CATIA在某水利枢纽导流洞中的建模与应用

高乃东 许经宇 陈中竹 宁鹏飞

（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林长春 130021）

前言

三维软件已经广泛应用于各个领域，CATIA是法国开发的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。目前，水利水电行业已经应用CATIA软件到水电站、厂房、大坝等水利建筑物的建模与设计中。

枫林水利枢纽导流洞工程是施工专业导流设计的重点，采用 CATIA软件进行三维设计导流洞，能够准确地表达技术人员的设计意图，能够通过着色和渲染功能得到设计方案的三维效果图，使得设计人员和决策人员能全面准确地了解其外观，有助于设计的决策。

根据工程的总体布置，枫林水利枢纽导流洞进口位于大坝上游右岸，进口底高程 750.00m，由进口段、洞身段、渐变段、闸室段、竖井及出口挑流段组成。导流洞洞径8×8m城门洞型，闸门井后平洞段洞底坡度为 1%。导流洞全长267.5m，其中衬砌段 80m，衬砌厚度 50cm；喷混凝土段 187.5m， 喷护厚度 15cm。导流洞前是引渠段及闸门段，长85m，进口闸门采用钢闸门，闸门尺寸为8×8m，闸门采用固定卷扬机启闭；后为出口挑流消能，出口段长30m。

1 应用模块

施工导流洞作为水工结构物，其建模主要用到CATIA软件的草图设计模块（Sketch Design）、零件设计模块（Part Design）、装配式设计模块（Assembly Design）、创成式外形设计模块（Generative Shape Design）、创成式出图（Drafting）、知识专家（Knowledgeware）提供的基本知识管理功能等。

草图设计就是一个二维轮廓的曲线集合，是整个设计的最初概念。在 CATIA中，草图是最基本、最简单易学的，但也是比较重要的部分。草图质量的好坏，关系到整个模型质量的优劣。零件设计能够让用户在一个直观、灵活的界面上从简单入手，逐步精确地设计出满足设计要求的复杂3D几何模型。一般实体建模有两种模式：一种是以草图为基础，建立基本的特征，再通过添加修饰特征等创建复杂实体；另一种是以基本形体为基础，如立方体、球体等，通过并、交、差等布尔运算相结合，生成最终实体零件。

装配设计是将零件或子装配整合的过程。各种结构（设备）通常由诸多的零件装配而成，复杂的结构可能由很多的部件（子装配）构成，这些子装配又由更下一级的子装配或零件组成。在实际的产品开发中是一个把零件装配成部件（子装配），再把部件装配成产品的过程。在装配过程中，引用零件的几何体，并通过建立部件之间的约束来确定部件之间的链接关系和部件在产品中的空间位置。装配是整个结构（设备）完整呈现的必要步骤，也是零件设计的完善和深化。

创成式外形设计是线框和曲面造型功能的组合，是一套应用广泛、功能强大、使用方便的工具集，以建立和修改用于复杂外形设计所需的各种曲面。创成式外形设计是一种基于特征的设计方法，采用了全相关技术，而且在设计过程中还能有效地捕捉设计者的设计意图，为后续设计更改提供了强有力的技术支持。

创成式出图可以很方便地从三位零件和装配件生成相关联的工程图纸，包括各方向视图、剖面图、剖视图、局部放大图、轴测图的生成；可自动标注或手动标注；剖面线的填充；生成企业标准的图纸；生成装配件的材料明细表等。

知识工程专家模块是设计人员可以把在产品设计中涉及的行业设计标准、尺寸关联、尺寸约束、特征关联等信息，用模块本身提供的公式、规则和检查等工具表达成模块化的面向对象的高级语言代码，其中公式用于通过函数公式表示待定变量与自定义变量和其他一些参数之间的关系；规则用于过编写程序代码，有条件地改变尺寸的值，有条件地激活或隐藏特征；检查选项用于着重标明在校验过程中涉及的参数，从而方便地确认。

导流洞模型建成之后，需要结合地质情况，布置到实际的地质地形中。需要用到数字化外形编辑（Digitized Shape Editor）、快速曲面重建（Quick Surface Reconstruction）、外形雕刻（Shape Sculptor）。

数字化外形编辑提供数字化数据的输入、清理、组合、截面生成、特征线提取、实时外形及指令分析等功能。此模块用于逆向工程的前期，即在数字测量之后，CATIA其它过程之前。

快速曲面重建不仅可以构造诸如不具有平面、圆柱面和倒圆角特征的自由曲面，还可以构造包括自由曲面在内的其他具有机械特征如凸台、加强筋、斜度和平坦区域的特征曲面。使用QSR模块可以直接依据点云数据重建曲面，也可以将原有实体修改后通过数字化处理成点云数据利用QSR重建原有的CAD模型上需修改的曲面。QSR模块可以让设计者决定是注重重建曲面的效力还是重建曲面质量或两者都综合考虑以满足不同需求。QSR构造的曲面还可以有参数以适应修改的需要。

外形雕刻提供了快速造型工具，可以从概念设计或现有的物理模型快速生成、编辑或提高产品外形。它可以用于由曲线和曲面生成外形，在模型上增加细节，对现有模型进行雕刻，然后把这些特征复制并粘贴到另一个模型上，或简单地在由CATIA Digitized Shape Editor 2 (DSE)得到的多边形模型上进行工作。

在结合地形、地质等其他专业的设计中，要应用CATIA协同设计(ENOVIA V5 VPM)，调用其他专业的成果完成施工导流洞的设计。

2 导流洞建模

2.1 导流洞骨架

根据工程的总体布置，导流洞进口位于大坝上游右岸，进口底高程750.00m，由进口段、洞身段、渐变段、闸室段、竖井及出口挑流段组成。导流洞洞径8×8m城门洞型，闸门井后平洞段洞底坡度为1%。

（1）按照导流洞与大坝枢纽的相对位置，确定建模模型的坐标原点及坐标 X、Y、Z轴。坐标原点采用导流洞洞轴线上进口已知的坐标点D。坐标X轴以洞轴线水平投影为正方向，坐标Y轴以垂直X轴向左为正方向，坐标Z轴以垂直X、Y轴向上为正方向，见图1。

图2 导流洞骨架图

（2）定义导流洞建模工作面。导流洞进口底板高程为750m，导流洞每个洞段均以长度分，按照每个洞段与坐标原点的相对位置，在零件设计工作界面，建立每个洞段的初始、末端工作面，为下一步草图设计做好准备工作。

（3）定义闸门井建模工作面。由于闸门井轴线位置与导流洞轴线垂直，以闸门井轴线与导流洞轴线交点为原点，垂直闸门井轴线建立闸门井基础工作面。由于闸门井也有截面变化，按照导流洞工作面的建面原则，建立闸门井各个工作面。

2.2 导流洞实体建模

导流洞实体建模时，以骨架工作面为基础，按照不同洞段的断面，建立定位草图。每个洞段前后断面建立完成后，在建立实体时，如果前后断面相同，采用外轮廓拉出凸台，然后用内轮廓进行凹槽操作即可；如果前后断面不同，比如渐变段(由城门形断面变为方形断面)，则用两个断面的外轮廓，应用多截面实体操作，并且合理设置耦合线，拉出实体，然后用移除的多截面实体命令，按照多截面实体相同的步骤，即可做出渐变段实体，见图2。

图2 导流洞渐变段建模图

在进口平洞段实体建模时，由于此洞段洞顶高程为椭圆曲线渐变变化。这就需要在此洞段两个断面草图设计完成以后，在创成式设计环境下，定义两个断面变化的引导轴线及洞顶变化的耦合线，然后按照多截面实体的操作，生成洞口平洞段模型。见图3。

2.3 导流洞开挖面

开挖面用于导流洞模型与地质地形结合以后的开挖工程量计算。

整个洞段实体生成以后，隧洞进出口及闸门井平台的开挖，以不同地质分界，按照每层岩石（土层）的开挖设计坡比，设计开挖面，在外形雕刻环境下，对地质模型进行布尔运算。并应用CATIA的测量项按钮，对开挖的各个岩层（土层）分别进行工程量统计。

导流洞封闭洞段开挖，在创成式设计环境下，提取实体的外轮廓面，然后对外轮廓面进行结合。同样在外形雕刻环境下，对地质模型进行布尔运算，并计算工程量。

开挖模型生成之后，即可利用创成式出图模块进行二维出图。

3 导流洞协同设计

协同设计主要是指企业内部不同设计部门、不同设计专业或者同一项目不同设计企业之间进行协同和配合。枫林水利枢纽导流洞工程参与专业众多，有测量、地质、施工导流、施工布置、金属结构等专业。协同设计是一个系统工程，除了单独的设计功能外，还有相应管理功能。

在引用导流洞地质地形模型时，进入CATIA协同设计平台。在VPM平台下可以利用导流洞地质地形发布成果，做出导流洞开挖模型。

当导流洞开挖模型全部做完之后，按照VPM权限，对导流洞成果进行发布，提供给总图设计及其他专业设计人员引用。

4 结论

随着工程项目设计周期的加快，越来越多的领域已经应用三维软件进行工程设计。二维构思，三维实践，结构复杂的建筑物，三维才能形象的表达，让实际施工人员看的明白。

CATIA三维软件应用到水利水电行业日趋成熟，施工专业的结构物用三维软件设计后，不仅可以使本专业设计高质量、高效率，而且施工专业作为设计过程的中间专业，对整个项目的三维设计也是支撑和保障。

CATIA软件在施工专业的应用已不仅仅局限于施工结构物的建模，将来三维设计对施工过程控制时，可以进行三维模拟施工开发，三维施工动态开发等。

1 詹熙达. CATIA V5R20快速入门教程[M]. 北京机械工业出版社, 2012.

2 丁源, 刘庆伟. CATIA V5R21从入门到精通[M]. 北京清华大学出版社, 2012.

3 王智明, 杨旭, 平海涛. 知识工程及专家系统[M]. 北京化学工业出版社, 2006.

4 盛选禹, 李明志. CATIA有限元划分网格教程[M]. 北京机械工业出版社，2011.

5 盛选禹, 李明志. CATIA V5R17有限元分析实例教程 [M].北京械工业出版社, 2009.