平板钢闸门数字图形模板库的建立与应用

尹伟波，孙 凯，魏鲁双

(1.华北水利水电学院，河南郑州450045;2.中国科学院大学，北京100049)

水工钢闸门结构形式复杂，出图量大，制约了钢闸门优化设计水平和与相关专业的协调设计.目前钢闸门三维设计多半是利用软件已有功能来构筑物理模型，然后利用手工进行工程图制作.尤其是钢闸门设计过程中的材料清单生成等工作完全依赖人工进行，费时、费力［1］.三维建模依赖于具体项目的单体，在图形的架构、分类及划分层次中没有进行科学的管理，图形的可移植性和重复利用率低［2］.因此，在钢闸门设计中提供属于不同层次、不同级别的模板是快速化建模的关键，也是提高设计水平和效率的有效途径.

笔者对平板钢闸门的主要结构进行了归类，使用基本构件的形状信息、属性参数和约束参数构筑了构件的信息模型［3］，以网轴线作为驱动骨架，并建立了构件各级别、各层次的数字图形模板库.

1 构件分类

构件的分类是三维建模中的关键一环，直接影响着建模的速度和效率以及用户的操作体验.分类过于具体(如所有结构都以板材处理)，则导致建模繁琐，不利于提升建模的速度和质量.分类过于粗略(如将门叶作为一个整体)，则会使模型失去灵活性和适应性.因此，笔者认为比较合适的分类依据为:①各构件能够作为文献［4］中独立的计算单元，以便和计算部分衔接;②各构件中使用的板材规格一般不超过3种;③各构件的分类考虑层次和级别，以便和出图部分衔接.根据上述基本原则，确定闸门构件的分类如图1所示.

在图1构件分类的基础之上，总结平板钢闸门常用的结构型式，主要包括以下3种.

1)零件和标准件［3，5］.零件的特征是能由起始位置、结束位置和截面决定;标准件的特征是符合各种规范.

2)组合件.由零件、标准件和轴线组合而成，零件和标准件附着于轴线之上，随着轴线的变化而相应变化，零件和标准件能够自由拆卸.

3)项目工程.由组合件、零件和轴线组合而成，组合件和零件附着于轴线之上，随着轴线的变化而相应变化，零件和组合件能够自由拆卸.

对平板钢闸门设计所使用的构件进行分类［6］:①零件级别包括20多个大类、150多个子类和400多个实例模型;②组合件级别包括120多个类;③项目级别包括25套模板.

2 数字图形模板库的建立

使用面向对象的编程语言VB.Net对各模板按图形数据方法进行汇编，即可得到平板钢闸门的数据图形模板库.

2.1 零件和标准件模板库

零件在使用时，首先需要选择截面类型和样式，然后选择生成路径(以起始点和结束点代替)，即可生成(拉伸、放样、扫略)构件.钢闸门构件大部分属于这类构件，比如主梁、次梁、边梁等各种梁系.标准件是符合规范的各种标准件，诸如螺栓、螺母等.零件的数字图形模板库如图2所示.

图2 零件图形模板库

2.2 组合件模板库

组合件一般由定位位置和参数组成［7－8］.模板中首先需要使用约束(对齐、匹配、角度、插入)设定三维模型和参数，并确定整体插入位置.使用时选择插入点并确定参数即可生成构件.钢闸门构件中的封水结构和门槽结构一般属于该种类型.组合件的数字图形模板库如图3所示.

图3 组合件图形模板库

2.3 项目模板库

在组合件和零件的基础之上组合成项目模型库.把钢闸门所包括的门叶结构、门槽结构、水封结构等以整套模板存储起来，供相似项目进行快速移植.项目图形模板库如图4所示.

图4 项目图形模板库

在上述图形模板库基础上构建的各种项目级模板均可存入该项目级别模板库中，以实现钢闸门三维建模的智能累积功能.

3 数字图形模板库的应用

利用Inventor软件提供的面向对象的API二次开发接口，笔者所在团队利用多年来总结的一系列关于三维设计的理论和方法［3，5－8］，提出了基于 Inventor平台的平板钢闸门智能设计系统，并把数字图形模板库应用到该系统的快速建模当中.图5是从组件模板库中生成的模型.

图5 单节门叶模型

4 结语

在对钢闸门分类分层的基础上，构建了面向对象的数据图形模板库，能够为钢闸门的快速建模提供大量准确精细的三维模型，实现了钢闸门建模的智能积累，提高了设计的精度和效率.

［1］吴玉光，朱灯林.平面钢闸门集成CAD软件设计［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(1):44－47.

［2］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(1):17 －21.

［3］魏群，张国新，尉军耀，等.拱坝三维可视化设计软件的开发与应用［J］.天津大学学报，2008，41(9):1087－1090.

［4］编者不详.DL/T 5013—95水利水电工程钢闸门设计规范［S］.北京:电力工业出版社，1995.

［5］尹伟波，魏群，姬广坤.基于 BRep的自动装配技术在Inventor上的实现［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(6):23－26.

［6］华北水利水电学院钢结构与工程研究院.智能钢闸门设计系统研发报告［R］.郑州:华北水利水电学院钢结构与工程研究院，2012.

［7］魏群，姬广坤，尹伟波.基于深层分析的方法的Inventor二次开发［J］.华北水利水电学院学报，2010，31(5):1－5.

［8］魏群，张国新.岩土工程图形计算力学的概念方法及应用［J］.岩土工程学报，2008，27(10):2043 －2050.