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發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、發展歷程及方向；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CATIA與ANSYS的聯合使用以及三維設計二維出圖。三維設計已影響到各行業，將成熟技術引入到水利水電行業中是可行的。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、形狀、材料、尺寸、位置、復雜運動關系等關聯概念的三

2、維實體，只有三維設計才能完成思維過程與設計過程的統一，才是真正意義上的CAD。二維CAD代替了丁字尺圓規圖板，隨著數字化的發展，設計有可能真正從三維開始，實現無紙化設計與辦公。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，可以實現真正意義上的工程方案優化及多方案的比較，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、網絡化、并行化是三維設計的發展方向幢。應努力實現遠程協助設計、自動協同設計、集成協同設計，充分表達設計的團體性、交互性、協作性，建立跨學科的、

3、以人際合作關系為基礎、協同工作、合作設計的新格局。1三維設計的意義1三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據，從而進行幾何形狀的優化設計，并實現CAD,CAE/CAPP/CAM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，加快產品開發；能夠分析產品的動態特性，對工程項目的成本進行預算；三維設計是實現設計、制造一體化的基礎，為工程設計帶來巨大的變革，把設計推上前所未有的高度。2三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，

4、是因為它有許多傳統的平面二維設計所無法比擬的優越性，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境目前國外流行的三維設計軟件很多，根據產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、Sogtimage3D、Lightwave>Bryce3D等；（2）著重于三維建模功能，如AutoCAD、SolidWorks、SolidEdge、MDT、MasterCAM等；（3）大型集成化系統，它不但兼有

5、CAD/CAE軟件之長，還集成有CAE、CAPP、PDM等分析、工藝、產品資料管理的功能，這類軟件以CATIA、UG、Pw/E、I-DEAS為代表，還包括AutodeskInventor、Cimatron、PDS、PDMS、PLANTSPACE等。國產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，并說明它們在水利電力行業中的應用情況。1CATIA軟件CATIA是法國Dassault公司發展的一套完整的高檔3DCAD/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

6、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境。2UGUG是高中擋軟件的杰出代表，功能模塊齊全，是UnigraphicsSolutions公司的拳頭產品。優越的參數化和變量化技術與傳統的實體、線框和外表功能結合在一起。UG一個最大的特

7、點就是混合建模，在一個模型中允許存在無相關性特征，可以局部參數化曲面造型。在曲面造型、數控加工方面是強項，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等工程中的應用逐漸廣泛。2.3Pro/EngineerPro/Engineer是美國參數技術公司（ParametricTechndogyCorporation，簡稱兀C）的產品。PTC公司提出的單一數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念改變了機械CAD/CAE/CAM的傳統觀念。該軟件操作較為復雜，存儲空間大，但二維繪圖工具不完善。

8、Pro/E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。2.4IDEASI-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、家電產品及復雜機械產品的設計、分析、測試、加工方面等。IDEAS在轉輪剛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了動態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，解決了用傳統解析法和經驗法難以解決或無法解決的盾構掘進機結構計算、分析、優化等

9、。2.5SolidWorks與SolidEdgeSolidworks與SolidEdge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。SolidEdge是基于參數和特征實體造型的新一代機械設計純Windows的CAD系統。它的二維繪圖模塊充分表達了參數和變數技術的完美結合，設計簡單易行。Solidworks的三大特點是功能強大、易學易用和技術創新，可以對復雜機械系統進行完整的運動學和動力學仿真。但Solidworks與SolidEdge的曲面造型功能較差。美國德州Lorimer公司使用SolidWoAs及COSMOS一起設計制造高壓水利控制系統、臍狀盤管系統和用于海上石油開采業的其他

10、設備。2.6AutodeskInventorAutodeskInventor是Autodesk公司開發的基于自適應技術的三維設計軟件，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化技術并且超越了現有的參數化技術，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，解決純參數化系統所固有的缺陷。3三維設計軟件CATM在水利水電工程中的應用1CArlA軟件功能簡介CATIA的內容涵蓋了產品從概念設計、工業設計、三維建模、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖的生成到人機交換等實用模塊。系統的主要特點如下：（1）真

11、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）具有真正管理并發進程、實現并行工程的能力；（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，則是直接或間接借鑒了它的成熟技術。1. 2復雜工程建模M13.2.1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

12、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CAllA系統的零件設計（PartDesign）、裝配設計（AssembleDesi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，哪些特征為基本特征（即最先要建立的特征），然后決定各個特征被創建的順序。建模基本過程為：（1）在草繪模塊根據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，根據零件外形之間的拓撲關系，繼續下一個特征的建立，一次完成整個模型的建立；（3）根據具體要求進行輔助特征造型，包括挖空、開槽等。雙層取水口的單聯機組

13、鏡像前零件三維視圖、主視圖、俯視圖及側視圖。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據管理，能減少各層次裝配元素的數目,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，應根據實際情況對模型施加準確有效的約束。在CATIA系統中，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

14、件是一個集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數化軟件，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。與專業有限元軟件不同的是，CATIA軟件的網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，為了得到某個區域的精確計算結果，設計者也可以手動對局部

15、網格進行劃分。取水口單聯機組模型有限元網格圖，結點數9257,單元數33765。3.3CATIA與ANSYS聯合使用3.3.1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點，但是面對越來越復雜的大型結構件，專業有限元軟件在建模尤其是網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組合各軟件的長處舊1,較快地得到直觀的結果數據。采用CATIA建模，ANSYS進行有限元分析的

16、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的周期，產生重大的社會效益和經濟效益，具有良好的應用前景。3.3.2CATIA模型導人ANSYS修正及重構ANSYS7.0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，并用布爾運算中的相加功能把保留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

17、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，劃分網格，添加實常數、材料參數，施加荷載和約束便可以進行計算。3.4三維圖形至二維圖形的轉換CATIAV5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

18、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，工程視圖的尺寸改變也會導致實體模型及其相關視圖的自動變更。3.5混凝土方量計算在CATIA軟件中有數字模型空間分析模塊(DMUSpaceAnalysis),可觀察產品剖面，詳細檢查產品各個零件間的相對空間狀況，還可測量零件的尺寸、面積和體積等數據，計算對特定軸的慣性矩，對分析產品的動態特性和工程項目的成本預算都有十分重要的意義。利用此模塊計算得進水塔單聯機組混凝土澆筑方量59236m3,全體機組的混凝土澆筑方量533121m3,其中，一期混凝土澆筑方量523968m3,二期混凝土澆筑方量9153m3。4結語本文闡述了三維設計的意義、發展歷程及方向，比較國內外主流的三維設計軟件環境