倒虹吸工程CAD参数化三维设计研究

步步高

［摘 要］针对典型倒虹吸工程，提出了一种基于知识工程的参数化三维设计方法，这种参数化设计方法通过为产品建立一个产品知识库，完成参数化设计的尺寸驱动和特征驱动，是一种智能化CAD，它将有效地促进设计生产效率提高。通过CATIA软件实现该参数化设计，并结合典型倒虹吸探讨这种参数化设计方法在水工建筑物设计的应用情况。
［关键词］倒虹吸 三维设计 CATIA 知识工程 参数化设计
CAD/CAM技术发展至今，已经历了二维绘图、线框模型、自由曲面造型、三维实体造型、特征造型等重要的发展阶段，其间又有参数化、变量化等辅助技术的出现。参数化设计是CAD技术在实际设计应用中被提出来、并得到发展的、有着强大实用价值的技术。知识工程是一门新兴的边缘学科，它以研究知识信息处理为主，并提供开发智能系统的技术，是人工智能、数据库技术、数理逻辑、认知科学、心理学等学科交叉发展的结果。针对目前典型的倒虹吸设计来说，在一个大的调水工程中，需要布置很多的倒虹吸，而每个倒虹吸它的大体形状基本类似，唯一的区别就在于它的尺寸、高程等信息不一致。本文探讨运用知识工程原理指导典型倒虹吸的参数化设计，将倒虹吸的知识融于设计过程中。CATIA知识工程顾问模块能让设计人员把倒虹吸的设计知识用知识工程原理表达出来，方便地指导设计人员完成倒虹吸设计、方案比较，并体现最佳的设计实践，最终实现智能化CAD。
一、参数化设计原理
参数化设计是利用原有设计，提取一些主要的定形、定位尺寸或数量等数据作为自定义变量，修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其它相关尺寸，即可得到所需的新的设计产品。
在CAD中要实现参数化设计，参数化模型的建立是关键。参数化模型表示了零件图形的几何约束和工程约束。几何约束包括结构约束和尺寸约束。结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对称等；尺寸约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、半径尺寸等。工程约束是指尺寸之间的约束关系，通过定义尺寸变量及它们之间在数值上和逻辑上的关系来表示。
在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。
二、在CATIA知识工程顾问中实现参数化设计的方法
CATIA软件是Dassault Systemes（达索公司，IBM战略合作伙伴）进行工程数字化设计、分析的高端软件产品，诞生于70年代末，即CAD刚刚产生的年代，目前主要应用于航空、汽车、机械制造行业的CAD/CAM。
CATIA知识工程顾问模块，就是一个基于知识工程的模块。它能有效地把产品的知识库结合到产品的开发设计中去，能使设计人员在确保提高设计效率的同时，遵循最佳的设计实践。
CATIA知识工程顾问模块能将隐含的设计实践嵌入整个设计过程，并转化为明确的知识。设计人员可以把在产品设计中涉及的行业设计标准、尺寸关联、尺寸约束、特征关联等信息，用CATIA知识工程顾问模块提供的公式（Formalus）、规则（Rules）和检查（Checks）等方法表达成模块化的面向对象的高级语言代码，其中Formalus选项中可以通过函数公式表示待定变量与自定义变量和其它一些参数之间的关系，即借助函数公式驱动尺寸值。Rules 选项可以通过编写程序代码，有条件地改变尺寸的值，有条件地激活或隐藏特征，从而实现尺寸驱动和特征驱动；同时我们还可以使用Rules来绘制我们的函数曲线。Checks选项可以着重标明在校验过程中涉及的参数，从而方便地确认违反了哪一条行业设计标准或违反了哪一条设计约束，并立即提示设计人员出错，需修改设计。若设计人员没有及时修改设计或修改仍未符合设计标准和设计约束，该检查将始终显示警示图标，直至设计人员修改符合校验条件，保证我们的设计是符合行业的设计标准。这样CATIA知识工程顾问就使设计人员把设计中相关联的信息集成起来，有效地表达成为详细的知识，从而实现了包含尺寸驱动和特征驱动的参数化的设计。
在CATIA V5R16中利用CATIA知识工程顾问模块实现开发设计的步骤如图1所示。另外在CATIA V5R16的知识工程顾问模块中设计应注意以下几点。
（1）特征树中，检查是否有Parameters和Relations两项，若没有则在Options对话框中打开Tools→Options→Mechanical Design→Part Design→Display→Parameters、Relations和Tools→Options→General→Parameters→Knowledge→With Value、With Formula。
（2）在Parameters中添加变量应恰当。在设计中，应根据实际的设计需要选择那些对产品的结构、形状和位置等起决定作用的尺寸和数量定义为变量，且数目不宜过多。定义适当的变量后，其它尺寸就可以由它们和其它相关参数之间的关系通过公式(Formalus)确定出。这样当修改一些变量时，系统立即自动根据与它们相关的函数公式计算出相应的尺寸值，并修改设计。
设计完成后，只需在特征树的Parameters项中修改变量的值，即可实现包含尺寸修改和特征修改的参数化设计目标。这时Formalus中的设计将参数化地改变其他由公式函数计算出来的尺寸和特征，如果有需要添加了规则和检查时软件会自动检验产品是否符合设计要求，并及时与设计人员对话，给出适当的建议，让设计人员对设计作出进一步调整。
三、典型倒虹吸参数化三维设计过程
倒虹吸是当水渠穿越道路或渠道等障碍时，利用连通器的原理，让水流在道路或渠道下面的封闭管道利用高差流过，相互之间各行其道，互不干扰的一种水利行业常见的建筑物。倒虹吸又分为渠渠交叉倒虹吸、左排倒虹吸、河道倒虹吸、渠道倒虹吸等。常见倒虹吸通常由上下游两侧的渠道、防护段、斜坡段等渠道式建筑和出入口水平底板、翼墙、以及中间管状的洞身段组成，翼墙由圆弧式翼墙和变坡式等翼墙形式，洞身段也有水平洞身与反弓型洞身之分。倒虹吸所用材料一般有混凝土的底板、洞身、浆砌石的渠道，以及素混凝土、碎石等垫层组成。倒虹吸的设计内容包括体型设计、开挖量计算、回填量计算等等。
以典型的圆弧式翼墙水平洞身倒虹吸设计为例，使用本文论述的参数化设计方法来设计倒虹吸的过程和主要步骤如下：
(1)参数提取
根据倒虹吸的常规设计经验提取出必要的参数如出入口宽度、施工缝宽度、上游河道底高程、入口高程、边坡比、上游底面斜坡比等，并建立相应的变量；另外根据已有的参数，利用公式(Formalus)建立一些由已知参数相互计算出来的参数如入口段斜坡水平方向长度、入口段水平方向长度等。
(2)模型制作
根据参数建立必要的辅助点线面，分段绘制各个断面的草图，由草图通过拉伸、旋转、多截面等命令绘制出倒虹吸的防护段、斜坡段、底板、翼墙、贴坡、洞身、垫梁以及相应段的素混凝土、碎石垫层等模型，如图2所示。
(3)出图
利用CATIA的Drafting模块中Front View命令可以通过选取某一个面作为正视图，利用Offset Section View、Offset Section Cut等命令可以在正视图中通过简单的一根线条就能自动地绘制出相应的截面视图、剖面视图，如图3所示。
(4)地形数据以及地质数据
通过CATIA其他模块可以将地形地质数据导入，设计出开挖面，回填面，即可将整个工程的最终结果体现出来，通过CATIA中Measure Item命令即可测量出工程的开挖量(分不同材质的量)、回填量以及建筑物不同部位的工程量，如图4所示。
(5)工程结构分析
CATIA提供了一套既适于设计人员又适于专业分析人员使用并且经过工业验证的有限元分析解决方案，用来作为设计人员进行决策的辅助工具，设计人员不需要进行传统有限元分析软件的前后置处理，只需在模型上添加载荷和约束，系统就可以对设计进行验证。CATIA的分析解决方案覆盖了工程分析的各个方面，包括线性的零件和混合装配分析、接触分析、屈曲分析、热机械分析、零件和混合模型的模态分析、可变形装配公差分析等。设计人员在一个非常直观的环境中，用户可以对设计进行自动的应力分析（包括接触应力分析）和模态频率分析。
此外与其他分析软件如ANSYS的接口，ANSYS软件本身可以直接导入CATIA的文件；ANSYS有相应的接口产品将ANSYS这个通用求解器集成到CATIA环境中，包括对ANSYS求解器生成的数据进行后处理，以便用CATIA科学管理模块进行描述。
四、初步应用情况
目前，这种参数化三维设计方法已在公司的多个项目中与传统的二维设计同步初步使用，体现了传统设计无法比拟的优势：
南水北调中线某工程中所需16个倒虹吸在使用传统二维设计时，需要三个月才设计完成，采用参数化设计时，不到十天制作了适合这16个倒虹吸所需的两个模板，完成模板后一天时间就可处理一个倒虹吸的地形地质数据导入，倒虹吸参数化生成，开挖回填设计，以及最后的出图与工程量提交的工作。随后在某个倒虹吸的水位信息或者尺寸数据需要修改时，只需要修改几个参数或者草图数据，就可以在几分钟只能完成所有的设计变换，出图、工程量计算等都是自动完成，这是传统二维设计所无法比拟的。
五、结束语
本文从典型倒虹吸的设计出发，利用CATIA的知识工程原理，设计出典型倒虹吸的参数化设计模板，也体现水工建筑物三维设计的一些思路，这种参数化的三维设计必将成为未来的设计发展方向。
参考文献
［1］张萌.CATIA机械机构设计.机械工业出版社，2006.
［2］王致明,杨旭,平海涛.知识工程及专家系统.化学工业出版社，2006.
［3］王霄,刘会霞.CATIA逆向工程应用教程.化学工业出版社，2006.