水工钢闸门三维参数化设计理论基础与工程实践

李国宁，王雪岩，阿木古楞，王文强

（内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010020）

经过几代人的努力，水工钢闸门设计有了很大进步，闸门计算和设计效率大幅提高，设计闸门的种类不断丰富。但迄今为止没有专业的闸门计算软件，只能采用传统的Excel电子表格及一些非专业软件辅助完成闸门计算，虽然现在大都采用电子计算稿，但完成一份完整的闸门计算书，少则一周，多则数周，尤其是当设计方案变化后，又要重新计算一遍，费时费力，而且极易出错。在闸门制图方面，钢闸门的设计属于产品设计，工程图的绘制工作量非常大，项目工期紧张的时候，容易导致工程图出现错误。借助于Auto CAD软件，已经实现了无纸化设计，相比手工绘图能大大提高设计效率，但不够完善，同样存在与闸门计算类似的问题，在原始设计资料变动的情况下，设计完成的图纸需要重新手工调整，修改闸门图纸的工作量很大，而且极易出错。

在计算机辅助设计（CAD）技术不断发展的今天，三维CAD技术在各行业得到了广泛应用，而在水利水电行业，目前还只是开始阶段。随着各大设计院对三维设计的逐步重视，三维深化设计替代二维传统设计的革新时代已经到来，闸门的程序化计算、三维参数化设计、结构有限元分析和运动学、动力学动态仿真必将成为未来水工钢闸门设计的发展趋势。

1 适用性

水工钢闸门设计有两个突出特点：一是闸门类型不多，最常用的就是平面钢闸门和弧形钢闸门，相似工况的工程完全可以采用同类闸门，只是孔口和水头的差别，决定着闸门的大小不同；二是闸门上的各个附件及部件大部分都是标准件和系列件，如工字钢、槽钢、角钢、主轮、侧轮、滑块、止水、吊耳、充水阀、螺栓、螺母、垫片等。闸门的这两个特点，为闸门的三维参数化设计提供了有利条件，即三维参数化设计方法特别适用于水工钢闸门设计。

2 总体技术路线

充分发挥各软件的优点，运用MATLAB语言编制拦污栅、平面闸门和弧形闸门的设计计算程序，利用VB设计交互式界面，采用ACCESS作为数据库，通过Math CAD输出计算稿；解决各软件间的数据接口问题，开发闸门程序化设计计算系统，并实现自动输出设计结果和完整的电子计算稿，提高闸门设计计算的效率。在三维参数化建模平台Auto Desk Inventor环境下，建立各种闸门的三维参数化模型；以Excel电子表格为数据载体，将闸门设计计算程序得到的结果数据传送到三维参数化模型，通过数据来改变模型，进而改变与模型相关联的二维工程图，实现参数化绘图，提高出图效率和产品质量。建立好的三维模型可以通过数据接口导入到分析软件和仿真软件，进一步完成闸门结构有限元分析和运动学、动力学动态仿真，实现闸门设计的高级应用。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术路线图

3 三维参数化模型

3.1 基本原理

传统的二维绘图，是在已知尺寸的情况下，绘制图形，然后标注尺寸，尺寸只能反映图形的大小，无法影响图形。参数化的基本原理是绘制图形的同时添加尺寸，尺寸不仅能反映图形大小，还能影响图形，尺寸改变，图形也跟着改变，即尺寸驱动。将尺寸数据保存到一张参数表中，每一个参数各自命名，建模时调用该名称，或者设置数据共享，实现数据链接，通过改变参数表来改变三维模型，进而改变与之相关联的二维工程图。三维参数化的基本原理如图2所示。

图2 三维参数化的基本原理

3.2 模型架构

闸门模型的建立具有很大的灵活性和自由度，同样的闸门，不同的人，不同的思路，会建成不同的模型；甚至同一个人，同样的闸门，前后两次建立的模型也可能不同。从外观上看，模型是一样的，但其参数的设置，约束的选取，建模的顺序及包含的信息，都可能截然不同，模型的实用性和适应性也大相径庭。

就水工钢闸门而言，应根据其不同零部件各自的特点，采用不同的处理方式：

（1）门叶——焊接件，尺寸关联性强，参数少，种类少；建立全参数化模型，通过参数表或Excel电子表格控制门叶模型。

（2）标准件——螺栓、螺母、垫片、密封圈、齿轮、轴用零件、阀、角钢、槽钢、工字钢等结构型材，都是机械标准件，可以直接调用资源中心库，使用非常方便。

（3）系列件——主轮、侧轮、滑块、吊耳、充水阀等，这些部件虽未标准化，但在金属结构设计手册等书籍中，对其主要尺寸进行了规定，完成了“系列化”；另外，这些部件的尺寸较多，较杂，参数太多，不适于建立参数化模型。对系列件的处理方法是，建立完备的系列件库，把每个型号规格的系列件建成模型库，使用的时候调用即可。

（4）常用件——各类水封、止水垫、止水压板等，称其为常用件。这类零件断面尺寸相对固定，只是使用长度和螺栓孔的大小、位置不同。针对这一特点，处理方法是建立半参数化模型，断面非参数化，长度和孔参数化，根据使用需求，设定不同的长度和孔数、孔距即可。

（5）孔、槽等——对于闸门上的螺栓孔、漏水孔、锁定槽、轮槽、板、加强筋等结构，进行常规的三维操作即可，这部分结构的工作量不大，无需且难于参数化。

具体工程实践中，先根据原始设计参数进行闸门结构计算，得到的设计结果参数写到Excel数据文件中，门叶三维参数化模型提取结果数据，改变模型，开孔、开槽；接着选用系列件模型库中的主轮、侧轮、吊耳等；然后根据闸门尺寸，设置止水零件参数，改变止水模型；最后将各零部件通过调用资源中心库中的标准件安装于门叶上，完成建模。闸门三维参数化模型架构如图3所示。

图3 闸门三维参数化模型架构

3.3 模型参数化的平衡

参数化的三维闸门模型，并不是参数化的越彻底越好，也不是傻瓜型的模型就是最佳模型。如果整个闸门的所有零部件都做成参数化模型，则需要大量的尺寸参数，设计者就要把大部分精力放到如何理顺繁杂的参数表上，反倒费时费力。而且，参数越多越容易出错，稍有不慎，就会导致模型报错，甚至崩溃，陷入死循环。因此，要以设计效率和产品质量最高为原则，合理分配参数化部分和非参数化部分，根据零部件自身不同的特点，采用不同的处理方法，实现模型参数化的平衡。

4 技术关键与优缺点

4.1 技术关键

（1）模型参数化的平衡，以设计效率和产品质量最高为原则，合理分配参数化部分和非参数化部分，根据零部件自身不同的特点，采用不同的处理方法，实现模型参数化的平衡。

（2）闸门设计计算系统子模块与闸门计算总程序的衔接，根据闸门各结构件的计算特点，确定哪些部分适合做系统子模块，哪些部分适合编到总程序中，二者的数据如何交换等。

（3）闸门设计计算系统与三维参数化模型间的数据接口问题，数据接口起到纽带的作用，只有成功解决了数据接口问题，整个技术路线才能得以实现。

4.2 优点

（1）在进行三维模型设计时，设计者拥有比二维绘图环境中更强烈的“设计”感；同时，在模型构建过程中，可以更直观的根据已建部分及时、合理的调整设计思路。

（2）闸门的三维模型中包含施工图、加工制造以及安装时所需的大量信息，零部件都附加了尺寸、数量、材料属性及配合关系，使得材料明细表可以自动生成，借助这个模型，可以快速地生成施工图纸，显著提高工作效率及设计精度，大幅度提高生产力。

（3）参数表与模型自动相互关联，工程图与模型之间关联设计，当参数表发生改动的时候，模型中与之关联的所有零件都会自动发生合理改变，即零部件具有“自适应”能力；同时，所有工程图中与修改相关的部分均会自动进行相应修改，此项特点彻底解决了二维设计环境中修改工程图过程顾此失彼的局面。

（4）干涉（碰撞）自查功能可以让设计人员及时、直观的发现和校正装配中的错误，避免在设计及安装过程中由于产品之间干涉所带来的不必要的麻烦，而这在二维绘图环境中是无法实现的。

（5）实体模型与工程图的严格一一对应关系及软件中的干涉检查功能，可以大幅减轻校核人员和审查人员的工作强度。

4.3 缺点

（1）前期需投入大量时间学习软件，整理思路，转变设计思维，牺牲工作效率。

（2）参数化使同一类型的闸门结构相对固定，一定程度实现了产品的标准化、系列化，但产品缺少个性。

（3）工程图某些地方无法完全达到制图规范要求或符合传统制图习惯。

（4）如果模型建立不完善，会不断报错，甚至崩溃，后期修改、处理非常费事。

5 工程实践

从2010年底开始，经过7多年时间的项目开发和工程应用，我们已创建了基本完备的常用零部件模型库；构建了10种类型钢闸门的门叶参数化模型，基本覆盖了常用闸门种类，满足了日常应用需求；开发了拦污栅设计计算系统；完成了30多个工程、60多个闸门的三维建模；利用三维设计方法出版了施工图纸60多套、800余张，三维参数化设计方法在金属结构专业进行了有效的推广，在水库、枢纽、供水、电站、水闸、灌区、景观等各类工程中均得到应用，显著提高了金属结构专业的图纸质量和设计效率，取得了良好的效果。另外，通过金属结构专业开展的水工钢闸门三维参数化设计试点，使三维设计的理念和优势深入人心，起到了很好的宣传和示范作用。

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