斜支臂弧形闸门三维建模及技术分析

师小小，郭一萌，陈思奇，胡艳玲

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.华北水利水电大学，河南郑州450046；3.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

斜支臂弧形闸门三维建模及技术分析

师小小1，郭一萌2，陈思奇3，胡艳玲1

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.华北水利水电大学，河南郑州450046；3.水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

主要介绍了斜支臂弧形闸门三维建模的方法及难点，阐述了三维建模的重要性，并列举了察尔森除险加固工程溢洪道弧形工作闸门利用Solidworks设计建模的例子，结合工程实例，对斜支臂弧形闸门的三维建模方法做了简要介绍，并对其中的难点做了详细的解答。

斜支臂；弧形闸门；支臂结构；装配体；Solidworks

1 概况

弧形闸门是水利水电工程中普遍采用的门型之一，具有结构简单、启闭力小、操作简单、水流条件好等优点。因此，在泄水建筑物中，尤其是高水头、高流速状态下使用的更为普遍，能够有效的降低气蚀对门槽造成的损害以及因局部开启造成的振动等。

目前水利行业采用的计算机辅助设计软件仍然以AutoCAD的二维平台为主，在此平台下，设计者首先要在头脑中想象出弧形闸门的实体结构。需要具备极强的三维空间想象力，并对弧形闸门足够熟悉，才能比较顺利的绘制出弧形闸门的二维图。对于表孔弧形闸门，以斜支臂结构二维图的绘制最为复杂。斜支臂夹角、扭角等数据都要经过详细的计算才能确定，然后绘制于二维图中，从想象中的三维实体到图纸上的二维平面图绘制，过程复杂。

三维设计软件在近几年的工程设计中运用的越来越普遍，它的优势在于能够直接将设计目标用三维的视角呈现给设计者，实现目标物体的可视、可测。这样一来，之前介绍的斜支臂夹角、扭角等复杂数据不用计算就能从所建模型中直接测得，直观高效。

2 斜支臂弧形闸门建模方法及难点解析

斜支臂弧形闸门整体是一个装配件，整个装配件包括门叶结构、支铰结构、支臂结构、主轮装置、侧轮装置、水封装置、紧固件等，其中门叶结构、支臂结构为焊接件，支铰结构为子装配件，子装配件中又包含了活动铰链、固定铰座等零部件。在Solidworks软件中，也分为装配体、子装配体、零件3个层次，在建模时分别对应于装配件、子装配件、零件（焊接件）。零件是组成装配体及子装配体的基础，在Solidworks中，建模方式分为自底向上和自顶向下的装配体建模，弧形闸门的建模方式采用后者。首先新建弧形闸门装配体，然后在弧形闸门装配体中新建门叶结构零件（门叶结构为焊接件，用焊件模板建立门叶结构），门叶结构建模完成后，再新建支臂结构零件（支臂结构同门叶结构为焊接件，用焊件模板建立支臂结构），最后在闸门装配体中新建一个子装配体，用于支铰结构的建模。其余零部件根据其特征（零件或子装配体）在闸门装配体中新建零件或子装配体。在门叶结构、支臂结构、支铰结构的建模过程中，利用关键点定位及三者之间的关系作为基础，进而控制闸门整体布局，实现弧形闸门的建模。

下面以察尔森出险加固工程中溢洪道12 m×14.6 m-14.187 m（宽×高-水头）弧形工作闸门为例，介绍在Solidworks软件中斜支臂弧形闸门建模的难点。

2.1 闸门装配体

弧形闸门的三大部分（门叶结构、支臂结构、支铰结构）建模各有难点，其中难度最大的部分是支臂结构，其次是支铰结构，然后是门叶结构。

新建一个装配体，保存并命名为闸门总装配体。

2.2 门叶结构建模难点

门叶结构为焊件结构，在闸门总装配体中选择新零件时，应选择焊件模板。

由于门叶结构在各部分中首先建立，所以在其建模过程中应为之后支臂结构、支铰结构的建模以及闸门总装配体的展现做好准备，并应考虑弧形闸门总体的建模，这也是弧形闸门建模的要点。

进入门叶结构的编辑状态，选择右视基准面作为弧形闸门侧视图的基准面，将原点作为弧形闸门支铰中心，以原点为基准，由弧门门叶半径等参数定义弧形闸门面板外缘底部的位置，这样门叶结构的两个主要定位点确立。首先拉伸形成面板实体，然后在右视基准面上建立草图，用于主梁、小梁结构在面板上的定位。如图1所示

图1 定位草图（单位：mm）

定位草图完成后，仍以右视基准面为基础建立上、下主梁腹板、翼缘横截面草图，通过拉伸、切除的方式生成主梁。小梁的建立分情况而定，若小梁是钢板焊接组合结构，则小梁的建模方式与主梁相同，在主梁草图中，同时绘制出小梁截面草图，用与主梁相同的方式生成小梁；若小梁为型钢结构，在Solidworks的焊件模板中的焊件菜单中，提供了结构件功能，用此功能生成小梁，首先在面板内弧面上用3D草图功能，以图1所示定位草图为基础，建立结构件草图，如图2，退出草图，选择结构件菜单生成小梁；若小梁的间距比较均匀，也可通过圆周阵列的方式建立小梁。

图2 结构件草图（单位：mm）

2.3 支臂结构建模难点

造成斜支臂结构建模困难的原因主要在于其复杂的空间结构，首先在俯视图上，斜支臂与门叶结构主梁形成一个夹角，其次在侧视图上，上下两支臂形成夹角，然后在支臂与支铰的活动铰链接触面上，又形成一个扭角，从而很难想象支臂在空间的样子，让人无从下手。

同门叶结构一样，新建零件（选择焊件模板）。上下支臂轴线相交于一点，与支铰中心重合，上、下支臂上下对称，对称面通过上、下支臂轴线所形成角的角平分线并垂直于上、下支臂轴线所形成的平面，因此可先绘制出下支臂，再通过镜像绘制出上支臂。首先绘制下支臂轴线：建立基准面，该基准面通过支铰轴线和下主梁中心面，在该基准面上绘制支臂轴线，一端通过支铰中心点，另一端通过门叶结构主梁中心面与相应位置隔板中心面交线上并与主梁后翼缘上的垫板表面重合。然后通过支铰中心点，并垂直于下支臂轴线绘制基准面，在此基准面上绘制下支臂截面草图，然后通过拉伸特征成形到门叶结构主梁后翼缘垫板表面，再对支臂前段做相应处理，加上前端板、隔板等。接着用同样的方式绘制上支臂轴线及上、下支臂轴线夹角角平分线，建立上、下支臂对称中心面，然后通过镜像绘制上支臂。最后用拉伸切除特征切割掉支臂后端多余部分，用拉伸特征绘制支臂后端板、支臂连接板、加强板、竖支撑、斜支撑等，完成支臂绘制。

2.4 支铰结构建模难点

支铰结构的建模难点在于活动铰链。首先在闸门装配体中新建子装配体（选择装配体模板），保存（选择外部保存）并命名为支铰结构。在支铰子装配体中新建零件（活动铰链和固定铰座为铸钢件，选择零件模板），保存并命名，方式同门叶结构和支臂结构。首先新建固定铰座，固定铰座的建模要点在于准确无误的确立其空间位置关系（活动铰链竖直方向对称中心面与固定铰座竖直方向对称中心面构成一个夹角α，即斜支臂水平偏角），为之后活动铰链建模打好基础。完成固定铰座建模之后，新建活动铰链模型，以固定铰座为参考，建立活动铰链轴孔部分，活动铰链轴孔与固定铰座轴孔同轴心。以支臂结构为参考，建立活动铰链与支臂接触的座板部分，座板法线方向与支臂轴线同方向，然后通过放样凸台/基体菜单建立两者之间的筋板等特征，从而完成活动铰链部分建模。之后依次建立支铰轴、轴套等零件，完成支铰结构的建模。

新建零件完成水封、水封压板等绘制，在相应零部件上建立螺栓孔，装配螺栓、螺母等紧固件，完成整个闸门装配体的建模。

3 结语

近些年三维计算机辅助设计软件在水利行业中的大型设计院及大型的水利工程中越来越多的应用，掌握其设计方法变得越来越重要。察尔森出险加固工程溢洪道弧形工作闸门的建模、二维施工图全部在Solidworks三维设计软件上进行，设计思路清晰、设计成果直观，工作效率高且质量高，同时给校核、审查工作带来极大的方便。斜支臂弧形闸门在闸门类型中三维建模难度较大，掌握了斜支臂弧形闸门的建模方法，其他类型闸门的建模则相对简单。

TV61 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）09—0004-03

2017-01-10