试论三维设计在水利水电中的应用

麦麦提吐孙·库尔班 艾拉提·托克逊

（新疆水利厅喀什噶尔河流域管理处 新疆 喀什 844000）

伴随科学技术的快速发展，三维技术和电子应用也获得了前所未有的发展，尤其是在工程设计方面显示出了强大的生命力，在工程技术方面运用三维技术，可以大幅度节约设计资金，使设计的时间大大缩短，有效保证了设计的成功率，能够使企业在市场经济的大潮中增强竞争力，从而使企业在发展当中永葆活力，所以三维设计在实际中的应用越来越广泛。与三维设计紧密相关的有限元技术则是最合理的计算方法，所以为了更快地得到设计结果需进行科学合理的计算，水利水电方面的进水口设计运用三维设计和有限元计算方法是切实可行的，能够较深层次地分析进水塔在完成各种功能时的能力和计算工况下的应力、内力和位移的各种数据和分布情况，以此为进水塔的设计提供了许多参考方法和保证设计结构安全的许多措施。

1 水利水电工程进水口设计的概述

在大型水利水电工程设计中，为了保证进水口设计的安全性及实用性，往往需要考虑多方面因素，如要考虑洪水泄出、利用水能发电和上流冲下的泥沙等实际情况，还要考虑进水口的位置选择。为保证实际应用性，常常选择在天然河道、人工水库或调节池的上下落差较大部设置进水口。进水口的设计方法有很多种，比如斜坡式、封闭式、竖井式等，在实际设计中，要根据实际情况和具体应用，水流状况、地质条件等综合考虑进水口的设计[1]。水利水电工程的进水口坝段的建设是整个水利水电工程的重要组成部分，如果把进水阀门闭合，就可以把上游的水挡在阀门以外，如果开启进水阀门，就能够把积蓄的水放出，形成巨大的落差水位，有效利用水能发电，因此，进水口的建设在整个水利水电工程中占有非常重要的地位，它的构造形式一般都包括很多的孔洞，结构也比较复杂，所以在设计中要高度重视。为了积蓄更多的水能，一般情况下进水口的形状比较大，它结构的复杂性给日常的设计工作带来了很多困难，建设科学合理的进水口大坝，对于洪水期的安全，以及整个水利水电工程的安全都有非常重要的作用。

2 主要设计办法

工程设计是一个较为复杂的创造性过程，主要应该研究建设的需要、工程的功能、工程的具体构造、各个设计细节等，进行工程的设计就是把工程的各项功能运用模型的形式表现在大家面前，再利用几何概念对它进行计算与展现的过程。

2.1 通用的设计方法

现阶段比较通用的设计方法是CAD系统，首先设计完成零件的模型，然后运用各个零件的相互关系，把制作好的各个零件再装配成模型，关于概念设计和构造设计则在后面的工作中完成，这就是当前普遍运用的CAD设计。在工程设计中运用Top-Down这种设计方法，就要在不同的设计时期建设不同的主导模型，这种主模型给设计人群制订了设计方向，保证设计人群在主模型规定的设计范围内进行设计，从而可以保证设计的实用性与科学性，可以使设计工作突出工程设计的总体思想，使设计人员的工作不走弯路，时刻与总体设计紧密相联，各个零件的微小变化只表现在相对应的装配问题方面，使得整个设计工作具有完整性，避免了重复性工作。普通地讲，工程的主模型设计就是由一些几何中常见的点、线、面来构成一个大致模型，进行零件设计时，也是运用了主模型中的一些元素来进行比较设计。

图1 双层进水口单联机组镜像前各向视图

图2 模型显示方式

图3 双层进水口全体机组装配前视图

图4 模型导入后显示

2.2 零件制作设计

在进行较为繁琐的工程设计时，不可能迅速完成，这种设计过程和一般简单的设计不同，需要对整个设计工作进行反复修改。只有在各个零件全部制作完成之后，才能制作整个模型，这种设计的主要工作流程是利用设计初步设想图，也就是草稿图，再运用零件的设计，初步建造三维模型，对它经过反复修改，逐步完善设计的细节工作，才能建设完成三维模型。在设计各个零件时，主要方法是利用实体，对构造进行深入地研究和分析，掌握哪些构造是最为基本的，然后再进行零件的先后建设工作，这个建设过程是：

（1）在制图工具的草图制作区域进行模型的草图制作，初步制作工程的二维图纸。CATIA当中具有丰富的草图制作工具，可以进行各种草图的制作，它是进一步进行零件制作的基础，可以制作出大致模型，然后退出草图制作，再进入图纸设计模块，利用初步制作的二维图纸进行零件的实体制作[2]。

图5 导入后修正体显示

（2）利用制图工具中的零件设计建模工具来建设主模型，依据每一个零件的外形特征自动制作下一个零件，在工具模块中能够一次完成整个模型的制作。零件的制作工作就是工程草图的执行情况，所以在运用零件设计前，必须要完成工程的草图制作，才能以此为依据，进行零件的设计工作，实际就是以二维草图为基础，运用零件的制作功能，把二维草图升级制作成为三维模型。制图工具中的零件制作模块具有把二维图纸升级为三维模型的功能，比如伸展、充实、转动等，可以使平面设计成为立体模型；也能够先行制作三维立体模型，然后在此模型上面进行打洞、钻孔或变形等；在此制图工具中，零件设计制作的功能一般有六种，它们是：①把二维制图升级为三维立体模型的功能；②在三维模型上进行二次加工的功能；③在曲面上进行二次加工的功能；④可以进行实体之间的交换；⑤可以把不同的实体进行二次组合；⑥可以在任意空间建设点、线、面的能力。

（3）还可以依据不同的要求对设计模型进行修饰加工，保证模型的整体不进行大的改动，而在它的细部进行精加工制作，可以完成各个倒角、倒棱、拔模工作、不同程度的加厚工作、各种替换工作等，对各个细节进行完美设计。在建模过程中，把进水口的全部模型制作分为下面几个零件：进水塔身、具体山体、地形改变路段、二次混凝土和工作桥。关于双层取水口的机组各个视角的图纸制作如图1所示，模型的多种方式如图2所示。

2.3 模型的装配工作

进行模型的装配设计是CATIA的一个重要应用，很多模型都包括大量零件和部件需要装配，从而可以显示设计的效果。在进行零件装配时，一般运用梯次装配形式，从模型的最低级开始装配，逐步增高，直到最后模型完成。在各种工程模型的装配工作中，一般都采用这种装配方式，以便监管和有效提高装配速度，即使不用进行各种数据的复杂分析工作，也能够及时对模型的各种零件进行修改，保证整体的联系性。假如在装配过程中要对某个零件进行改动，则利用制作工具中的自动更新功能，就可以真实反映零件的变化情况。整体模型对各个零件的部位要求精密，在实际装配时，要依据当时的实际情况进行装配，关于它的装配过程在下面有所提示：

（1）把进行装配的零件导入装配文件，假如遇到重复零件，能够利用制图工具中的各种功能把零件实例化，从而保证零件的正常导入。

（2）依据设计当中各个零件之间的装配关系，进行调整，把不同的零件放入自己的位置。

（3）利用装配工具研究装配时各个零件之间的缺点，以及装配中出现的各种问题，解决各种实际问题。

3 以ANSYS为基础进行三维有限元研究

运用CATIA进行模型的设计，运用ANSYS进行有限元计算在实际应用中具有积极地意义，能够进行各种大型的工程设计工作。这种实际应用将随着科学技术的不断发展而逐步完善和发展，将会有效提高设计效率，从而获得最大的经济收入，具备鲜活的发展潜力。

详细操作流程是，首先把小特征层次上的面和线关键点全部去掉，再找出各种具有这种特性的边界线，使其形成一条线，做成较大的曲面。利用工具的打断功能制作出与大面相连的线，进而利用制图工具把这些线制成小的曲面。这种形式的图形制作能够使面和面中间具有公共线和关键点[3]。在利用模型导入以后，在图形显示中只有大致形象，如图4，再在图形制作工具中输入实体显示命令，如图5所示。

把设计完成的零件模型导入到ANSYS当中，进行各种形式的修改，然后再进行网格剖分。在此次实际应用中使用了SOLID45实体。

4 静力工况研究

在实际应用当中，进行参数计算、边缘计算以及工况计算。

（1）边缘应该具备的条件：地基的下表面要完全符合设计规格，地基的四周也要符合设计规格。

（2）关于能够承担的负荷情况计算。能够对进水塔形成负荷的因素主要有：混凝土的重量、闸门有关设施的重量、启闭机的设备重量、静水压力、各种地质情况、上游冲下的泥沙重量、各种形式的波浪压力。静力工况中，在顺水方向和竖直方向上位移都比较小。而且顺水方向的位移多出现在拦污栅墩顶部位置，竖直水流的位移多出现在进水口的左右侧部位，主要都是由各种设施的自重引起的。

总之，在水利水电工程设计中，特别是在实际操作过程，出现在设计人员头脑中的形象全部是三维立体形式，实践证明，在工程设计当中运用三维设计，可以使设计人员的思路更加清晰，直接把思考的设计形象展现在设计图纸中，从而省略了中间的很多环节，提高了设计效率，也可以形象地体现设计形状，再现各种构造之间的空间关系，方便各种工程数值的计算工作，从而保证了设计工作的速度，使设计工作更加简单和方便。在水利水电工程当中引入三维设计方法，可以提高工程的建设质量，有效节省建设成本，节约设计时间，保证设计成果的有效利用，这种方法将会在未来的水利水电设计中得到广泛应用。陕西水利

[1]张社荣，顾岩，张宗亮.水利水电行业中应用三维设计的探讨 [J].水利发电学报，2008（3）.

[2]黄鹤飞.三维设计在水利水电行业中的应用探讨[J].科技资讯.2009（26）.

[3]余迎宾,贾刚.基于CATIA软件的水工钢闸门三维设计[J].水电站设计.2009（01）.