1、摘要：電腦輔助設計 (CAD) 技術顯著的成就就是三維設計技術的迅速開展以及由此帶來 的設計理念的更新與變革。 本文闡述三維設計的重要性、 開展歷程及方向； 比較目前國內外 流行的幾種三維設計軟件功能上的特點與差異； 對復雜工程進行三維建模與有限元分析， 以 雙層取水口為例，介紹 CATIA 軟件在工程三維設計中的應用；實現(xiàn) CATIA 與 ANSYS 的聯(lián) 合使用以及三維設計二維出圖。 三維設計已影響到各行業(yè)， 將成熟技術引入到水利水電行業(yè) 中是可行的。關鍵詞：水工結構；三維設計； CATIA 軟件；雙層取水口；有限元工程圖是工程用來交流的語言， 人在設計時的原始沖動是三維的， 是有顏色、

2、形狀、材 料、尺寸、 位置、 復雜運動關系等關聯(lián)概念的三維實體，只有三維設計才能完成思維過程與 設計過程的統(tǒng)一，才是真正意義上的 CAD 。二維 CAD 代替了丁字尺圓規(guī)圖板，隨著數(shù)字化的開展，設計有可能真正從三維開始， 實現(xiàn)無紙化設計與辦公。三維設計是工程設計的必然趨勢，三維技術在機械、 電子、航空、航天以及建筑等部門 得到廣泛的應用。 把三維設計應用到水利工程上， 可以實現(xiàn)真正意義上的工程方案優(yōu)化及多 方案的比較，對于提高工程的技術指標和品質、降低工程造價、縮短設計周期、提高設計質 量均可以起到重要作用。集成化、智能化、可視化、網(wǎng)絡化、并行化是三維設計的開展方向幢。應努力實現(xiàn)遠程 協(xié)助設計

3、、自動協(xié)同設計、集成協(xié)同設計，充分表達設計的團體性、交互性、協(xié)作性，建立 跨學科的、以人際合作關系為根底、協(xié)同工作、合作設計的新格局。1三維設計的意義11三維設計的必要性三維設計能準確地表達技術人員的設計意圖，更符合人們的思維方式和設計習慣； 能組建進行有限元分析的原始數(shù)據(jù)， 從而進行幾何形狀的優(yōu)化設計， 并實 現(xiàn) CAD ，CAE CAPPCAM 的集成；能夠通過著色和渲染功能得到設計方案的三維效果 圖，使得設計人員和決策人員能全面準確地了解其外觀， 有助于設計的決策，縮短周期，加 快產(chǎn)品開發(fā)； 能夠分析產(chǎn)品的動態(tài)特性， 對工程工程的本錢進行預算； 三維設計是實現(xiàn)設計、 制造一體化的根底，為

4、工程設計帶來巨大的變革，把設計推上前所未有的高度。12三維設計與二維設計三維設計之所以能迅速成為CAD 技術的主流，是因為它有許多傳統(tǒng)的平面二維設計所無法比較的優(yōu)越性，表1對二維、三維設計從性能、效率等諸多方面進行了比較， 三維設計顯示了其對結構描述更加真實、 更準確更全面的強大優(yōu)勢， 克服了 二維設計中可想而不可見的缺點，是技術進步的必然趨勢。2三維設計的軟件環(huán)境目前國外流行的三維設計軟件很多，根據(jù)產(chǎn)品的性能及應用領域 的不同大致分類如下：(1) 用于三維渲染繪圖設計，如 3DMAX 、MAYA、Rhino、Sogtimage 3D、Lightwave 、 Bryce 3D 等；(2)著重于

5、三維建模功能， 如 Auto CAD 、Solid Works 、Solid Edge、MDT 、Master CAM 等； (3)大型集成化系統(tǒng)，它不但兼有 CAD CAE 軟件之長，還集成有 CAE 、CAPP 、 PDM 等分析、工藝、產(chǎn)品資料管理的功能，這類軟件以CATIA 、UG、Pw E、I-DEAS 為代表，還包括 Autodesk Inventor 、Cimatron 、PDS、PDMS、PLANTSPACE 等。國產(chǎn)軟件有北航海爾三維電子圖板 CAXA 、高華 CAD 、開目 CAD 、廣州金銀花 Imnicem 等。下面對市場上較有影響力的 CAD CAM 軟件特點進行評價

6、， 并說明它們在水利電力行 業(yè)中的應用情況。21 CATIA 軟件 CATIA 是法國 Dassault 公司開展的一套完整的高檔 3D CAD CAM CAE 一體化軟件。支持復雜曲面造型和復雜裝配。零件間的接觸自動地對連接進行定義， 加快了裝配件的設計進度。 CATIA 與 ANSYS 之間有非常好的接口。 CATIA 的零件可直接 轉化為 ANSYS 可以兼容的模型，為復雜有限元分析提供了較好的平臺。CATIA 軟件是加拿大 QUEBEC 電力公司于 2003年提供 Mercier 水電站設計時、對各種 三維設計軟件提供商進行測試后決定廣泛采用的。該電力公司目前已成功將 CATIA 應用

7、于 地質重構、大壩設計、廠房設計和機電設備安裝等，且已建立水電站三維設計的標準環(huán)境。22 UGUG 是高中擋軟件的杰出代表，功能模塊齊全，是Unigraphics Solutions 公司的拳頭產(chǎn)品。優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、線框和外表功能結合在一起。 UG 一 個最大的特點就是混合建模， 在一個模型中允許存在無相關性特征， 可以局部參數(shù)化曲面造 型。在曲面造型、 數(shù)控加工方面是強項， 但在分析方面較為薄弱。 UG 軟件中的 UG Routing 模塊使得管道、 管系、 導管、水道和鋼結構等走線應用的裝配件建立更加方便快捷，在水利、石油、化工及各種液壓系統(tǒng)等工程中的應用逐漸廣泛。2

8、3 Pro EngineerPro Engineer 是美國參 數(shù)技術 公司 (Parametric Techndogy Corporation，簡稱兀C )的產(chǎn)品。PTC公司提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關 的概念改變了機械 CAD CAE CAM 的傳統(tǒng)觀念。 該軟件操作較為復雜，存儲空間大， 但 二維繪圖工具不完善。ProE 中的 Toolkit 是進行流體機械 (泵、水輪機、噴灌機、風機、壓氣機等 )電腦輔助設計及結構分析的良好工具。2. 4 I DEASI-DEAS 軟件以CAD /CAE/ CAM 一體化著稱，分析方面較好， 但是加工 方面較弱。廣泛應用于汽車、家電產(chǎn)品及

9、復雜機械產(chǎn)品的設計、分析、測試、加工方面等。IDEAS 在轉輪堅強度計算中有著廣泛的應用，哈電應用 IDEAS 和 DEFORM . 3D 兩個有限 元軟件開發(fā)了動態(tài)計算模壓葉片中心和壓力噸位的計算方法。此外，IDEAS 還應用在盾構掘進機整體結構設計優(yōu)化方法的研究中， 進行盾構掘進機結構計算、 分析， 解決了用傳統(tǒng)解 析法和經(jīng)驗法難以解決或無法解決的盾構掘進機結構計算、分析、優(yōu)化等。2. 5 Solid Works 與 Solid EdgeSolid works 與 Solid Edge 在界面風格和功能上都極其相 似，是中端三維設計軟件的代表。 Solid Edge 是基于參數(shù)和特征實體造

10、型的新一代機械設計純 Windows 的 CAD 系統(tǒng)。 它的二維繪圖模塊充分表達了參數(shù)和變數(shù)技術的完美結合， 設計 簡單易行。 Solid works 的三大特點是功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新，可以對復雜機械系 統(tǒng)進行完整的運動學和動力學仿真。但 Solid works 與 Solid Edge 的曲面造型功能較差。美 國德州Lorimer公司使用Solid WoAs及COSMOS 一起設計制造高壓水利控制系統(tǒng)、臍狀盤管系統(tǒng)和用于海上石油開采業(yè)的其他設備。26 Autodesk InventorAutodesk Inventor 是 Autodesk 公司開發(fā)的基于自適應技術的三維 設計軟件

11、， 能夠完整讀入用戶的二維 DWG 文件并通過簡單方便的三維造型方法迅速生成三 維模型， 然后自動生成二維工程圖。 自適應技術建立于參數(shù)化技術并且超越了現(xiàn)有的參數(shù)化 技術， 提供了完全的設計靈活性。 零件特征之間只有配合和位置關系無父子關系， 解決純參 數(shù)化系統(tǒng)所固有的缺陷。3 三維設計軟件 CATM 在水利水電工程中的應用31 CArlA 軟件功能簡介 CATIA 的內容涵蓋了產(chǎn)品從概念設計、 工業(yè)設計、 三維建模、 分析計算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖的生成到人機交換等實用模塊。系統(tǒng)的主要特點如下：(1) 真正的全相關性，任何地方的修改都會自動反映到所有相關的地方；(2)具有真正管理并發(fā)進程、

12、實現(xiàn)并行工程的能力； (3) 具有強大的裝配功能，能夠始終保持設計者的設計 意圖； (4)容易使用，可以極大地提高設計效率。CATIA 軟件在航天、航空、汽車等一些高端技術制造領域中得到了廣泛的應用，并獲 得了卓有成效的成果；而將 CATIA 軟件引入水利水電行業(yè)，那么是直接或間接借鑒了它的成 熟技術。32復雜工程建模 M1 321工程概況某水電站進水口由進水引渠和進水塔組成，岸塔式進水塔采用雙層取水方式，長225m，寬31. 45m。塔頂平臺高程821. 5m，建基面高程734. 5m。地基巖體多 為微風化新鮮的花崗巖或沉積角礫巖，巖體完整性較好。3. 2. 2模型建立三維建模工作主要運用

13、CAllA系統(tǒng)的零件設計(Part Design)、裝配設計 (Assemble Desi 印 )來完成。1 零部件設計在零部件設計過程中，主要是實體造型。 首先分析結構由哪些特征組成，哪些特征為根本特征 (即最先要建立的特征 )，然后決定各個特征被創(chuàng)立的順序。建模根本過 程為：(1)在草繪模塊根據(jù)主特征外形進行二維草繪圖的繪制；(2)運用零件設計模塊提供的特征建模工具進行主特征造型，包括拉伸、旋轉、掃掠等，根據(jù)零件外形之間的拓撲關系，繼 續(xù)下一個特征的建立，一次完成整個模型的建立； (3)根據(jù)具體要求進行輔助特征造型，包 括挖空、開槽等。雙層取水口的單聯(lián)機組鏡像前零件三維視圖、主視圖、俯視圖

14、及側視圖。2裝配設計一對裝配模型的表達，采用層次模型，裝配時從最底層次的子裝配體開始 逐層裝配， 直至最上層裝配體。 采用這種方法便于數(shù)據(jù)管理， 能減少各層次裝配元素的數(shù)目，降低分析的復雜度，便于對模型進行快速有效的修改。工程模型對位置關系的約束要求較高， 在裝配過程中， 應根據(jù)實際情況對模型施加準確 有效的約束。在 CATIA 系統(tǒng)中，裝配模型的建立過程如下：(1)將所需要裝配的零件導入裝配模型文件中。對重復引用的零件模型，可運用對稱等 相關工具實現(xiàn)零件的快速多實例化，快速導入零件模型； (2) 按各零件問的裝配關系施加適 當約束，包括同軸、貼合、角度、間距、有限元分析 CATIA 軟件是一

15、個集 CAD CAE CAM 于一體的三維參數(shù)化軟件，它提供了功能強大、且使用方便的工程分析模塊 Analysis&Simulation 。利用該模塊，非分析專業(yè)的設計人員只需要在模型上添加載荷和 約束，就可以快速地進行初步的有限元分析怫1，得到分析系統(tǒng)對設計的驗證。有限元分析功能包括單個零件的有限元分析GPS，裝配部件的有限元分析 GAS和它們的擴展模塊 EST。與專業(yè)有限元軟件不同的是，CATIA軟件的網(wǎng)格劃分是自動進行的，只要設計者轉到有限元計算工作臺， 程序就自動進行網(wǎng)格劃分。 對于側重設計的工程技術人員 來說， 這是非常有吸引力的。當然， 為了得到某個區(qū)域的精確計算結果，設計

16、者也可以手動 對局部網(wǎng)格進行劃分。取水口單聯(lián)機組模型有限元網(wǎng)格圖，結點數(shù) 9 257，單元數(shù) 33 765。33 CATIA 與 ANSYS 聯(lián)合使用331軟件組合的意義 ANSYS 軟件具備功能強大、兼容性強、使用方便和計算速度 快等優(yōu)點， 但是面對越來越復雜的大型結構件， 專業(yè)有限元軟件在建模尤其是網(wǎng)格剖分方面 花費的巨大精力使人難以忍受，結構沒計的改動給建模帶來了更大的困難。而CATIA 的造型功能十分強大，與專業(yè)的有限元分析軟件相比，其有限元分析模塊還不是很完善。因此， 大型復雜結構件在進行三維建模和有限元分析時， 采用軟件集成的方法能最優(yōu)組合各軟件的 長處舊 1，較快地得到直觀的結果

17、數(shù)據(jù)。采用 CATIA 建模， ANSYS 進行有限元分析的方法具有很強的實際意義， 可為大型復雜 結構件的設計提供有力的工具。 隨著這一領域的深入研究和不斷完善， 將縮短從設計到生產(chǎn) 的周期，產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟效益，具有良好的應用前景。332 CATIA 模型導人 ANSYS 修正及重構 ANSYS 7 0以上版本有直接和 CATIA 的 接口，可以直接讀入 CATIAMODEL 文件，然后進行修改。在 CATIA 中，零件的每一個曲 面都由各自的線段組成，相鄰的曲面之間沒能共用邊界線。這樣，就不能滿足ANSYS 中網(wǎng)格劃分的功能要求。 所以， 要先刪掉重復的線以及線上所包括的點， 并

18、用布爾運算中的相加 功能把保存下來的線連成一條線，以確保相鄰兩面有公共邊。3. 3. 3刪除一些小的特征，并把它們所在的面并入其它的面中。具體做法是：先刪除小 特征上的所有面和線以及線上所包括的關鍵點，然后找出包含這些特征的大面上的邊界線， 把它們加成一條線，做出 _二個大的曲面；然后通過打斷來生成和大面相連接的小面所需要 的線段， 再通過這些線段圍成所需的小的曲面。 這樣可以保證面與面之間存在公共線和關鍵 點。完成實體模型后， 劃分網(wǎng)格， 添加實常數(shù)、 材料參數(shù)， 施加荷載和約束便可以進行計算。34三維圖形至二維圖形的轉換 CATIA V5 版本為用戶提供了交互式二維圖形的設計模 塊，可以很快將三維環(huán)境中的零件模型轉換成二維圖形， 轉圖的過程也十分簡單， 縮短了出 圖時間， 同時在對沒有裝配干預問題和其他錯誤的三維模型進行二維工程圖轉換時， 形成的 二維圖一定是準確無誤的。三維模型與自動衍生出的各類二維視圖之間存在著雙向關聯(lián)和尺寸驅動關系，模型的變化會引起各工作視圖的自動更新， 工程視圖的尺