斜支臂弧形閘門三維建模及技術(shù)分析

師小小，郭一萌，陳思奇，胡艷玲

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450046；3.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021）

斜支臂弧形閘門三維建模及技術(shù)分析

師小小1，郭一萌2，陳思奇3，胡艷玲1

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021；2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450046；3.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021）

主要介紹了斜支臂弧形閘門三維建模的方法及難點(diǎn)，闡述了三維建模的重要性，并列舉了察爾森除險(xiǎn)加固工程溢洪道弧形工作閘門利用Solidworks設(shè)計(jì)建模的例子，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)斜支臂弧形閘門的三維建模方法做了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)其中的難點(diǎn)做了詳細(xì)的解答。

斜支臂；弧形閘門；支臂結(jié)構(gòu)；裝配體；Solidworks

1 概況

弧形閘門是水利水電工程中普遍采用的門型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟閉力小、操作簡(jiǎn)單、水流條件好等優(yōu)點(diǎn)。因此，在泄水建筑物中，尤其是高水頭、高流速狀態(tài)下使用的更為普遍，能夠有效的降低氣蝕對(duì)門槽造成的損害以及因局部開(kāi)啟造成的振動(dòng)等。

目前水利行業(yè)采用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件仍然以AutoCAD的二維平臺(tái)為主，在此平臺(tái)下，設(shè)計(jì)者首先要在頭腦中想象出弧形閘門的實(shí)體結(jié)構(gòu)。需要具備極強(qiáng)的三維空間想象力，并對(duì)弧形閘門足夠熟悉，才能比較順利的繪制出弧形閘門的二維圖。對(duì)于表孔弧形閘門，以斜支臂結(jié)構(gòu)二維圖的繪制最為復(fù)雜。斜支臂夾角、扭角等數(shù)據(jù)都要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算才能確定，然后繪制于二維圖中，從想象中的三維實(shí)體到圖紙上的二維平面圖繪制，過(guò)程復(fù)雜。

三維設(shè)計(jì)軟件在近幾年的工程設(shè)計(jì)中運(yùn)用的越來(lái)越普遍，它的優(yōu)勢(shì)在于能夠直接將設(shè)計(jì)目標(biāo)用三維的視角呈現(xiàn)給設(shè)計(jì)者，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物體的可視、可測(cè)。這樣一來(lái)，之前介紹的斜支臂夾角、扭角等復(fù)雜數(shù)據(jù)不用計(jì)算就能從所建模型中直接測(cè)得，直觀高效。

2 斜支臂弧形閘門建模方法及難點(diǎn)解析

斜支臂弧形閘門整體是一個(gè)裝配件，整個(gè)裝配件包括門葉結(jié)構(gòu)、支鉸結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)、主輪裝置、側(cè)輪裝置、水封裝置、緊固件等，其中門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)為焊接件，支鉸結(jié)構(gòu)為子裝配件，子裝配件中又包含了活動(dòng)鉸鏈、固定鉸座等零部件。在Solidworks軟件中，也分為裝配體、子裝配體、零件3個(gè)層次，在建模時(shí)分別對(duì)應(yīng)于裝配件、子裝配件、零件（焊接件）。零件是組成裝配體及子裝配體的基礎(chǔ)，在Solidworks中，建模方式分為自底向上和自頂向下的裝配體建模，弧形閘門的建模方式采用后者。首先新建弧形閘門裝配體，然后在弧形閘門裝配體中新建門葉結(jié)構(gòu)零件（門葉結(jié)構(gòu)為焊接件，用焊件模板建立門葉結(jié)構(gòu)），門葉結(jié)構(gòu)建模完成后，再新建支臂結(jié)構(gòu)零件（支臂結(jié)構(gòu)同門葉結(jié)構(gòu)為焊接件，用焊件模板建立支臂結(jié)構(gòu)），最后在閘門裝配體中新建一個(gè)子裝配體，用于支鉸結(jié)構(gòu)的建模。其余零部件根據(jù)其特征（零件或子裝配體）在閘門裝配體中新建零件或子裝配體。在門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)、支鉸結(jié)構(gòu)的建模過(guò)程中，利用關(guān)鍵點(diǎn)定位及三者之間的關(guān)系作為基礎(chǔ)，進(jìn)而控制閘門整體布局，實(shí)現(xiàn)弧形閘門的建模。

下面以察爾森出險(xiǎn)加固工程中溢洪道12 m×14.6 m-14.187 m（寬×高-水頭）弧形工作閘門為例，介紹在Solidworks軟件中斜支臂弧形閘門建模的難點(diǎn)。

2.1 閘門裝配體

弧形閘門的三大部分（門葉結(jié)構(gòu)、支臂結(jié)構(gòu)、支鉸結(jié)構(gòu)）建模各有難點(diǎn)，其中難度最大的部分是支臂結(jié)構(gòu)，其次是支鉸結(jié)構(gòu)，然后是門葉結(jié)構(gòu)。

新建一個(gè)裝配體，保存并命名為閘門總裝配體。

2.2 門葉結(jié)構(gòu)建模難點(diǎn)

門葉結(jié)構(gòu)為焊件結(jié)構(gòu)，在閘門總裝配體中選擇新零件時(shí)，應(yīng)選擇焊件模板。

由于門葉結(jié)構(gòu)在各部分中首先建立，所以在其建模過(guò)程中應(yīng)為之后支臂結(jié)構(gòu)、支鉸結(jié)構(gòu)的建模以及閘門總裝配體的展現(xiàn)做好準(zhǔn)備，并應(yīng)考慮弧形閘門總體的建模，這也是弧形閘門建模的要點(diǎn)。

進(jìn)入門葉結(jié)構(gòu)的編輯狀態(tài)，選擇右視基準(zhǔn)面作為弧形閘門側(cè)視圖的基準(zhǔn)面，將原點(diǎn)作為弧形閘門支鉸中心，以原點(diǎn)為基準(zhǔn)，由弧門門葉半徑等參數(shù)定義弧形閘門面板外緣底部的位置，這樣門葉結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主要定位點(diǎn)確立。首先拉伸形成面板實(shí)體，然后在右視基準(zhǔn)面上建立草圖，用于主梁、小梁結(jié)構(gòu)在面板上的定位。如圖1所示

圖1 定位草圖（單位：mm）

定位草圖完成后，仍以右視基準(zhǔn)面為基礎(chǔ)建立上、下主梁腹板、翼緣橫截面草圖，通過(guò)拉伸、切除的方式生成主梁。小梁的建立分情況而定，若小梁是鋼板焊接組合結(jié)構(gòu)，則小梁的建模方式與主梁相同，在主梁草圖中，同時(shí)繪制出小梁截面草圖，用與主梁相同的方式生成小梁；若小梁為型鋼結(jié)構(gòu)，在Solidworks的焊件模板中的焊件菜單中，提供了結(jié)構(gòu)件功能，用此功能生成小梁，首先在面板內(nèi)弧面上用3D草圖功能，以圖1所示定位草圖為基礎(chǔ)，建立結(jié)構(gòu)件草圖，如圖2，退出草圖，選擇結(jié)構(gòu)件菜單生成小梁；若小梁的間距比較均勻，也可通過(guò)圓周陣列的方式建立小梁。

圖2 結(jié)構(gòu)件草圖（單位：mm）

2.3 支臂結(jié)構(gòu)建模難點(diǎn)

造成斜支臂結(jié)構(gòu)建模困難的原因主要在于其復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，首先在俯視圖上，斜支臂與門葉結(jié)構(gòu)主梁形成一個(gè)夾角，其次在側(cè)視圖上，上下兩支臂形成夾角，然后在支臂與支鉸的活動(dòng)鉸鏈接觸面上，又形成一個(gè)扭角，從而很難想象支臂在空間的樣子，讓人無(wú)從下手。

同門葉結(jié)構(gòu)一樣，新建零件（選擇焊件模板）。上下支臂軸線相交于一點(diǎn)，與支鉸中心重合，上、下支臂上下對(duì)稱，對(duì)稱面通過(guò)上、下支臂軸線所形成角的角平分線并垂直于上、下支臂軸線所形成的平面，因此可先繪制出下支臂，再通過(guò)鏡像繪制出上支臂。首先繪制下支臂軸線：建立基準(zhǔn)面，該基準(zhǔn)面通過(guò)支鉸軸線和下主梁中心面，在該基準(zhǔn)面上繪制支臂軸線，一端通過(guò)支鉸中心點(diǎn)，另一端通過(guò)門葉結(jié)構(gòu)主梁中心面與相應(yīng)位置隔板中心面交線上并與主梁后翼緣上的墊板表面重合。然后通過(guò)支鉸中心點(diǎn)，并垂直于下支臂軸線繪制基準(zhǔn)面，在此基準(zhǔn)面上繪制下支臂截面草圖，然后通過(guò)拉伸特征成形到門葉結(jié)構(gòu)主梁后翼緣墊板表面，再對(duì)支臂前段做相應(yīng)處理，加上前端板、隔板等。接著用同樣的方式繪制上支臂軸線及上、下支臂軸線夾角角平分線，建立上、下支臂對(duì)稱中心面，然后通過(guò)鏡像繪制上支臂。最后用拉伸切除特征切割掉支臂后端多余部分，用拉伸特征繪制支臂后端板、支臂連接板、加強(qiáng)板、豎支撐、斜支撐等，完成支臂繪制。

2.4 支鉸結(jié)構(gòu)建模難點(diǎn)

支鉸結(jié)構(gòu)的建模難點(diǎn)在于活動(dòng)鉸鏈。首先在閘門裝配體中新建子裝配體（選擇裝配體模板），保存（選擇外部保存）并命名為支鉸結(jié)構(gòu)。在支鉸子裝配體中新建零件（活動(dòng)鉸鏈和固定鉸座為鑄鋼件，選擇零件模板），保存并命名，方式同門葉結(jié)構(gòu)和支臂結(jié)構(gòu)。首先新建固定鉸座，固定鉸座的建模要點(diǎn)在于準(zhǔn)確無(wú)誤的確立其空間位置關(guān)系（活動(dòng)鉸鏈豎直方向?qū)ΨQ中心面與固定鉸座豎直方向?qū)ΨQ中心面構(gòu)成一個(gè)夾角α，即斜支臂水平偏角），為之后活動(dòng)鉸鏈建模打好基礎(chǔ)。完成固定鉸座建模之后，新建活動(dòng)鉸鏈模型，以固定鉸座為參考，建立活動(dòng)鉸鏈軸孔部分，活動(dòng)鉸鏈軸孔與固定鉸座軸孔同軸心。以支臂結(jié)構(gòu)為參考，建立活動(dòng)鉸鏈與支臂接觸的座板部分，座板法線方向與支臂軸線同方向，然后通過(guò)放樣凸臺(tái)/基體菜單建立兩者之間的筋板等特征，從而完成活動(dòng)鉸鏈部分建模。之后依次建立支鉸軸、軸套等零件，完成支鉸結(jié)構(gòu)的建模。

新建零件完成水封、水封壓板等繪制，在相應(yīng)零部件上建立螺栓孔，裝配螺栓、螺母等緊固件，完成整個(gè)閘門裝配體的建模。

3 結(jié)語(yǔ)

近些年三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件在水利行業(yè)中的大型設(shè)計(jì)院及大型的水利工程中越來(lái)越多的應(yīng)用，掌握其設(shè)計(jì)方法變得越來(lái)越重要。察爾森出險(xiǎn)加固工程溢洪道弧形工作閘門的建模、二維施工圖全部在Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件上進(jìn)行，設(shè)計(jì)思路清晰、設(shè)計(jì)成果直觀，工作效率高且質(zhì)量高，同時(shí)給校核、審查工作帶來(lái)極大的方便。斜支臂弧形閘門在閘門類型中三維建模難度較大，掌握了斜支臂弧形閘門的建模方法，其他類型閘門的建模則相對(duì)簡(jiǎn)單。

TV61 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）09—0004-03

2017-01-10