浅议CAD技术在铁闸门零件设计中的应用

踪灿

【摘 要】针对传统铁闸门零件中设计方法不合理，设计任务大，效率低，设计与数字工程建设需求脱节等问题，结合CAD技术和优化设计理念，提出了数字化的新思路。深入探讨了铁闸门的设计，形成了一套适用于铁闸门的新思路。详细介绍了设计的方法，重点介绍了其建模技术，模型转换技术和工程分析技术。

【关键词】铁闸门;数字设计;CAD技术

铁闸门是可移动的挡水结构，其放置在水力结构的溢流孔处。其主要功能是控制水位和调节流量。近年来，随着中国水电资源的开发，越来越多的高坝已经建成。同时，配套钢闸也呈现出高水平，大规模发展的趋势，对铁闸门的设计在安全性，可靠性和经济性方面提出了更高的要求。该方法简单但不考虑结构的空间效应和自重效应，因此计算结果不能准确反映实际结构行为。随着计算机技术的发展，空间结构分析方法得到了迅速发展，并广泛应用于铁闸门结构的分析计算。结果更接近铁闸门的实际工况，因此空间结构的计算方法可以最大限度地提高结构安全性和经济性的统一性。

一、铁闸门零件数字化设计方法

为了充分利用各自领域的优势，本文提出了CATIA作为建模软件和ANSYS作为铁闸门数字化设计方法的工程分析软件。Steel Gates的传统设计经历了数据收集和分析、部件的设计和计算绘图等过程。在继承上述传统设计思想的基础上，铁闸门数字化设计将CAD数字模型与CAE工程分析功能相结合，形成一个整体。新的完整设计系统实现了计算方法和绘图方法的实质性转换。

1.1数字设计系统的组成

根据铁闸门的结构特点和基本设计要求，探索并形成了一套技术可行，方便快捷的铁闸门数字化设计系统。在建立主体模型的基础上，利用模型转换技术将几何模型转化为有限元模型，避免了CAE分析的重复建模。通过将模拟结果与规范的允许值进行比较，可以实现结构验证的目的，并且还可以提供进一步优化的标准。结构优化意味着通过调整主要结构模型的布局，尺寸和属性，可以改变空间布局位置，尺寸关系，材料属性甚至部件类型，从而提高设计产品的性能，减少投资成本。在该系统中，如果整个或部分产品的机械性能不能满足规范要求，或者结构满足要求但材料利用率低，则应修改模型的控制参数，应再次进行工程分析，直至获得更合理的力和最佳经济性的门结构。主体结构定型后，为了使设计的铁闸门起到灵活调度，储存和水控制的作用，有必要利用标准模板数据库组装必要的零件，形成一个完整的铁闸门结构。在整个三维CAD模型的基础上，投影相关的二维工程施工图，完成图纸设计任务。总之，铁闸门的数字化设计是基于产品的初步设计，并进行有限元分析，并反馈分析结果来指导修改。

1.2 CAD建模技术

1.2.1参数相关设计和参数管理

参数化设计不仅是三维设计的灵魂，也是设计思想的综合体现。其实质是解决设计约束的数学方法。设计图形元素过程中所需的数字信息通过参数相关联，通过修改参数可以实现模型驱动的功能，大大提高了模型生成和修改的速度。因此，它在产品系列设计，相似性设计和优化设计中具有很高的应用价值。在CATIA中，可以通过直接修改系统参数，用户参数或使用公式，设计表，规则和其他方法来间接修改参数，以达到驱动模型更改的目的。铁闸门中有许多几何元素和复杂的关系。每个基本组件功能都可以生成一系列参数，并且很难识别和管理大量参数。因此，一方面，结合每个部件的优化设计的意图，减少了设计独立参数，然后减少了参数总数;另一方面，根据门的功能特性和装配级别，执行标准化命名，并创建相应的参数管理表。

1.2.2骨架相关性设计思想

通常，为了便于制造和加工存在一些规则，因此更适合使用轴网作为模型框架。该方法的优点是可以通过轴网的参数快速均匀地修改铁闸门的结构布局，并且可以控制铁闸门的整体尺寸和梁系统布局。它也非常符合设计师的设计理念，因此设计师可以更专业。关于结构形式的布局和优化的注意事项。

1.2.3铁闸门的标准模板

模板根据装配级别分为三类：零件模板，零件模板和装配模板。作为底部模板，零件模板是通过面向对象的设计构建的。面板，主梁，次梁和隔板用作统计感应的独立基本类型。结合参数化设计，以超级副本或用户特征的形式形成通用模板类型或系列模型。组件模板基于部件模板形成，门和叶片段作为单元。由于需要安装和制造以及运输条件的限制，铁闸门通常是分段设计和制造的。每个部分的空间配置和大小基本相同。因此，以机械叶片为单元建造铁闸门更为有效。装配模板以铁闸门结构为单位，主要考虑普通铁闸门的相似性，为了重复使用工程结果，建模效率最高。

1.3 CAD模型转换技术

在建立铁闸门CAD模型时，为了提高CAE计算和分析的效率，避免重复建模工作，应实现从三维实体模型到有限元模型的转换。通用大型通用有限元分析软件为几何模型导入预留了数据接口，可以直接与数据交互。考虑到铁闸门的大多数部件由焊接在一起的薄壁钢板组成，厚度方向的尺寸远小于其他两个方向的尺寸。为了平衡计算速度和精度之间的约束关系，有必要将实体模型转化为表面模型，然后将其划分为相应的板壳单元进行有限元分析。壳单元用于模拟中厚度结构。

二、工程应用

2.1几何模型和有限元模型

以西部某大型水电站进水口快速机械的数字化设计為例，众所周知，铁闸门为平面滑动机械，基础海拔2690.0 米，设计高水位2715.0 米，孔径为9.0米×10.0米（宽度*高度，下同）的水下孔，止水尺寸为9.15米×10.1米，支撑跨度。距离为9.6米，水量重量为10.0kN / m3。操作方式为动态关水和静水开启。

2.2有限元结果与分析

根据代码检查主要部件的强度和刚度。在检查铁闸门强度时，应首先确定材料的允许应力，这与钢板的厚度直接相关。另外，考虑到栅极和工作条件的重要性，在计算元件的允许应力时，调整系数通常乘以[0.9，0.95]。考虑到项目的具体情况，该值为0.9。面板本身也与梁系统一起受到整体弯曲，因此应乘以弹塑性调整系数b/a>3，取1.5;b/a3，取1.6。

第四强度理论用于检查铁闸门的强度。只有等效应力小于元件的允许应力才能满足强度要求。主梁和次梁的应力变化是一致的。

2.3结构优化

从以上分析可以看出，机械的初步设计符合相关规范的要求，具有较高的安全性和富裕度。为了达到安全运行和经济优化的设计目标，可以通过修改属性参数和尺寸参数来调整整体梁系统的布局和一些部件的尺寸，从而实现结构的整体优化。参数化几何建模方法与参数化命令流分析模式相结合，使调整和再分析操作简单方便。从静力分析的结果来看，优化模型的应力分布和变形规律与预优化模型基本相同，但峰值应力增大，最大位移略有增加，但均在允许范围内。

三、结论

针对传统钢闸设计中设计方法不合理，设计任务大，设计与工程数字化建设断开等问题，提出了一套铁闸门数字化设计方法。实现了CAD 设计与计算在铁闸门数字化设计过程中的集成，有效地解决了设计模型与计算模型之间的转换。结合大型平面铁闸门的设计工作，详细阐述了三维参数化建模，有限元模型转换，铁闸门结构计算和优化的数字化设计的主要内容，具有一定的优势。设计人员通过数字方式设计铁闸门具有一定的参考价值。

参考文献

[1]王可，陈智海，王蒂，王启行.基于CATIA的钢闸门参数化建模技术研究[J].人民长江.2016（02）.