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CATIA V5在水工金属结构设计中的应用论文
摘要：
以某水工钢闸门的悬臂轮装置为例，介绍了基于CATIA软件的三维零件设计、装配、干涉分析、有限元分析、工程制图、数据转换。
关键词：CATIA V5；水工金属结构；三维零件设计；装配设计；有限元分析
1、引言。
CATIA(Computer-aided Three-dimensional Interactive Application)软件是由法国Dassault System公司开发的，广泛应用于航空航天、汽车、机械、电子等方面的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。它的集成解决方案覆盖了几乎所有的产品设计与制造领域。
水工金属结构系泛指应用于水利水电工程中的各种永久性的钢结构和机械设备，在这些钢结构和机械设备当中最基本和应用最广泛的是各类闸门、阀门及相应的启闭机械。对水利水电工程而言，各种水工金属结构设备合理的布置，正确的设计、优良的制造安装质量，对于保证工程正常和安全运行是十分重要的。
随着现代CAD软件技术的发展，从事水工金属结构的设计人员早已淘汰了手工绘图的图板，全面的转向CAD的二维绘图时代，从而明显降低设计成本，缩短设计、生产准备周期，浓缩和提炼优秀的设计经验，提高产品设计水平。在CAD所涉及的众多应用技术中，二维工程图与三维模型关联技术的应用，标志着工程制图不仅只是借助CAD软件的视图绘制工作，更重要的是体现设计思想和确定技术要求的设计工作。
本文以某水工钢闸门的悬臂轮设计为例，浅析CATIA V5软件在水工金属结构设计中的三维造型、装配、干涉分析、有限元分析、工程制图的应用。
2、悬臂轮结构简介。
某水工钢闸门，整个模型基于CATIA V5软件三维建模、装配而成。主要由面板、梁系及行走支承的悬臂轮组成。因此处篇幅有限，故选取其中比较有代表性的悬臂轮装置为例详细的介绍此部分基于CATIA V5软件的零件建模、装配、有限元分析步骤。
悬臂轮装置的装配图，可以看出悬臂轮装置主要由滚轮、轴、自润滑轴套、轴端挡板等组成。滚轮可以绕轴自由旋转，轴端挡板可以限制滚轮在轴向上的位移，并且可以防止滚轮在水中工作时，较大的颗粒状物体进入轴套内。
3、基于CATIA的零件设计和装配设计。
零件设计是机械设计的第一步，首先在一系列基准平面上绘制草图轮廓，然后利用零件设计的特征操作生成基本实体，最后通过对基本实体进行修饰、变换及布尔运算等操作生成最终的零件。在通常情况下，利用零件设计工作台和草图工作台的默认工具栏就可以完成零件实体设计，但对于复杂形体来说可能涉及更多的工作平台。
以滚轮为例介绍如何利用CATIA中的“零部件设计”模块生成滚轮的实体模型。首先在YZ基准面上以Y轴为对称轴绘制滚轮的截面草图。然后利用“旋转体”工具，将草绘截面绕Y轴旋转360°，生成的滚轮“毛坯”。选取滚轮“毛坯”的上端面为基准面，绘制直径D=105mm的圆，利用“凹槽”工具，类型选择“直到最后”，便完成了滚轮上的轴孔。
利用“孔”工具可以较为方便的在滚轮的端面“钻”出已攻丝的螺栓孔。在“孔”工具的弹出对话框中可以选择孔的深度：盲孔、通孔；还可以选择孔的类型：简单、锥形、沉头、埋头、倒钻；在螺纹参数里也有相应的螺纹规格可以选择。“孔”功能作为一个单独的工具从“凹槽”工具里被剥离出来，这对于设计人员是非常人性化的，设计人员不用在为一些标准的螺栓孔去翻查手册，然后单独绘制，可以说非常省时省力，并且准确。最后利用“圆弧阵列”工具将第一个螺栓孔阵列，再将一侧6个螺栓孔用“镜像”工具对称复制到滚轮的另一侧；再利用“倒角”工具将滚轮需要倒角的地方倒角，零件滚轮的实体模型就创建完成。
在所有的零部件模型创建完成后，进入CATIA的装配模块进行零部件的装配。CATIA中的装配功能提供给用户多种方法进行装配约束，例如接触约束、同轴约束、距离约束等，小到螺钉螺母大到整架飞机都可
以在装配平台上进行装配设计，这也就是所谓的虚拟样机。
悬臂轮总成的装配爆炸图，在爆炸图中可以较为清晰表述出各零部件的装配关系，需要注意的是：产品、部件和零件之间的逻辑关系，在装配设计中，树形图上的最上一级为产品，下一级为部件，部件的下一级为零件。使用“桌面”命令，CATIA将按照产品、部件和零件之间的逻辑关系把CATIA已经打开的所有文件排列成树形图的形式，方便用户管理和组织文件。当产品在不同计算机之间切换时，常常由于零部件文件目录位置的改变导致错误，这时通过“更新”命令重新确定零部件文件的链接位置方可正常打开文件， 这在装配设计中是易出现错误的地方，需要值得设计者注意，一个较大的水工金属结构总成，往往并不是由单一的设计者完成，每一个设计者也许面向的只是某一局部的组件，在所有的组件装配好后，再进行总体装配，所以保持树型逻辑关系的完整性是尤为重要的；此外，在产品存盘时由于产品中零件的数据独立存储在另一个文件中，产品存盘会激活其零件的保存，因此，应使用保存管理命令避免这个问题。
在模型的装配完成后，可以利用“装配分析”工具来检查产品设计中的错误，对产品中不完善的地方进行修改。干涉分析是是装配分析中比较重要的功能 利用它可以对装配好的产品进行空间分析，以检测出产品中空间冲突之处，显示检测到零件“轴”的轴肩处与零件“轴端挡板”之间存着接触，此时设计者只需双击树形上需要修改的零件，即可进入零部件设计平台，对零件进行修改，修改后，装配的产品会自动做相应的修改，无需设计者再对此零件进行操作。这就是参数化实体造型的优点。通过这样的反复操作，产品的数字模型就建立起来了。
4、基于CATIA的结构有限元分析。
可以看出CATIA V5在机械设计方面的功能比较强大的，但机械设计只是软件功能的一部分。对于从事水工金属结构设计的工程师来说，CATIA的自动网格划分和有限元分析也有很大的吸引力。在产品设计完成后，对于产品能否满足强度要求，就要对产品进行应力与应变分析，以往设计者往往需要将此部分的工作利用其它有限元分析软件单独进行，现在在CATIA V5中集成了有限元分析的功能，设计者可以在产品的设计过程中随时对结构进行应力应变分析，以便对结构随时进行修改。由于CATIA软件的网格划分是自动进行的，因此，有时候设计者并不需要完全了解有限元分析的内涵，这对于侧重工程设计的工程师来说这是非常有吸引力的。
下面对悬臂轮的主要受力零件“轴”，利用CATIA的通用结构有限元分析模块（Generative StructuralAnalysis）进行分析。悬臂轮轴是一个轴端受集中载荷和扭矩的简支结构。
将零部件模型“轴”赋予材料属性，选择钢steel，然后进入通用结构有限元分析模块，首先定义全局网格的大小，此处定义的为15mm，CATIA有限元分析中用于3D的单元是四面体网格，且划分是自动的。如同其他相关有限元分析软件，依次加载边界约束条件，载荷条件，就可以进行求解。在后处理中，设计者可以通过相应的菜单观察结构网格划分的情况，以及显示结构的等效应力、应变云图。可以看出最大的等效应力出现在支承的左侧截面，这与材料力学求解的情况是一致的，最大的等效应力为64.6MPa，这与实际计算结果的60MPa是非常接近的，并且可以看出在此危险截面处的最大应力是在安全范围内的，这也就是说轴的强度可以满足要求。 由此可以看出在设计过程中设计者可以随时对产品或者零部件进行简单的有限元分析，找出结构中薄弱或者不合理的地方，进行修改。
同时，基于CATIA所建立的模型可以另存为许多通用的3D格式，以便后期将产品导入更加专业、全面的大型通用有限元分析软件中进行分析。
5、基于CATIA的工程图设计。
工程图设计是CATIA的重要组成部分，目前对于大多数水利设计院来说，都要以工程图的形式在不同的部门和生产厂家之间交流。在CATIA中存在着创成式工程图设计和交互式工程图设计两种方式，创成式工程图设计可以从3D零件和装配件生成相关联的2D图纸，2D图纸和3D主模型之间的关联性使设计者可以进行模型设计与图纸标注的并行工作；并且设计者对3D主模型进行的修改会反映到2D的工程图当中，而无需设计者干预，这样就可以让设计者把所有的精力都放在产品设计上，而无需进行繁复的制图工作。交互式工程图设计可以在二维环境下对创成式工程图工作台所生成的工程图进行编辑，以符合相应的国家制图标准，以及满足不同生产厂家对图纸的要求，从而实现了从三维设计到二维设计的无缝连接。CATIA生成的工程图可以保存为CATIA的CATDrawing格式，也可保存为通用的DWG或DXF格式，以便不同的CAD软件之间进行数据交换。
6、小结。
CATIA V5解决方案覆盖了产品开发的整个过程，给设计者提供了完备的设计能力。从水工金属结构的规划布置设计到最终产品的形成，从单个零件的设计到最终虚拟样机的建立，CATIA以其精确可靠的解决方案提供了完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段。本文以某水工钢闸门的悬臂轮装置为例，基于CATIA软件实现该装置的三维零件设计、装配、干涉分析、有限元分析、工程制图、数据转换一体化，覆盖了产品设计的整个过程。此外，作为一个完全集成化的软件系统，CATIA将机械设计、参数设计、工程分析及仿真、数控加工和CATweb网络应用解决方案有机的结合在一起，有待于我们作进一步研究。总之，利用现代设计技术进行水工金属结构的一体化设计与仿真，可以缩短产品研发周期，减少产品开发费用和成本，提高产品竞争力和质量，具有非常重要的现实意义和巨大的工程应用价值。
参考文献：
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