水利水电行业中应用三维设计的探讨

王海

【摘 要】所有的水利水电工程建筑物都是空间结构，虽然设计人员在对其进行设计会使用平面投影图、剖面图以及立面图等来对工程的结构进行描述，但是实际上其在最初进行设计的时候的构思也三维立体的，而如果直接采用三维图案进行设计，有利于将工程结构的空间形状反应出来，对建筑物的空间关系进行详细的描述，从而确保工程量计算的精确性。

【关键词】水利水电行业；三维设计；应用

一、三维设计系统的应用原则

三维设计系统是一种既可独立，又可分散，并且还可以集成的一种信息集成系统。所有的三维设计系统均是建立在数据库之上的，数据库的建立直接关系到整个三维设计系统的运行，故在数据库建立的过程中应遵循以下几点原则：第一，构建项目分层结构，以及相应的编码标准；第二，构建专门的使用方法和标准。例如，通过构建专门的接口管理程序对信息进行处理，从而保证各个专业提供信息的正确性和有效性；第三，构建专门的工程数据库，以及相应的项目数据库，并根据工程的情况建立相应的模型、图纸以及治疗，在不断积累资料的过程中还需要确保数据信息的统一性，从而使数据库中各个专业的资源共享；第四，数据库中的数据信息应该要遵循“唯一”原则，也就是同样的数据只需要建立一次，并且在以后的工作中可以多次反复使用，从而房子数据信息之间出现冲突；第五，以采购成熟的商业软件为基础，根据工程的功能需求，开发自身的接口程序以及部分没有的软件，从而有效保证三维设计系统的统一性和规范性。

二、水利水电工程中三维设计软件的应用

对水利水电工程来说，其使用的三维设计软件应该是将CAD/CAE/CAM等功能集于一身的比较大的集成化的系统。本文主要对三维设计软件中的CATIA软件在水利水电工程中的应用进行探讨。

（一）软件功能概况

CATIA软件包括了产品从概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成到人机交换等实用模块。该系统的特点主要包括以下几点：第一，具有完全相关性，在该软件中对任一部分进行修改，都会立即反映到相关的其它内容中去；第二，具有真正的管理并发进程，以及实现并行工程的能力；第三，该软件的装配功能非常强，在实际操作的过程中能将设计人员的设计意图始终保持下来；第四，使用方便，可以有效提高设计人员的设计效率。目前，该软件主要在一些技术比较高端的技术制造领域中广泛应用、如汽车、航天等，并且还获得了非常好的应用效果。而在水利水电工程中引入该软件，主要是为了直接或者间接的应用它的技术。

（二）复杂工程建模

1.工程案例。本次研究选取某水电站作为研究对象，该水电站的进水口是由一个进水塔和进水引渠组成的，进水塔属于岸塔式进水塔，其采用的是双层取水方式进行取水，长232m，宽32.15m。塔顶的平台高程832.5m，建基面高程745.5m。塔下的地基岩体主要为微风化的新鲜的沉积角砾岩或者花岗岩，整块岩体的完整性比较好。

2.构建模型。使用CATIA系统建立三维模型的过程中主要会使用到该软件的装配设计和零件设计两功能来进行：（1）装配设计功能。该功能的主要作用在与合理表达装配模型，通过使用层次分明的模型，在进行装配的过程中应该从下到上，从最下层的子装配体往上逐渐进行配置，直到将最上层的装配体配置好。（2）零件设计功能。该功能主要是对工程模型的零件进行设计，在对零件进行设计的时候，主要是做实体造型。首先对工程结构中特征进行分析，分析出哪些是基本特征，然后再对各个特征创建的顺序进行判定。

3.有限元分析。CATIA软件是一个包括了CAD/CAE/CAM等功能于一体的三维参数化软件，它给给水利水电工程提供了非常强大的，并且使用边界的工程分析模块。通过使用该模块，非专业的分析的设计人员也只需要在该模型上添加载荷以及约束，就能够迅速进行初级的有限元分析，从而得出软件分析系统对设计模型的验证。

（三）CATIA和ANSYS软件的联合使用

1.软件组合的作用。ANSYS具有功能强大、兼容性强、便捷性强以及计算效率高等优点，但是面对一些复杂的大型结构工程，该软件在进行建模以及分析等工作的时候往往需要工作人员话费巨大的精力来进行，而如果要对结构设计进行改动的时候，会严重影响建模工作的正常进行。而CATIA软件具有非常强大的造型功能，但是和ANSYS等专业有限元分析软件对比之下，其在这方面的功能还有许多不足之处。因此，在对于水利水电工程等大型复杂的结构件进行三维建模以及有限元分析的时候，通过合理使用软件集成方法，可以将各个软件的优点充分发挥出来。

2.CATIA模型导入ANSYS软件的修正和重构。目前，ANSYS软件已经具有了和CATIA直接相连的接口，可以直接将CATIAMODEL文件读取出来，并进行相应的修改。在CATIA软件中，各个零件的曲面分别由它们自己的线段构成，相邻的两个曲面之间也没用共同使用同一个边界线。这样往往就无法实现ANSYS软件中网格划分对数据信息的要求。因此，应该先将零件上重复的线及线上的点删除掉，然后再使用相加功能将剩余的线连接到一起，从而保证相邻的两个曲面有共用的边界线。此外，还应该将一些比较小的特征删除掉，然后将它们所在的面合并入相邻的面中。在将实体模型完成后，即可进行后续的计算工作。

参考文献

[1] 张社荣，顾岩，张宗亮等.水利水电行业中应用三维设计的探讨[J].水力发电学报，2008，27（3）.

[2] 黄鹤飞.三维设计在水利水电行业中的应用探讨[J].科技资讯，2009（26）.

[3] 麦麦提吐孙·库尔班，艾拉提·托克逊.试论三维设计在水利水电中的应用[J].陕西水利，2014（2）.

[4] 李会兴，曹继富，陈授玺等.水利水电中的三维设计应用[J].城市建设理论研究（电子版），2013（21）.

[5] 杨建城.重力坝三维设计平台下实体地质创建与智能开挖模块开发[D].天津大学，2010.endprint