基于CAD的进水闸仿真建模技术研究

关莉莉，侯黎黎

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475004）

基于CAD的进水闸仿真建模技术研究

关莉莉1，2，侯黎黎1，2

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475004）

通过仿真模型可以验证设计方案是否正确和工程运行管理是否合理。以进水闸为例，分别从建模的思路、建模的技巧及应用等方面阐述三维实体的仿真建模技术。运用这些技巧可以快速地、准确地建立仿真模型。

进水闸；仿真建模；建模思路；建模技巧

0 引言

随着水利行业信息化进程的加快，仿真技术开始受到水利行业的重视。将仿真技术应用于水利工程的模拟仿真和综合管理，可以实现工程方案可视化和工程信息集成管理等功能，从而在工程方案比选、施工管理和调度仿真等方面发挥重要作用［1］。怎样快速、准确、优化的建立三维可视化模型是仿真技术在水利工程中应用的最关键环节。要实现这个关键环节，可视化建模技术是一个强有力的工具。

人们从图形上接受信息要比从文本或表格中接受信息更快，三维模型的修改与更新也更直观、更快捷［2～3］。目前，用于三维建模的软件主要有CAD、3DMAX、Creator、UG、Inventor、Solidworks等 ，我们可以根据建筑物的复杂程度，来进行选取。对于复杂的形体，工程上一般用CAD进行构造三维实体模型，这主要是因为其他软件对形状复杂的形体难以构建，且不便修改。另外，用CAD建模，对于具有CAD一定基础的教师或工程技术人员，简单易学、上手快。

CAD实体建模技术应用于仿真设计中，主要是根据一定的约束条件，直接用鼠标将一些几何元素或者若干个单元绘制在屏幕上，或者通过CAD自带的编程语言绘制实体，也可以利用模型库中已有的元件通“交”、“差”、“并”等形式，将几何体运算拼合成实体空间几何模型。

三维模型的建立，不但需要掌握化整为零的思路，还需要掌握一些技巧。本文以地物进水闸为例，在读图完成并对模型结构分析后，根据填筑的材料以及各部分结构的不同，将进水闸分为上游连接段、闸室段和下游连接段，根据结构的不同，分别研究可视化建模的思路、方法、技巧及应用等问题。

1 进水闸上游连接段建模

1.1 建模思路

图1 进水闸上游连接段二维视图Fig.1 Two-dimensional draw ing of intake gate upstream connection piece

进水闸上游连接段由护底、护坡、圆弧翼墙等结构组成，主要作用是引导水流平顺地进入闸室，防止水流冲刷河床和岸坡、降低渗透水流在闸底和侧旁对水闸的不利影响。通过对二维图形（如图1所示）的分析，上游连接段的建模可分为两部分：护底和护坡看作一个整体，用特征面法直接创建；圆弧翼墙用特征面的拉伸或扫掠创建，用复制旋转命令将扶臂移动到圆弧翼墙的正确位置。各部分建模完成后，直接或间接的用布尔运算的差集和并集得出上游连接段的三维效果图（如图2所示）。

图2 进水闸上游连接段三维效果Fig.2 Three-dimensional draw ing of intake gate upstream connection piece

1.2 建模技巧和应用

在上游连接段建模时，运用的技巧主要是特征面拉伸法和布尔运算的运用。

特征面法是创建三维模型比较基本的方法，主要是将拉伸的特征端面绘制出来，然后进行拉伸。但是，特征面的运用需要建立在读图能力比较强的基础上，只有分析视图的能力强，才能想象出形体的立体空间模型，从而找出形体的特征面，再进行拉伸。所以，绘制人员的读图能力提高了，才会运用自如。

圆弧翼墙是曲面结构，用特征面法直接轴向拉伸是得不到的，需要建立曲导线才能得到。然而，路径的曲导线放置位置是工程技术人员操作的难点。因为曲导线的位置不同，用其做出来的模型与实际模型的大小就不一样。如图3所示，绘制出圆弧翼墙特征面和曲导线，将同一条曲导线放置在不同位置，拉伸效果不同。因为圆弧的半径不同，曲线的长短也不一样，用一根曲线拉伸会出现截然不同的结果。若在俯视图中绘制出不同位置的曲线，然后放在特征面的对应位置进行拉伸，得出的实体就一样了，如图4所示。因此，在进行特征面拉伸时，应该先分析视图，绘制出正确位置的路径，再进一步拉伸。在水工建筑物中，为了使水流平顺、改善建筑物的受力状况或增强工程结构的功能，往往将建筑物建成曲面结构。所以，对类似曲面建模的研究是非常有意义的［4］。

图3 翼墙相同曲线在不同位置的拉伸效果Fig.3 Stretch results of same curves of w ing wall in different positions

图4 翼墙不同曲线在不同位置的拉伸效果Fig.4 Stretch results of different curves of w ing wall in different positions

布尔运算的运用在三维建模中比较常用，能掌握一定的技巧是非常实用的。如本段的护底护坡与圆弧翼墙的连接就是一个难点，两部分直接用布尔运算差集是得不到的。若在圆弧翼墙部分绘制一个大点的辅助组合柱，或者是沿着圆弧翼墙做一个稍大的曲面（如图5所示），将其与护底和护坡部分进行差集，再与圆弧翼墙并集，绘制者就会发现，得到的效果是一样的。

图5 辅助组合柱面和曲面的方法Fig.5 M ethod of assisting combination column and surface

2 闸室段建模

2.1 建模思路

闸室段是进水闸的主体，一般由闸底板、中墩、边墩、胸墙、牛腿和上部结构等组成，主要作用是控制水位、连接两岸和上下游。根据对闸室段二维平面图（如图6所示）的分析，将闸底板、中墩、边墩、胸墙、牛腿5个部分采用特征面法分别建模，再将各个部分按正确的位置放置，最后组合一起，效果如图7所示。这就是化整为零的思路。

图6 闸室段二维视图Fig.6 Two-dimensional draw ing of lock chamber section

图7 闸室段三维效果图Fig.7 Three-dimensional draw ing of lock chamber section

2.2 建模技巧和应用

闸室段模型的建立主要运用到视图的转换和模型之间的定位问题。

在三维视图中，可以运用平面视图中的当前UCS（C）、世界UCS（M）、命令UCS（N），通过坐标和角度的转换来实现三维视图的转换，但这种方法太繁琐。在创建三维模型中，可根据需要，在单个视口和多个视口之间进行切换，运用三维视图中的6个基本视图和东南、西南等4个轴测图来转换视图。也可以根据形体的特征，选择合适的视图，绘制二维图形，然后运用构建三维图形的方法完成实体的创建。绘图者只要具备比较强的读图能力，对视图的概念等有比较深的理解，便能自如地通过转换视图来绘制图形。如闸室段中闸底板的绘制，可将前视状态打开，绘制闸底板的底面形状图（如图8所示），当转换到西南等轴测状态中时，运用三维拉伸命令按尺寸进行拉伸，就得到了闸底板的模型图（如图9所示）。

在闸室段模型的建立中，还有一个关键点就是，中墩与闸底板的定位。如果没有二维图形，直接在三维界面绘制，定位需要另外做辅助线；如果已经做好了二维图形，这种定位问题操作起来就更容易些。即，在“俯视”状态，首先，将中墩的特征面进行面域；其次，在边墩上做一条辅助线；最后，在到三维图中，以辅助线为基点，直接定位。这种方法操作起来比较简单，但是要建立在二维图形的基础上。所以，在条件不同的情况下，应该采用不同的方法。如果闸底板是平底板，可以直接绘制拉伸，比较好定位；如果闸底板是斜底板，应该用辅助线法绘制。

图8 闸底板主视图纵断面形状Fig.8 Bottom shape of center gate floor of front view

图9 闸底板等轴测图Fig.9 Floor models of SW isometric measurement

3 下游连接段

3.1 建模思路

下游连接段一般由消力池、海漫段等组成，主要作用是引导水流平顺地出闸和均匀地扩散，防止下游河床及岸坡的冲刷。根据对二维图形（如图10所示）的分析，消力池段主要由带透水孔的底板和边墙组成，这两部分都可以用特征面法得到；海漫段主要由护底和扭曲面组成，可以将这两部分看作是一个整体，用放样的命令创建出三维实体，效果如图11所示。

3.2 建模技巧和应用

在下游扭曲段模型的建立中，关键的问题就是，运用放样命令时导线的选取。绘图者经常会遇到由于没有合理绘制导线，致使创建的模型与实际建筑物形状不符的情况。如在本段的扭曲面中，两端面的边数是一样的，首先绘制出两端面，如果不用导线直接放样，效果如图12所示，显然与实际形体不符。如果用一条导线放样，效果如图13所示，符合实际形体。如果按对应点全部连出导线，再放样，效果如图14所示。通过体积的查询和二维图形的对比，连一条和连多条导线的放样效果是一样的。但是，这是建立在两端面边数一样的基础上。所以，在两端面的形状不一样、但边数一样的情况下，连接一条以上的导线，就能得到所需要的实体。

图10 下游连接段二维视图Fig.10 Two-dimensional draw ing of downstream connection piece

图11 下游连接段三维效果图Fig.11 Three-dimensionaldraw ing of downstream connection piece

图12 扭曲面无导线放样效果图Fig.12 W arp surface w ithout w ire lofting effect

图13 扭曲面一条导线放样效果图Fig.13 W arp surface w ith one w ire lofting effect

图14 扭曲面全部导线放样效果图Fig.14 Warp surface with full w ires lofting effect

在三维建模中，还经常会出现移动不到位的问题。即，在一个视图中，观察位置是正确的，但转换视图后就错位了。就像扭曲面的两端面，想要放样两端面，必须保证两端面在同一个底面上。那么，想要保证一步移动到位，就需要进行极轴的设置（一般可将极轴设置为90°或30°）。进行极轴设置后，不仅大大提高了创建三维模型的准确度，也提高了绘图的速度。

扭曲面主要应用在水闸、渠道等输水建筑物矩形与梯形过水断面的过渡段。该段建筑物形体不规则，空间形状难以想象，应用建模技术模拟仿真该形体，对设计人员优化设计、施工人员计算工程量等都有重要意义。

4 结语

综上所述，运用仿真CAD技术时，运用一些建模的技巧，如特征面法、视图的转换、放样导线法等，可以快速地、准确地建立仿真模型。通过仿真模型的建立，可以用来验证设计的正误、观察竣工的效果，还可以从实体模型上计算出工程量。所以，运巧妙的建模技术创建出仿真模型，推动了水利工程行业的发展。

［1］崔巍.水利工程虚拟仿真系统开发技术与实践 ［M］.北京：中国水利水电出版社，2012：1－11.

［2］钟登华，宋洋.大型水利水电工程建筑物三维可视化建模技术研究［J］.水利水电技术，2003（4）：62－65.

［3］张圣敏.AutoCAD中文版入门与实战［M］.北京：电子工业出版社，2009：300－316.

［4］曾令宜.AutoCAD2012工程绘图技能训练教程：土建类［M］.北京：高等教育出版社，2014：217－243.

[责任编辑 杨明庆]

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2015-01-07

黄河水利职业技术学院青年科研基金项目：仿真技术在水闸设计与施工中的应用研究（2013QNKY002）。作者简介：关莉莉（1981-），女，河南开封人，讲师，主要从事工程制图、计算机绘图教学与研究工作。