)構(gòu)形狀影響水流流態(tài)最小。在葛洲壩水利水電樞紐現(xiàn)場使用表明，支架結(jié)構(gòu)簡潔實用，設(shè)計尺寸準(zhǔn)確，儀器安裝方便牢固可靠;攝像范圍大，捕捉到全部信息。高效可靠的設(shè)計，是順利進行水力學(xué)觀測，取得數(shù)據(jù)，完成合同的重要技術(shù)支撐。

在工業(yè)與工程建設(shè)等行業(yè)，已廣泛應(yīng)用三維軟件設(shè)計產(chǎn)品。Inventor三維軟件設(shè)計功能強大，界面清晰，應(yīng)用十分廣泛，上述例子僅僅是三維軟件工具最基本的應(yīng)用。軟件中的管路設(shè)計、線路設(shè)計等功能，同樣也能在水利水電工程中有重要應(yīng)用，如樞紐的監(jiān)測儀器信號電纜以及壓力管道埋設(shè)路徑設(shè)計等。我們可以看到，設(shè)計的過程，就是策劃、構(gòu)想所設(shè)計對象的形狀、裝配、制造、使用等細節(jié)，將這樣的設(shè)想變成可以實施的結(jié)果方案?？梢妱?chuàng)成式的設(shè)計，最重要的是設(shè)計者必須清楚地知道產(chǎn)品的作用與功能，并據(jù)此設(shè)計出它的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、運動等參數(shù)和最終形狀。設(shè)計中的相關(guān)要素，在設(shè)計的全過程中要反復(fù)調(diào)整和配湊，是任何設(shè)計全過程中始終存在的動作，只有智能化的設(shè)計軟件才會提供如此重要的功能。通過應(yīng)用我們可以得到，設(shè)計就是模擬加工、模擬裝配、模擬使用，這就是當(dāng)今計算機輔助設(shè)計軟件最具特色的功能和作用。用Inventor軟件設(shè)計的過程中，一開始就以三維方式思考，完全進入三維模型中，從零件受力、運動和動力結(jié)果以及全部零件的關(guān)聯(lián)，表達出優(yōu)化設(shè)計后的全部物理參數(shù)，從而建立了充分而完整的設(shè)計數(shù)據(jù)庫。以此為基礎(chǔ)，進一步進行零件的應(yīng)力分析、運動分析、裝配干涉分析，最后給出正確率高的二維加工圖和三維示意圖，完成設(shè)計。因此對于創(chuàng)成式設(shè)計，三維設(shè)計功能較二維設(shè)計效率高，而且由此生成的外觀色彩、動作仿真和動畫演示，對完成設(shè)計任務(wù)以及爭取市場合同都會產(chǎn)生更好的效果。在工程建設(shè)以及科學(xué)研究全過程中，用圖形來表達成果是非常重要的形式。往往技術(shù)人員比較專注其自身專業(yè)的前沿科學(xué)技術(shù)，因此采用十分強大的具有通用性能的設(shè)計軟件為必備的圖形工具，就顯得非常重要。通過借鑒機械專業(yè)的優(yōu)秀設(shè)計軟件的應(yīng)用，提高科學(xué)技術(shù)研究綜合能力，更好地為水利水電工程和科學(xué)研究服務(wù)。