CATIA V5在平面闸门三维设计中的应用

2018-07-02韩云峰蔡一飞王国花

水利与建筑工程学报 2018年3期

韩云峰，蔡一飞，王国花

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

CATIA是法国达索公司(Dassault System)推出的高级计算机辅助设计、制造和分析软件，包括机械设计、形状设计、分析模拟、ACE工厂、加工、数字化装配、设备系统、制造数字化处理、知识工程模块、ENOVIA CPM等模块。CATIA具有独特的装配草图生产工具，支持欠约束的装配图绘制，可以进行快速的概念设计，将原来的二维设计变为三维仿真设计，使设计成果变得直观可靠。其中知识工程模块能够很好的解决知识重复使用的问题，从而得到用户的青睐。设计人员能够使用CATIA系统高效快速的建立三维模型，并应用知识工程模块实现模型的参数驱动。

1 CATIA软件功能介绍

CATIA三维协同设计平台可以满足水利水电工程的可行性研究、初步设计、技术施工等不同阶段的设计需求。其统一的三维设计数据模型能保证规划、水工、金属结构等各专业间数据统一及数据的更新，可以较快地实现方案的比较，缩短工程设计周期。

2 参数化的设计思想

参数化建模方法是用参数、公式及表格等模型特征来驱动整个模型的改变，可以节省大量的绘图时间，将设计人员从繁重的绘图工作中解脱出来，保证设计准确性的同时又提高了设计效率。

CATIA系统参数化模型主要依靠系统参数、用户自定义参数、设计表及规则等来驱动，CATIA系统中为用户提供了很多参数类型，包括实数、整数、字符、常数、长度等。利用公式工具创建模型特征参数，通过公式编辑器完成参数对特征的关联控制。设计表可以从外部Excel表导入，同时也可以将参数导出到Excel表[1]。用户依据要建立模型的基本资料，分析模型的相关控制特征，提取特征并建立与特征对应的参数，利用参数关联建立三维模型，最终实现模型的参数驱动。

利用CATIA软件建立参数化三维模型，通过参数来驱动整个模型的改变，极大地减少重复性的工作，提高工作效率。但是，当模型较为复杂，模型中参数过多、参数间关联性过强时，改变参数可能会出现错误。因此，建立模型之前对模型特征参数的分析提取便十分重要。总之，尽管参数化建模有许多优势，但仍然有许多方面需要完善和提高，需要更多、更深入的研究来推动参数化建模的发展[2-6]。

3 CATIA零件设计

在CATIA平台下，零件设计分为模型建立，模型参数化过程，模板建立三个步骤，以平面闸门的侧轮装置为对象，依据模板制作流程，建立了平面闸门侧轮装置的CATIA模型模板。并在平面闸门门叶骨架的相应位置上给定一个点和面，将侧轮装置作为模板插入。模板可进行参数驱动，并可多次引用，大大提高了工作效率。流程图见图1。

图1设计流程图

3.1 模型建立

侧轮装置轮廓设计包括底板及轴套设计、轮子及轴套设计、筋板轮廓设计。依据设计资料，得出设计参数，并应用公式编辑器将设计参数关联设计草图，通过参数来驱动草图轮廓如图2所示。

图2侧轮装置草图轮廓

然后利用“凸台”工具将底板草绘截面沿X轴拉伸10 mm，得到底板实体，然后利用“旋转体”工具,将轴与轮子的草绘截面绕X轴旋转360°，最后，进入筋板轮廓所在平面，利用“凸台”工具将筋板的草绘截面进行拉伸，定义凸台的第一二限制尺寸都为10 mm。最终，生成的实体模型如图3所示[7]。

图3侧轮装置实体模型

修改设计表或设计参数，更新模型，即可达到模型的整体改变，极大地减少了重复建模过程，节约建模时间。

3.2 模型参数化过程

侧轮装置包括底板、加强筋、轴、轴套、轮子等结构，将其参数按照结构进行分组，不同的参数组导出到Excel中，形成设计表，最终达到通过修改Excel表单来驱动整个三维模型的目的。经过对平面闸门侧轮装置特征的分析，本文将参数分为四组，分别是底板参数、加强筋参数、轴参数、轮子参数及轴套参数。CATIA中的参数分组及结构形式如图4所示。

建立参数后，通过设计表功能建立对应的设计表，并将设计表格导入到Excel中。修改关联的Excel表单，整个侧轮装置的模型便会自动更新，随之而变[8-10]。

3.3 模板建立

创建超级副本，将参数、关系、设计过程等选定，在设计过程中，我们将侧轮模板定义为给定一个点和一个平面，即可将侧轮作为模板插入到零件中相应的位置。如图5所示。

图4 平面闸门侧轮装置参数组

图5定义侧轮装置超级副本

超级副本创建完成后，进入闸门门叶骨架的界面，从选择实例化，再次进入模板界面，选择刚制作好的超级副本，在闸门门叶骨架上选择将要插入模板的定位点及相应的面，如图6所示。完成模板的引用与插入。

图6模板引用与插入

4 CATIA装配设计

三维建模较二维建模直观，可以清晰地表达实物。二维图纸容易受到空间模型复杂性的影响，导致二维图纸表达实物不清楚，甚至发生错误，尤其在项目建设的前期阶段。

工程设计中，由于受多种因素的影响，修改设计方案和图纸在所难免，大量的修改工作会耽误设计进度，且其中有大量重复性。CATIA V5给工程技术人员提供了三维可操作性较强的设计平台。可以正确的为工程技术人员提供工程所需的三维及二维图。可以从概念设计到详细设计。

以平面闸门为例介绍怎么利用CATIA V5中的“零部件设计”模块生成平面闸门的实体模型。首先在XY基准面上绘制平面闸门的轮廓草图，如图7所示。然后利用“凸台”工具，将草绘截面沿Z轴拉伸一定的距离。生成平面闸门的基本骨架。

图7平面闸门门叶骨架草图轮廓

等工程所需的零部件模型创建完成后，在CATIA 的装配模块进行零部件的装配。零件和子装配的数据可以方便地重用，可以灵活地定义平面闸门各零部件之间的约束关系，实现零件的自动定位，并检查装配件之间的一致性。平面闸门三维设计模型如图8所示。

图8平面闸门三维模型

5 工程制图

CATIA绘制工程图通过工程制图模块实现。工程制图模块分为创成式工程制图及交互式工程制图两种。创成式工程制图可以很灵活地从三维设计平台上生成相关水利水电工程所需的闸门设计图纸；而交互式工程制图可以让工程技术人员更直观的方式进行闸门的二维设计，同时也可以很方便地生成CAD图形交互的文件格式[11-15]。

模块工程制图模块与草图设计模块有许多相似之处，都能够创建和编辑二维图；其不相同的是，草图设计模块将绘制的二维图(见图9)只是提供给三维建模模块创建三维形体，二维图形的制图是工程制图模块的功能之一。

图9由模型生成的二维图

6 结论

介绍了CATIA三维建模方法及模板制作的详细过程，采用参数化方法分析并提取了侧轮装置的结构特征参数，依据此参数建立了侧轮装置的三维模型，修改参数或设计表便可达到改变整个三维模型的目的。同时，对侧轮装置创建模板，给予一个点和平面便可将其进行引用，增加了其重复使用的可能，提高了工作效率。在水工金属结构设计中，一些螺栓、螺母等装置大量重复使用，如果能将其进行参数化，创建模板，在以后的使用中，将会提供极大的方便。但是，当模型较为复杂，模型中参数过多、参数间关联性过强时，改变参数可能会出现错误，因此，建立模型之前对模型特征参数的分析提取十分重要。总之，尽管参数化建模和模板制作有许多优势，但在很多方面仍然需要完善和提高，需要更多、更深入的研究来推动三维建模的发展。

三维设计的基石是基础的零件库，传统做法是将零件进行归纳总结后，每一个零件均单独绘制三维模型，这种方法基础工作量太大，不容易实现。而且，当零件出现局部修改时，不能做出相应的调整。基于CATIA平台的参数化零件库有效地解决了上述问题，同类零件及具有相似外型，相似参数组成的，相似装配方式的零件可以只建立一个有效的参数化零件模板即可，极大地减少了重复工作的强度。但水工金属结构设计中，零件种类繁多，变化复杂，仍然需要大量的基础工作，才能满足日新月异的工程需求。

参考文献：

[1] 李胜，李敬泽.平面闸门三维参数化设计应用探讨[C]//中国水电工程顾问集团公司2011年青年技术论坛论文集.北京：中国水利水电出版社，2011：287-291.

[2] 马文龙．平面钢闸门三维建模与数值计算的研究与应用[D].郑州：华北水利水电大学，2014.

[3] 杨贵海，徐礼锋．基于MS的水工钢闸门三维设计[J].江淮水利科技，2015(2)：12-13.

[4] 李月伟，陈智海，齐文强．水工钢闸门设计系统计算模块的编制[J].人民长江，2016，47(1)：48-50.

[5] 李强，李谧，冉丽利．CATIA文档模板在水工闸门设计中的应用[J].水电站设计，2015,31(1)：5-9.

[6] 王蒂，李月伟，胡一亮．基于CATIA参数化钢闸门模型的工程分析与优化[J].人民长江，2016，47(1)：56-58.

[7] 王可，陈智海，王蒂，等.基于CATIA的钢闸门参数化建模技术研究[J].人民长江，2016，47(2)：32-35.

[8] 刘燕强，张延忠，朱建和．基于Bentley Microsation的水工钢闸门三维参数化设计[J].河北水利，2016(9)：41-41.

[9] 关超年．基于“一多法”的三维设计标准化建模[C]//中国水电工程顾问集团公司2011年青年技术论坛论文集.北京：中国水利水电出版社，2011：283-286.

[10] 关超年．一种三维参数化闸门设计的新思路——一体化建模，多配置装配[C]//中国水电工程顾问集团公司2011年青年技术论坛论文集.北京：中国水利水电出版社，2011：297-301.

[11] 水利水电工程钢闸门设计规范：SL 74—2013[S].北京:水利水电出版社，2013.