淺議CAD技術在鐵閘門零件設計中的應用

1、    淺議cad技術在鐵閘門零件設計中的應用    蹤燦【摘 要】針對傳統(tǒng)鐵閘門零件中設計方法不合理，設計任務大，效率低，設計與數(shù)字工程建設需求脫節(jié)等問題，結合cad技術和優(yōu)化設計理念，提出了數(shù)字化的新思路。深入探討了鐵閘門的設計，形成了一套適用于鐵閘門的新思路。詳細介紹了設計的方法，重點介紹了其建模技術，模型轉換技術和工程分析技術?！娟P鍵詞】鐵閘門;數(shù)字設計;cad技術鐵閘門是可移動的擋水結構，其放置在水力結構的溢流孔處。其主要功能是控制水位和調節(jié)流量。近年來，隨著中國水電資源的開發(fā)，越來越多的高壩已經建成。同時，配套鋼閘也呈現(xiàn)出高水平，大規(guī)模發(fā)展的

2、趨勢，對鐵閘門的設計在安全性，可靠性和經濟性方面提出了更高的要求。該方法簡單但不考慮結構的空間效應和自重效應，因此計算結果不能準確反映實際結構行為。隨著計算機技術的發(fā)展，空間結構分析方法得到了迅速發(fā)展，并廣泛應用于鐵閘門結構的分析計算。結果更接近鐵閘門的實際工況，因此空間結構的計算方法可以最大限度地提高結構安全性和經濟性的統(tǒng)一性。一、鐵閘門零件數(shù)字化設計方法為了充分利用各自領域的優(yōu)勢，本文提出了catia作為建模軟件和ansys作為鐵閘門數(shù)字化設計方法的工程分析軟件。steel gates的傳統(tǒng)設計經歷了數(shù)據(jù)收集和分析、部件的設計和計算繪圖等過程。在繼承上述傳統(tǒng)設計思想的基礎上，鐵閘門數(shù)字化設

3、計將cad數(shù)字模型與cae工程分析功能相結合，形成一個整體。新的完整設計系統(tǒng)實現(xiàn)了計算方法和繪圖方法的實質性轉換。1.1數(shù)字設計系統(tǒng)的組成根據(jù)鐵閘門的結構特點和基本設計要求，探索并形成了一套技術可行，方便快捷的鐵閘門數(shù)字化設計系統(tǒng)。在建立主體模型的基礎上，利用模型轉換技術將幾何模型轉化為有限元模型，避免了cae分析的重復建模。通過將模擬結果與規(guī)范的允許值進行比較，可以實現(xiàn)結構驗證的目的，并且還可以提供進一步優(yōu)化的標準。結構優(yōu)化意味著通過調整主要結構模型的布局，尺寸和屬性，可以改變空間布局位置，尺寸關系，材料屬性甚至部件類型，從而提高設計產品的性能，減少投資成本。在該系統(tǒng)中，如果整個或部分產品的

4、機械性能不能滿足規(guī)范要求，或者結構滿足要求但材料利用率低，則應修改模型的控制參數(shù)，應再次進行工程分析，直至獲得更合理的力和最佳經濟性的門結構。主體結構定型后，為了使設計的鐵閘門起到靈活調度，儲存和水控制的作用，有必要利用標準模板數(shù)據(jù)庫組裝必要的零件，形成一個完整的鐵閘門結構。在整個三維cad模型的基礎上，投影相關的二維工程施工圖，完成圖紙設計任務。總之，鐵閘門的數(shù)字化設計是基于產品的初步設計，并進行有限元分析，并反饋分析結果來指導修改。1.2 cad建模技術1.2.1參數(shù)相關設計和參數(shù)管理參數(shù)化設計不僅是三維設計的靈魂，也是設計思想的綜合體現(xiàn)。其實質是解決設計約束的數(shù)學方法。設計圖形元素過程中

5、所需的數(shù)字信息通過參數(shù)相關聯(lián)，通過修改參數(shù)可以實現(xiàn)模型驅動的功能，大大提高了模型生成和修改的速度。因此，它在產品系列設計，相似性設計和優(yōu)化設計中具有很高的應用價值。在catia中，可以通過直接修改系統(tǒng)參數(shù)，用戶參數(shù)或使用公式，設計表，規(guī)則和其他方法來間接修改參數(shù)，以達到驅動模型更改的目的。鐵閘門中有許多幾何元素和復雜的關系。每個基本組件功能都可以生成一系列參數(shù)，并且很難識別和管理大量參數(shù)。因此，一方面，結合每個部件的優(yōu)化設計的意圖，減少了設計獨立參數(shù)，然后減少了參數(shù)總數(shù);另一方面，根據(jù)門的功能特性和裝配級別，執(zhí)行標準化命名，并創(chuàng)建相應的參數(shù)管理表。1.2.2骨架相關性設計思想通常，為了便于制造

6、和加工存在一些規(guī)則，因此更適合使用軸網作為模型框架。該方法的優(yōu)點是可以通過軸網的參數(shù)快速均勻地修改鐵閘門的結構布局，并且可以控制鐵閘門的整體尺寸和梁系統(tǒng)布局。它也非常符合設計師的設計理念，因此設計師可以更專業(yè)。關于結構形式的布局和優(yōu)化的注意事項。1.2.3鐵閘門的標準模板模板根據(jù)裝配級別分為三類：零件模板，零件模板和裝配模板。作為底部模板，零件模板是通過面向對象的設計構建的。面板，主梁，次梁和隔板用作統(tǒng)計感應的獨立基本類型。結合參數(shù)化設計，以超級副本或用戶特征的形式形成通用模板類型或系列模型。組件模板基于部件模板形成，門和葉片段作為單元。由于需要安裝和制造以及運輸條件的限制，鐵閘門通常是分段設

7、計和制造的。每個部分的空間配置和大小基本相同。因此，以機械葉片為單元建造鐵閘門更為有效。裝配模板以鐵閘門結構為單位，主要考慮普通鐵閘門的相似性，為了重復使用工程結果，建模效率最高。1.3 cad模型轉換技術在建立鐵閘門cad模型時，為了提高cae計算和分析的效率，避免重復建模工作，應實現(xiàn)從三維實體模型到有限元模型的轉換。通用大型通用有限元分析軟件為幾何模型導入預留了數(shù)據(jù)接口，可以直接與數(shù)據(jù)交互?？紤]到鐵閘門的大多數(shù)部件由焊接在一起的薄壁鋼板組成，厚度方向的尺寸遠小于其他兩個方向的尺寸。為了平衡計算速度和精度之間的約束關系，有必要將實體模型轉化為表面模型，然后將其劃分為相應的板殼單元進行有限元分

8、析。殼單元用于模擬中厚度結構。二、工程應用2.1幾何模型和有限元模型以西部某大型水電站進水口快速機械的數(shù)字化設計為例，眾所周知，鐵閘門為平面滑動機械，基礎海拔2690.0 米，設計高水位2715.0 米，孔徑為9.0米×10.0米（寬度*高度，下同）的水下孔，止水尺寸為9.15米×10.1米，支撐跨度。距離為9.6米，水量重量為10.0kn / m3。操作方式為動態(tài)關水和靜水開啟。2.2有限元結果與分析根據(jù)代碼檢查主要部件的強度和剛度。在檢查鐵閘門強度時，應首先確定材料的允許應力，這與鋼板的厚度直接相關。另外，考慮到柵極和工作條件的重要性，在計算元件的允許應力時，調整系數(shù)通

9、常乘以0.9，0.95?？紤]到項目的具體情況，該值為0.9。面板本身也與梁系統(tǒng)一起受到整體彎曲，因此應乘以彈塑性調整系數(shù)b/a>3，取1.5;b/a3，取1.6。第四強度理論用于檢查鐵閘門的強度。只有等效應力小于元件的允許應力才能滿足強度要求。主梁和次梁的應力變化是一致的。2.3結構優(yōu)化從以上分析可以看出，機械的初步設計符合相關規(guī)范的要求，具有較高的安全性和富裕度。為了達到安全運行和經濟優(yōu)化的設計目標，可以通過修改屬性參數(shù)和尺寸參數(shù)來調整整體梁系統(tǒng)的布局和一些部件的尺寸，從而實現(xiàn)結構的整體優(yōu)化。參數(shù)化幾何建模方法與參數(shù)化命令流分析模式相結合，使調整和再分析操作簡單方便。從靜力分析的結果來看，優(yōu)化模型的應力分布和變形規(guī)律與預優(yōu)化模型基本相同，但峰值應力增大，最大位移略有增加，但均在允許范圍內。三、結論針對傳統(tǒng)鋼閘設計中設計方法不合理，設計任務大，設計與工程數(shù)字化建設斷開等問題，提出了一套鐵閘門數(shù)字化設計方法。實現(xiàn)了cad 設計與計算在鐵閘門數(shù)字化設計過程中的集成，有效地解決了設計模型與計算模型之間的轉換。結合大型平面鐵閘