水电工程论文：三维软件对水电工程的作用思考

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本文作者：刘敦煌 单位：长江科学院水力学研究所

在力学研究中，需要对建筑物在不同条件不同状态下进行系统的观察和测定，从原型数据中分析得到力学规律，这是最为可靠的方法。但是实际问题中，多数课题必须逆向研究，即根据力学相似原理预先在实验室，以适当的比例尺缩小建造模型以及配套的设备，完整准确地表现与原型成一定比例的力学现象，间接呈现原型建筑物状态和各种参数。因此，物理模型的设计制作是准确呈现原型数据的重要基础。通常物理模型的主要要素是几何形态、材料属性和运动规律等。基于传统的二维设计，采用二维设计软件以及机械制图与画法几何知识完成平面形状，然后再根据相关原理作分析计算才可完成。但在In-ventor软件设计里，首先定义模型材料的属性，然后在二维状态绘制平面形状，再转化为具有三维形式的立体形状零件，在作尺寸与公差标注的同时，也可即时修改零件外形。完成了全部零件后，接着进行装配设计，在装配设计过程中还可以对零件形状作逆向修改。最后根据选定的材料属性，得到物理参数，进行必要的强度刚度校核。在实际设计使用中，Inventor软件可以较快地绘制形状，设计者可以留有较多的时间考虑零部件功能、作用、关联等实质内容。而且在物理模型尚未建造之前，就可通过装配完成的虚拟模型，作预先的观察与评估。

葛洲坝水利水电枢纽大江排砂孔进水口底板高程为28m，其淹没水深约为38m。为了观察研究排砂孔进水口门底板的流态及砂砾运动规律，设计钢结构的支架带着水下摄像仪器安装到进水口门底板上，实时观察记录水下砂砾流动过程。设计的支架结构如图1所示，根据排砂孔进水口门以及水下观察部位结构，确定支架轮廓尺寸为8000mm×3000mm×1200mm(宽×高×长(水流方向))。用Inventor软件进行设计，选用圆形钢管并确定了其材料属性。由支架的作用要求与边界条件拟定各个构件的结构，进行构件几何设计和工艺造型，然后装配各构件成型，节点电弧焊连接，组成完整支架。进一步可以将焊缝的物理特性输出到电子表格，在实际制作中查询各个焊道的名称、类型、长度、面积等参数。最后还可根据构件受力状态，作应力与变形分析［2］，在此基础上，修改构件与整体几何尺寸。在软件中将其模拟安装到进水口底板，在实际应用的部位观察边界及相关条件，确定几何尺寸与功能作用效果，最后完成设计，出图制造。在设计过程中，各个构件的质量以及支架整体质量等非几何数据同步在设计全过程中传递与共用。设计特点:①采用相同管径的钢管材料(管壁厚8mm)焊接成形;②支架上安装5台摄像仪器与照明设备，分别有多个自由度，根据流态作调整，覆盖需要观察的范围;③对支架设有位置限制构件和顶紧固定机构，水下安装与拆卸过程迅速可靠;④支架整体具有足够的自重，在动水条件下，工作稳定牢固;⑤结构形状影响水流流态最小。在葛洲坝水利水电枢纽现场使用表明，支架结构简洁实用，设计尺寸准确，仪器安装方便牢固可靠;摄像范围大，捕捉到全部信息。高效可靠的设计，是顺利进行水力学观测，取得数据，完成合同的重要技术支撑。

在工业与工程建设等行业，已广泛应用三维软件设计产品。Inventor三维软件设计功能强大，界面清晰，应用十分广泛，上述例子仅仅是三维软件工具最基本的应用。软件中的管路设计、线路设计等功能，同样也能在水利水电工程中有重要应用，如枢纽的监测仪器信号电缆以及压力管道埋设路径设计等。我们可以看到，设计的过程，就是策划、构想所设计对象的形状、装配、制造、使用等细节，将这样的设想变成可以实施的结果方案。可见创成式的设计，最重要的是设计者必须清楚地知道产品的作用与功能，并据此设计出它的结构、材质、运动等参数和最终形状。设计中的相关要素，在设计的全过程中要反复调整和配凑，是任何设计全过程中始终存在的动作，只有智能化的设计软件才会提供如此重要的功能。通过应用我们可以得到，设计就是模拟加工、模拟装配、模拟使用，这就是当今计算机辅助设计软件最具特色的功能和作用。用Inventor软件设计的过程中，一开始就以三维方式思考，完全进入三维模型中，从零件受力、运动和动力结果以及全部零件的关联，表达出优化设计后的全部物理参数，从而建立了充分而完整的设计数据库。以此为基础，进一步进行零件的应力分析、运动分析、装配干涉分析，最后给出正确率高的二维加工图和三维示意图，完成设计。因此对于创成式设计，三维设计功能较二维设计效率高，而且由此生成的外观色彩、动作仿真和动画演示，对完成设计任务以及争取市场合同都会产生更好的效果。在工程建设以及科学研究全过程中，用图形来表达成果是非常重要的形式。往往技术人员比较专注其自身专业的前沿科学技术，因此采用十分强大的具有通用性能的设计软件为必备的图形工具，就显得非常重要。通过借鉴机械专业的优秀设计软件的应用，提高科学技术研究综合能力，更好地为水利水电工程和科学研究服务。