SolidWorks 在涔天河水库2#泄洪洞检修闸门三维设计中的应用

陈 亮

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

引 言

三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更立体化，更形象化的一种新兴设计方法。SolidWorks 软件是达索系统（Dassault Systemes）的重要产品，广泛应用于航空航天、机械、汽车、模具等众多领域，是一款主流的三维设计平台。

涔天河水库扩建工程大坝位于湘江一级支流潇水河上游的永州市江华瑶族自治县境内，是以灌溉、防洪为主，结合下游河道补水、发电、旅游开发等综合利用的大型水利水电工程。枢纽工程由面板堆石坝、1#泄洪洞、2#泄洪洞、放空洞、引水发电洞、电站厂房和灌溉渠首工程等主要建筑物组成。2#泄洪洞布置在放空洞右侧，进口设1 孔平面检修闸门和1 孔弧形工作闸门。

本文以2#泄洪洞进口检修闸门为对象，应用SolidWorks 软件进行闸门结构三维设计，建立闸门三维模型，并基于三维模型进行设计辅助应用和有限元静力分析。

1 闸门简介

1.1 闸门基本情况

2#泄洪洞检修闸门为大型平面闸门，设置在工作弧门前，孔口尺寸（宽×高）18 m×14 m，底板高程299.40 m，设计水位313.00 m，设计水头13.60 m。2#泄洪洞进口布置如图1。

图1 2#泄洪洞进口布置图

1.2 闸门设计简介

本闸门整体采用平面闸门型式，共有1 扇。因孔口尺寸较大，考虑经济性，闸门采用露顶式叠梁门，共分4 节，上两节结构型式一样，下两节结构型式一样（下文以上节、下节区分两种结构）。闸门静水启闭，首节考虑小开度提门平压，采用2×500 kN 台车配合液压自动吊梁分节起吊。平时闸门分节存放于闸后的存放槽中。

上、下节门叶均采用变截面工字型焊接主横梁，水平次梁采用标准型钢，滑块支承，侧轮导向，设双吊点。闸门采用下游止水，侧水封为“P”型橡皮，底水封为“I”型橡皮。闸门主材为Q345B。闸门主要特征参数见表1、表2。

表1 下节门叶主要结构参数

表2 上节门叶主要结构参数

2 SolidWorks 三维设计应用

2.1 SolidWorks 三维设计概述

SolidWorks 具有零件、装配体和工程图三大基本功能，很适合水工金属结构零件设计、部件设计和二维图设计的工作需求。应用SolidWorks 三维设计建模主要思路有自顶向下和自底向上两种，可单独采用，也可混合采用。主要方法是草图设计和特征建模。草图设计主要包括在选定工作平面上绘制点、线、圆、曲线等，这与传统二维CAD 很相似；特征建模主要包括拉伸、压缩、扫描、旋转、放样等，用于将基础二维草图实体化、直观化[1]。以草图和特征构造零件，将零件组装成部件（子装配），将零部件组装成具有设计功能的完整装配体（总装），这就是用SolidWorks 三维设计建模的常用操作方式。

2.2 闸门结构划分

本闸门门体结构是一个总装配体，由4 个子装配体（4 节闸门）组成。按设计功能单元划分，每一节闸门又包含门叶结构、止水结构、支承结构、导向侧轮结构和连接件这5 部分，每部分均视作小装配体，如门叶结构由板材、型钢焊接而成，止水结构由橡皮、压板组成。根据结构划分，以模块化的理念，分块进行模型搭建与组装，有助于提高建模工作效率，且易于模型检查和修改[2]。

2.3 闸门三维建模

基于SolidWorks 的闸门三维建模操作直观简洁，具有尺寸驱动的特点，草图、模型随着控制尺寸实时更新。

1）零件模型建立

零件建模就是先选择工作面，在工作面中进行草图设计，退出草图模式，进入零件设计模式，运用特征工具完成实体，再结合必要的圆角、倒角、阵列等修饰特征工具，完成几何实体。一般来说，板类、块类零件用拉伸特征，轴类、环类、轮系用旋转特征，有路径变化的用扫描特征。图2 为部分闸门零件模型。

图2 部分闸门零件模型

一个零件中可以有一个或者多个几何体，含有多几何体的零件叫多实体零件。门叶结构是由众多的板件焊接而成，可作为多实体零件。门叶结构的多实体建模，应用自顶向下的建模思路，先定义布置草图，将梁系的位置关系与之关联，实现参照建模，精简了结构尺寸换算工作量，保证设计质量。图3 为下节门叶三维多实体零件模型。2）装配体模型建立

图3 下节门叶多实体零件模型

装配设计就是通过定义约束将设计好的零件组装起来，成为一个完整的产品。所有的装配单元应具有唯一性和稳定性，不能有冗余元素存在。本闸门的构件较多且复杂，根据结构划分，采用了大型装配体模式，即先建立子装配体，再利用同轴、共面等配合关系将各个子装配体组装起来，成为一个完整的闸门装配。每个层级的装配，都有对应的结构树，可以快速查询修改装配信息参数。图4 为闸门总装模型。图5 为闸门安装实景。

图4 闸门总装模型

图5 闸门安装实景

2.4 模型应用

三维设计中，模型是基础，基于模型可以深化应用，发挥模型作用。

1）设计检查

三维总装模型包含了所有零部件的结构信息和装配约束信息。模型可以根据需要设置不同部位的颜色、透明度等渲染样式。通过模型可以直观视查形状造型和量测任何部位的结构尺寸。装配过程中可以检查零部件的设计是否合理，装配接口是否匹配。干涉检查可以快速发现结构中的干涉部位，便于及时改进。

2）统计计算

通过评估工具，可快速测量出零部件的体积、面积以及型心、重心等几何物理量。赋予材料属性后，可统计质量，用于闸门工程量统计、辅助计算闸门启闭力和确定起吊中心。

3）出工程图

利用模型直接调用工程图模板生成二维图，应用视图工具，抽取所需的视图，然后进行尺寸标注，添加设计说明，完善材料表，形成设计二维图[3]。二维图直接从模型转换来，只要保证模型准确，图中显示的视图就是正确无误的，相较于传统的二维制图，减少了繁琐的绘图工作量，提升了设计质量。结合模型的轴测视图，提高了二维图纸的可读性。图6 为下节门叶的施工图。

图6 下节门叶施工图

2.5 有限元分析

基于已有的三维模型，直接调用SolidWorks Simulation 模块对下节门叶进行有限元静力计算[4]。根据门叶结构的结构特点，进行面单元模型简化。定义材料，次梁为Q235B，其余为Q345B。定义连结为全局接触。添加主滑块对应的6 个工作面垂直方向位移约束，承重板竖直方向位移约束，边梁侧边侧向位移约束，其余为自由；添加梯形水压力载荷和重力荷载；完成壳网格划分；运行计算，查看结果[5]。

计算结果显示最大应力为195 MPa，位于下主梁与边梁连接处附近；主梁最大应力和位移位于下主梁跨中，应力大小为125 MPa，位移25.33 mm，主要结构强度、挠度均满足规范要求。图7 为下节门叶整体应力云图。图8 为下节门叶主梁位移云图。

图7 下节门叶整体应力云图

图8 下节门叶主梁位移云图

3 结 语

随着BIM 技术的发展，三维设计在水利工程设计中正在快速应用。本文以模块化理念对该平面闸门进行结构划分，应用SolidWorks针对性的进行三维建模，探索了适用水工闸门的三维设计思路、方法；基于模型进行设计检查、统计计算、出工程图的应用；三维模型结合有限元静力分析，验证设计成果。在设计作业中三维设计起到了很好的效果：三维模型立体直观，在结构细节设计中较二维设计更易理解；模型生成二维图，减少绘图工作，降低出错概率；结合有限元分析，辅助设计计算。

本文在三维设计过程中也面临模型修改不便、二维出图效率不高等问题，这些需要后续进行建模参数化研究和定制设计环境、文档模版来解决[6]。Simulation计算精度不够，需要对网格进行多次调整试算，可用于工程验证，若要进行理论研究还需应用专用有限元软件。