基于SolidWorks拦污栅三维参数化设计

田志伟 郑向晖 刘顺萍

基于SolidWorks拦污栅三维参数化设计

田志伟 郑向晖 刘顺萍

基于SolidWorks2014软件，以拦污栅的三维参数化建模为例，详细阐述了拦污栅的三维模型是如何建立及参数化的思路及具体解决方案。

拦污栅 SolidWorks 参数化

目前，水利水电工程设计普遍采用二维设计软件，此类软件相对于传统手工绘图效率大大提高，可以使设计人员方便调用已有的设计成果，灵活修改图纸。但也存在缺点，当一些设计资料发生变动时，许多已完成的设计成果可能需要重新手动调整，工作量相当大。而随着三维设计软件的出现，三维可视化技术在金属结构专业应用越来越广泛，这一问题迎刃而解。

SolidWorks是一款三维机械设计参数化软件，可以实现基于特征的参数化实体建模。此软件采用图形用户界面，简单易学易用。利用SolidWorks可以创建全相关的三维实体模型，设计过程中，实体之间可以存在或不存在约束关系；同时，还可以利用自动的或者用户定义的约束关系来体现设计意图。

SolidWorks主要包括三大模块：零件建模、装配设计、工程图。

基于SolidWorks平台，通过改变参数化尺寸大小来驱动三维模型的更新，再驱动相应的工程图更新，建立了模型输入的参数化尺寸与模型、工程图所显示尺寸的关联性。由于存在这种关联性，使得参数化尺寸可以驱动模型和工程图，即实现了三维参数化设计。下面以拦污栅的三维参数化建模为例，详细介绍三维参数化的建模思路、方法和具体的解决办法。

1 参数化建模流程

1.1 二维设计流程与三维参数化设计流程比较

传统的拦污栅二维设计流程（如图1）中设计是从总图开始的，当完成总体布局构思后，开始初步设计拦污栅的总装配图，然后拆分各个零件工程图，零部件设计和总装配设计之间要经过多次的交互过程，即二维尺寸、形状、空间结构想象的比对，最后才得以完成最终设计。这种设计过程不但加大了校审工作量，同时还加长了设计优化和设计更新的周期，而且在设计过程非常容易出现错误，从而影响到拦污栅产品的设计质量。

图1 传统的拦污栅二维设计流程

拦污栅三维参数化设计流程是以零部件为基础单元，将这些基础单元构件搭设起来构成拦污栅总体装配。这种设计当其零部件发生变化后，装配及设计成果会随时发生联动，同二维设计相比，设计效率（主要体现在装配和零件的交互过程）和设计质量有着大幅度的提升，但采用这种设计模式需要设计人员有较高的总体规划设计能力，特别是在拦污栅的产品设计中，如果没有经过精心的规划设计，就可能导致已建成的零部件模型与装配模型产生冲突，不适合安装要求，需要多次修改模型，甚至重新构建模型，不利于提高拦污栅产品的设计周期和效率。

在进行拦污栅三维参数化设计时，采用了三维软件的公共草图技术，首先在公共草图上进行总体布置，按零部件模型与装配模型的配合关系设置配合参数，然后以公共草图为基础创建所有零部件的草图，然后创建新零件，最后完成拦污栅的产品设计。在整个三维参数化设计的过程中，零部件模型与装配模型的交互过程可以即时可视，零件的多次修改可在草图环境下完成，三维实体的变动不在需要人工干预，而由三维参数化设计程序自动完成。利用三维软件进行拦污栅的产品设计流程如图2所示。

1.2 三维参数化设计步骤

图2 拦污栅三维参数化设计流程

首先，将拦污栅进行零部件分解，将各个零部件之间的装配关系转化为参数关联，在众多的参数中找出结构的关键参数，以尽量精简为原则，在装配体模式下建立公共草图定义关键参数（如图3），然后通过三维软件中的方程式定义相关参数（如图4）并驱动公共草图中的尺寸参数。通过这种参数化设计，保证了所有零部件关联尺寸的统一性、唯一性。同时，利用三维参数化设计软件的尺寸驱动技术，仅需要调整零部件的结构关键参数，即完成了所有零部件的结构尺寸调整，而无需逐个对零部件进行调整，有效地减少了结构调整的工作强度，也降低了产品设计校审的难度。

图3 创建公共草图，定义参数

图4 关键参数定义

在装配体模型中插入新零件，引用公用草图中的零件参数，通过拉伸、切削、扫描和放样等特征操作，生成零件的三维模型，然后经过打孔、倒角和圆角等操作完成零件模型。在零件生成后，还可定义零件的许多属性，包括材料、重量、规格、型号和图号等属性，以便工程图中引用。一些成型配套的零件，如正、反向滑块，锁钉，螺栓等采用配置系列化建模后，直接装配到装配体模型上更为简便（见图5）。

图5 单节拦污栅三维参数化设计模型

拦污栅的三维参数化模型实际上已经完成了产品制造的所需全部信息，如有先进的三维输出设备，三维打印机可打印三维模型，或者是能完全接收三维模型的全部信息的加工机床，完全可以实现无纸化的电子成果，但限于科技水平的原因，当前产品信息的输出还是将三维模型转化为二维工程图。

在三维软件工程图模式下，创建拦污栅的装配总图、栅体结构图及零件图，然后进行剖切、详图、局部放大等处理，再进行相关的尺寸标注、焊缝标注、标注零件序号等工作，填写材料表和标题栏等文字内容，即完成了二维工程图。

1.3 模板化设计

拦污栅产品的特点是结构布置形式相似，但其构件的外形尺寸会因为其非标准化参数变化而不尽相同，针对这一非标特点，拦污栅产品设计采用了模板化设计，按照三维参数化设计流程，将拦污栅产品进行规范化、模板化设计，当三维参数化设计完成后，进行参数规范化命名，考虑参数尺寸变动范围及先后顺序，完善三维模型中的特征属性并确保正确链接到工程中，规范化三维出图，以便下次类似工程套用此模板，至此模板化设计才算最终完成。

针对已完成的三维参数化的拦污栅模板，当有新的拦污栅需要进行产品设计时，设计者仅需要对模板文件中的关键性参数进行调整，当关键性参数调整完成后，三维参数化设计软件会利用尺寸驱动技术自动对该模板化的产品进行驱动，相关的三维装配、三维零件、二维工程图、工程量也会自动调整，设计者的设计工作就简化为设计计算，验证零件变动的正确性、合理性及工程图纸中文字信息调整的对错。通过拦污栅三维参数化模板的使用，设计者在设计拦污栅产品的工作强度得到大幅度的降低，产品设计周期也得以大幅度的缩短，同时，还提升了拦污栅产品的设计质量。

2 三维参数化设计的优点

三维参数化设计的拦污栅模型立体、直观，消除了原来二维产品的抽象、复杂、图纸难理解等缺点，而且还具有干涉检查，让计算机代替人工去检查零件设计是否存在错误。三维参数化设计软件采用参数尺寸化驱动系统，使得拦污栅在产品方案设计阶段时可迅速得到合理的设计方案和成果（工程量、体型、碰撞等），并且该成果可延续至产品的最终设计。

采用三维参数化设计使得拦污栅优化、设计、套用非常方便，当某个零部件的尺寸调整后，拦污栅整个产品会依据零部件的调整做出相应的变化，并能及时调整工程量。利用三维参数化设计软件还可从拦污栅的三维模型中准确生成材料表，避免了传统的二维环境中，手工统计材料繁琐和不准确。

采用三维参数化设计的拦污栅使得图纸的校审非常方便。以前二维图纸的校审工作除了图纸尺寸的校审外，还要依据图纸尺寸去判别结构的合理性，而采用三维参数化设计后，图纸的校审工作发生根本性的改变，结构的合理性可以从三维模型中直接获取，尺寸的校审工作转变为检查尺寸标注的合理性。

在二维产品的设计过程中，经常会遇到不同电站的2个拦污栅，承受的荷载和孔口尺寸均相差不大，结构形式布置类似。当设计者进行结构计算后，发现需要分别对2个拦污栅进行二维图纸设计，如果采用套用图纸方法，其图纸改动量非常大，比较繁琐而且也容易出现一些修改遗漏所产生错误。所以，目前拦污栅的产品设计工作的许多时间都被搁置在二维图纸的绘制、校审过程中，花费了大量精力，而当采用了三维参数化设计后，使得设计人员能把更多的时间和精力，投入到拦污栅产品的优化设计和创新应用中。

由此可见，把三维参数化设计应用到拦污栅结构产品设计上，可有效提高拦污栅的设计质量，大幅度提高设计效率。

3 结语

拦污栅的三维参数化建模设计是一个创新的应用过程，参数化建模的实现大大地提高了设计效率，并且更有利于产品设计质量的控制。这一手段的创新应基于对以往产品的设计做出全面的总结，归纳总结设计中采用的原理、流程以及方式等，发现以往设计中的闪光点及修正以往设计中不准确或不合理的细节问题，再在这个基础上创新设计手段，只有如此，参数化实现的模型才具有更好的通用性和可操作性，才能被广大的设计者接受并采用。目前三维参数化设计技术在各大设计院还属于起步阶段，三维参数化建模技术在水工金属结构设计中尚有广泛的应用空间。

[1]陈超祥，胡其登主编.SolidWorks零件与装配体教程2013版[M].北京：机械出版社，2013.

[2]辛文彤，李志尊编著.SolidWorks2012中文版从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2012.

田志伟 男 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

郑向晖 男 高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

刘顺萍 女 工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津 300222

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