基于AutodeskInventor的平板钢闸门三维参数化建模方法

□吴 迪（河南建筑职业技术学院）

□祁建华（南水北调中线建设管理局河南直管局）

1.概述

在中、小型水利枢纽及水电站金属结构闸门中，平面钢闸门运用较为广泛，工程布置多在水库的输水洞、渠道及水电站进水口、尾水渠，是泄洪建筑物的重要组成部分。

随着一批大型水电工程的上马，坝工技术和辅助设计水平的提高使得钢闸门的设计趋于复杂化，迫切需要在传统设计的手段和思路上进行改革，以适应当前的设计趋势。在科技飞速发展的今天，产品设计已经进入到了全新的三维可视化设计阶段,三维参数化设计和二维设计相比有直观形象、容易事先发现设计缺陷等明显优越性，有助于提高设计质量和效率，缩短设计周期，保证设计质量。

2.三维参数化建模思想

参数化技术是用一组参数来约定设计对象的信息模型，通过参数之间的关系与参数和设计对象的信息模型的关系，部分参数的修改可以直接导致设计结果的自动修改。参数化技术在CAD软件中应用方便了零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性。

本文介绍的平板钢闸门三维参数化建模以AutodeskInventor制图软件为平台，采用目前先进的自顶向下的设计理念，它强调从设计实体入手，从设计实体上衍生出设计人员需要的分析计算模型，二维工程图模型，通过实体的参数化模型带动分析模型和二维工程图模型的改变，达到提高设计效率的目的。设计人员首先构建一个骨架模型，然后在此骨架模型上进行新零件的构建或已建零件的装配，通过添加装配约束使零件与骨架模型相关联，部分参数的修改可以直接导致设计结果的自动修改，从而实现参数化建模的思想。

3.平板钢闸门门叶装置的参数化建模过程

平板钢闸门一般是由可以上下移动的门叶结构、埋固构件和启闭闸门的机械设备3大部分所组成，本模型只是对平板钢闸门的门叶结构及装置进行了参数化建模。

图1 平板钢闸门的骨架模型图

3.1 门叶结构的参数化建模

3.1.1 主骨架的设计

以某拱坝平板钢闸门(事故检修闸门)为研究对象，先初步规划出该设备的主骨架。主要是门叶结构的构建，其他设备都是在门叶结构的基础上而建的。而门叶结构主要是对面板、主梁、次梁、边梁、横向隔板的空间位置的规划，由此构建了以下主骨架模型，如图2所示。

图2 添加装配约束图

本钢闸门门叶结构由底叶门叶结构、中叶门叶结构和顶叶门叶3部分组成，主骨架中不包含具体的零件，只是对平板钢闸门中面板、主梁、次梁、边梁、横向隔板的空间位置作出了规划，主骨架中包含了各个子装配体的设计基准，改变主装配体的参数，子装配体的空间位置也会相应的发生改变。

3.1.2 子装配和零件的设计

当代表顶层装配的骨架模型确定,设计基准传递下去之后,可以进行单个的零件设计。这里,可以采用两种方法进行零件的详细设计:一种方法是基于已存在的顶层基准,设计好零件再进行装配;另一种方法是在装配关系中建立零件模型。零件模型建好后,管理零件之间的相互关联性。用添加方程式的形式来控制零件与零件之间以及零件与装配件之间的关联性。

本文介绍的零件是在装配环境下的骨架模型上建立的，在构造骨架模型时创建了许多工作平面作为建立零件的参考面；在工作平面上新建草图，完成零件的二维轮廓绘制，尺寸是随意的，没有进行约束，处于欠约束状态；选取截面拉升设计厚度（也可参数约束），利用Inventor强大的自适应功能，将零件的各个面与框架的对应参考面添加相应的约束。零件会定位在相应的位置，它的尺寸与骨架模型对应的尺寸相关联。当框架的尺寸发生变化时，零件与它相关联的尺寸也发生相应的变化，从而实现参数化建模。

以底叶结构面板为例：

步骤1，在装配环境中单击“创建零部件”按钮，进行创建在位零部件设置，然后在草图环境中骨架模型所对应的参照面上进行面板的二维轮廓绘制，面板轮廓绘好后——右键菜单——点击结束草图——退出草图环境。

步骤2，零件转到了特征面板，单击“拉伸”按钮，进行相应的特征设置，单击“确定”按钮。然后单击右键，点击“完成编辑”按钮，结束零件特征，特征面板转到部件面板。

底门叶面板是创建的第一个零件，Inventor自动将该零件固定，要想实现零件的自由拉伸，必须右键单击该零件，弹出对话框，取消固定按钮前边的“√”，并且开启自适应按钮前边的“√”。

步骤3，零部件的装配约束：

单击“添加装配约束”按钮，出现添加装配约束对话框，点击“装配”中的“配合”，在“选择”中单击“第一次选择”选取面板的上边缘，单击“第二次选择”选取创建的工作平面，在“方式”中选取“表面平齐”选项，单击应用按钮。

按同样的方法，将底叶面板的其他三个面与所创建对应的工作面参加相应的约束，这样底门叶结构的面板就按设计要求固定在了主骨架模型上（图2）。当主骨架的尺寸发生变化时，对应面板的尺寸也会随主骨架尺寸的变化而变化，从而达到参数化建模的效果。

同理，把钢闸门门叶结构的其他面板、主梁、次梁、底梁、顶梁、边梁、吊耳等零件也建立在主骨架对应的参照面上，这样就完成了平板钢闸门门叶结构的参数建模工作（图3）。

图3 钢闸门门叶结构参数化建模效果图

3.2 平板钢闸门门叶装置的参数化建模

由于主轮装置、笼罩装置、止水装置、配重装置和反滑块装置结构比较复杂，所以是作为独立的零部件设计的。

零件的参数化设计流程为：创建零件→创建表→将表连接到现有零件→为现有特征尺寸制定参数→通过改变一个参数值来调整零件大小，利用AutodeskInventor的装配模块运用配合、对准角度、相切、插入等约束条件消除其自由度，将创建好的零件进行装配。最后在装配模块中对主轮装置、笼罩装置、止水装置、配重装置和反滑块装置添加相应的约束安装在平板钢闸门门叶结构上，至此平板钢闸门总装置的参数化建模工作完成，如图4所示。

3.3 平面钢闸门的干涉检查

利用Inventor进行虚拟零部件装配，零部件之间的装配约束设置不当，就有可能造成2个或多个零部件同时占用相同的空间。为了避免上述问题的出现，Inventor中设有干涉检查功能，在零部件交叠处，干涉部分临时显示为实体。

干涉出现后的修改方法：首先确定主因，例如螺栓和螺丝连接出现干涉，可能原因有：连接强度不够，尺寸设计不匹配；测定修改数据；修改模型特征；重新干涉检测，如果没有问题，说明模型准确可行。

3.4 工程图

图4 平板钢闸门门叶装置的参数化建模效果图

模型设计完成后，在AutodeskInventor工程图模块中，读取三维模型到IDW图纸中，通过投影消隐生成需要的各个视图，再添加中心线、尺寸配合、形位公差、粗糙度、技术要求等能清楚传达设计信息的各个要素，便成为指导设计生产和施工的平面图纸。

4.结论

本文以Inventor作为建模工具，以平板钢闸门作为研究对象，对其三维参数化建模进行了比较详细的叙述。通过上述参数化建模方法，可得出如下结论：

一是利用Inventor作为钢结构建模，具有形象直观、容易事先发现设计缺陷等明显优越性，有助提高设计效率，缩短设计周期，保证设计质量。

二是利用Inventor进行三维参数化设计的新理念，以特征为根本，采用自顶向下的架构方法，以参数化图形为依托，实现联动设计和参数化修改功能。

三是应用Inventor于钢闸门设计中的效果，对原来钢闸门设计思想的改造，并结合当前最新的设计理念，将闸门设计提高到一个新层次。同时对于其他机械的设计,具有很好的参考价值。

[1]陈红江，陈海兵.AutodeskInventorProfessional案11例精解[M].中国电力出版社，2008.

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[3]陈伯雄.InventorR6机械设计应用[M].机械工业出版社，2003,3.