2021-4-10 | 建筑工程
摘 要：应用目前先进的自顶向下的设计理念，使用三维Autodesk Inventor软件为工具,以平板钢闸门门叶装置为例,详细介绍了主骨架模型与主导零件相结合的参数化建模方法及虚拟装配中各零件之间的干涉检查, 此参数化设计思路对于其他机械的设计,具有很好的参考价值。
关键词：平板钢闸门;三维参数化设计;Autodesk Inventor ;骨架模型;自适应
一、概述：在中、小型水利枢纽及水电站金属结构闸门中，平面钢闸门运用较为广泛，工程布置多在水库的输水洞、渠道及水电站进水口、尾水渠，是泄洪建筑物的重要组成部分。
随着一批大型水电工程的上马，坝工技术和辅助设计水平的提高使得钢闸门的设计趋于复杂化，迫切需要在传统设计的手段和思路上进行改革，以适应当前的设计趋势。在科技飞速发展的今天，产品设计已经进入到了全新的三维可视化设计阶段, 三维参数化设计和二维设计相比有直观形象、容易事先发现设计缺陷等明显优越性，有助提高设计质量和效率，缩短设计周期，保证设计质量。
二、三维参数化建模思想
参数化技术是用一组参数来约定设计对象的信息模型，通过参数之间的关系与参数和设计对象的信息模型的关系，部分参数的修改可以直接导致设计结果的自动修改。参数化技术在CAD软件中应用会方便了零件的设计修改过程，提高了设计效率和准确性。
本文平板钢闸门三维参数化建模以Autodesk Inventor制图软件为平台，采用目前先进的自顶向下的设计理念，它强调从设计实体入手，从设计实体上衍生出设计人员需要的分析计算模型，二维工程图模型，通过实体的参数化模型带动分析模型和二维工程图模型的改变，达到提高设计效率的目的。因此，我们首先构建一个骨架模型，然后在此骨架模型上进行新零件的构建或已建零件的装配，通过添加装配约束使零件与骨架模型相关联，部分参数的修改可以直接导致设计结果的自动修改，从而实现参数化建模的思想。
三、平板钢闸门门叶装置的参数化建模过程
平板钢闸门一般是由可以上下移动的门叶结构、埋固构件和启闭闸门的机械设备三大部分所组成，本模型只是对平板钢闸门的门叶结构及装置进行了参数化建模。
1、门业结构的参数化建模
（1）主骨架的设计
以某拱坝平板钢闸门(事故检修闸门)为研究对象，先初规划出计出该设备的主骨架。主要是门叶结构的构建，其他设备都是在门叶结构的基础上而建的。而门叶结构主要是对面板、主梁、次梁、边梁、横向隔板的空间位置的规划，由此构建了以下主骨架模型，如图2所示。
本钢闸门门叶结构由底叶门叶结构、中叶门叶结构和顶叶门叶三部分组成，主骨架中不包含具体的零件，只是对平板钢闸门中面板、主梁、次梁、边梁、横向隔板的空间位置作出了规划，主骨架中包含了各个子装配体的设计基准，改变主装配体的参数，子装配体的空间位置也会相应的发生改变。
（2）子装配和零件的设计
当代表顶层装配的骨架模型确定,设计基准传递下去之后,可以进行单个的零件设计。这里,可以采用两种方法进行零件的详细设计:一种方法是基于已存在的顶层基准,设计好零件再进行装配;另一种方法是在装配关系中建立零件模型。零件模型建立好后,管理零件之间的相互关联性。用添加方程式的形式来控制零件与零件之间以及零件与装配件之间的关联性。
本文零件是在装配环境下的骨架模型上所建立的，在构造骨架模型时创建了许多工作平面作为建立零件的参考面；在工作平面上新建草图，完成零件的二维轮廓绘制，尺寸是随意的，没有进行约束，处于欠约束状态；选取截面拉升设计厚度（也可参数约束），利用Inventor强大的自适应功能，将零件的各个面与框架的对应参考面添加相应的约束。零件会定位在相应的位置，它的尺寸与骨架模型对应的尺寸相关联。当框架的尺寸发生变化时，零件与它相关联的尺寸也发生相应的变化，从而实现参数化建模。
以底叶结构面板为例：
1）在装配环境中单击“创建零部件”按钮，进行创建在位零部件设置，然后在草图环境中骨架模型所对应的参照面上进行面板的二维轮廓绘制，面板轮廓绘好后---右键菜单---点击结束草图--退出草图环境。
2）零件转到了特征面板，单击“拉伸”按钮，进行相应的特征设置，单击“确定”按钮。然后单击右键，点击“完成编辑”按钮，结束零件特征，特征面板转到部件面板。
底门叶面板是创建的第一个零件，inventor自动将该零件固定，要想实现零件的自由拉伸，必须右键单击该零件，弹出对话框中，在取消固定按钮前边的“√”，并且开启自适应按钮前边的“√”。
3）零部件的装配约束：
单击“添加装配约束”按钮，出现添加装配约束对话框，点击“装配”中的“配合”，在“选择”中单击“第一次选择”选取面板的上边缘，单击“第二次选择”选取创建的工作平面，在“方式”中选取“表面平齐”选项，单击应用按钮。
按同样的方法，将底叶面板的其他三个面与所创建对应的工作面参加相应的约束，这样底门叶结构的面板按我们的设计要求固定在了主骨架模型上（图3）。把主骨架的尺寸发生变化时，对应面板的尺寸也会随主骨架尺寸的变化而变化，从而达到参数化建模的效果。
同理，把钢闸门门叶结构的其他面板、主梁、次梁、底梁、顶梁、边梁、吊耳等零件也建立在主骨架对应的参照面上，这样完成了平板钢闸门门叶结构的参数建模工作
2、平板钢闸门门叶装置的参数化建模
由于主轮装置、笼罩装置、止水装置、配重装置和反滑块装置结构比较复杂，我们是作为独立的零部件设计的。