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1.Catia參數(shù)化建模思路

1.1.逆向建模

現(xiàn)階段我們是運用大壩的CAD二維圖來畫三維圖，也就是說先有二維圖，后有三維圖；基于CATIA的逆向建模是先建模，再出二維圖。

1.2.骨架設計

在傳統(tǒng)的三維設計包含兩種設計模式：

①自下而上的設計方法是在設計初期將各個模型建立，在設計后期將各模型按照模型的相對位置關系組裝起來，自下向上設計更多應用于機械行業(yè)標準件設計組裝。

②自上而下設計的設計理念為先總體規(guī)劃，后細化設計。

大壩骨架設計承了自上而下的設計理念，在大壩三維設計過程中，為了定義各建筑物相對位置關系，骨架包含整個工程的關鍵定位，布置基準，定義各個建筑物間相關的重要尺寸，自上向下的傳遞設計數(shù)據(jù)，應用這種技術就可更加有目的，規(guī)范地進行后續(xù)的工程設計。

1.3.參數(shù)化模板設計

一、參數(shù)化設計基本原理

參數(shù)化設計基本原理：建立一組參數(shù)與一組圖形或多組圖形之間的對應關系，給出不同的參數(shù)，即可得到不同的結構圖形。參數(shù)化設計的優(yōu)點是對設計人員的初始設計要求低，無需精確繪圖，只需勾繪草圖，然后可通過適當?shù)募s束得到所需精確圖形，便于編輯、修改，能滿足反復設計的需要。

①?參數(shù)（Parameter）是作為特征定義的 CATIA文檔的一種特性。參數(shù)有值，能夠用關系式（Relation）約束。

②?關系式（relation）是智能特征的一般稱謂，包括：公式（formulas）、規(guī)則（ rules）、檢查（checks）和設計表（design tables）。

③?公式（formulas）是用來定義一個參數(shù)如何由其他參數(shù)計算出的。

④?零件設計表：設計表是 Excel或文本表格，有一組參數(shù)。表格中的每列定義具體參數(shù)的一個可能的值。每行定義這組參數(shù)可能的配置。零件設計表是創(chuàng)建系列產(chǎn)品系列的最好方法，可以用來控制系列產(chǎn)品的尺寸值和特征的激活狀態(tài)，表格中的單元格通常采用標準形式，用戶可以隨時進行修改。

⑤?配置（Configuration）是設計表中相關的參數(shù)組的一組值。

⑥?超級副本（PowerCopy）：超級副本是一組經(jīng)過分組以用于不同上下文的特征（幾何元素、公式、約束等），它提供了在粘貼時根據(jù)上下文重新指定特征的能力。超級副本可捕獲設計者的設計意圖和知識技能，因此可以提高重用性和效率。

⑦?用戶特征（UDF）：在常規(guī)設計工作中，經(jīng)常會有類似相同的設計，只是設計所用數(shù)據(jù)不一樣；對于這種情況，可以用數(shù)據(jù)表控制數(shù)據(jù)源，在需要某數(shù)據(jù)時，指定相應數(shù)據(jù)；將以上重用數(shù)據(jù)表設計過程封裝成 UDF，并發(fā)布相應數(shù)據(jù)，達到重用設計的效果。

二、參數(shù)化模板設計主要技術特征

參數(shù)化模板設計主要技術特征是：基于特征、全尺寸約束、尺寸驅(qū)動設計修改、全數(shù)據(jù)相關。

①?基于特征：將某些具有代表性的平面幾何定義為特征，并將其所有尺寸存為可調(diào)參數(shù)，進而形成實體，以此為基礎進行更為復雜的幾何形體的構造。

②?全尺寸約束：將形狀和尺寸聯(lián)合起來考慮，通過約束來實現(xiàn)對幾何形狀的控制。造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點（全約束），不能漏注尺寸（欠約束），不能多注尺寸（過約束）。

③?尺寸驅(qū)動設計修改：通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變。

④?全數(shù)據(jù)相關：尺寸參數(shù)的修改導致其它相關模塊的相關尺寸得以更新。

大壩各剖面的草圖都可以用參數(shù)和公式表達出來，公式中包含參數(shù)，將公式與草圖邊線的約束相關聯(lián)，達到參數(shù)通過公式驅(qū)動圖形的目的。

我們將建好的大壩各部件的三維圖保存為模板，模板是CATIA V5知識工程的一個功能。知識工程是將一些諸如經(jīng)驗公式、分析算法、優(yōu)化計算、條件控制等智能知識打包到一個盒子中，只留出幾個條件輸入?yún)?shù)接口。設計人員在進行設計時，不需要關心盒子中到底有哪些內(nèi)容，而只需要知道目標模型所屬的類型及確定目標模型具體細節(jié)的關鍵幾個輸入?yún)?shù)即可。調(diào)用模型時，通過輸入?yún)?shù)，調(diào)用打包在模型內(nèi)部的一系列計算公式及判斷條件，自動進行一系列的內(nèi)部運算與調(diào)整，快速生成符合用戶設想的幾何模型。

1.4.裝配設計

裝配設計（Assembly Design）即產(chǎn)品的高效管理和裝配，它提供了在裝配環(huán)境下可由用戶控制關聯(lián)關系的設計能力，通過使用自上向下和自底向上的方法管理裝配層次，可真正實現(xiàn)裝配設計和單個零件設計之間的并行工程。裝配設計通過使用圖形化的命令建立機械設計約束，可以直觀方便的將零件放到指定位置。

1.5.二維圖制作

CATIA的二維工程圖是由三維模型向各方向的投影視圖以及相關輔助視圖組成的。其最大優(yōu)勢在于二維圖能與三維設計模型相關聯(lián)，即三維模型發(fā)生更改，二維圖可即時更新，不必像其他CAD軟件需要再重新繪制二維圖。

2.重力壩參數(shù)化建模

2.1.CATIA選項設置

確認“知識選項卡（“工具” >“選項” >“常規(guī)” >“參數(shù)和測量”）中的“帶值”和“帶公式” 復選框。如圖1 。

確認“顯示”選項卡（“工具” >“選項” >“零件基礎結構” >“顯示”）中的“外部參考”、“約束”、“約束”、“參數(shù)”、“關系”復選框。如圖2所示

2.2.參數(shù)和關系建立

①?建立參數(shù)：點擊“知識工程”工具欄上的“f（x）”命令會出現(xiàn)圖3，選擇參數(shù)的類型，比如：“長度”，再點擊“新類型參數(shù)”新建一個長度參數(shù)，并賦值。

②?建立關系：關系是參數(shù)與圖形連接的橋梁，參數(shù)通過關系關聯(lián)圖形，以此來驅(qū)動圖形。最常用的關系是公式，如圖用上文建立的參數(shù)“長”通過公式來關聯(lián)一條直線的長度。先在XY平面新建一個草圖，畫一條直線，用“約束”工具欄中的“約束”命令進行標注，如圖4，，選定尺寸標注單擊右鍵，在“長度對象”下拉找到“編輯公式”命令，如圖5，單擊后會彈出一個對話框，雙擊“’長’”即可將直線的長度與參數(shù)“長”關聯(lián)，這樣直線的長度將會等于參數(shù)“長”的值，如圖6。

2.3.骨架設計

重力壩的骨架可由“左（右）壩肩A（B）兩點”、“連接A、B兩點的壩軸線和垂直于壩軸線”和“過A點的0+000.00樁所在的平面”這三部分組成。將這三部分作為骨架發(fā)布出去，以此作為整個工程的關鍵定位和布置依據(jù)。在CATIA環(huán)境下，如果設計變更牽扯到壩軸線位置的調(diào)整，無需重新定位控制點A、B，只需更改控制點A、B的坐標，或者直接移動壩軸線，就能完成對壩軸線的調(diào)整，實現(xiàn)設計變更，如圖7。

2.4.重力壩結構劃分

現(xiàn)實中的重力壩是一個非常復雜的體型，如果不進行劃分，一方面體現(xiàn)不出擋水壩、溢流壩和內(nèi)部廊道等結構相互獨立的特征。另一方面參數(shù)繁多，難以確定，體現(xiàn)不出參數(shù)化的特點和優(yōu)勢，所以在重力壩模型對象的設計中，首先要考慮如何把復雜的重力壩進行合理地拆分，使之形成多個簡單的模型對象的組合。當把重力壩完全抽象為若干個對象的集合時，我們也就完成了對重力壩實體對象的劃分。

重力壩可簡單的分為：擋水壩段和溢流壩段兩部分，當然也包括廊道、排水管和帷幕等部件。

2.4.1.擋水壩段

①?建立參數(shù)：

重力壩擋水壩段的特征參數(shù)有“壩段起始樁號”、“壩段長度”、“壩頂寬度”、“壩頂高程”、“上游折坡高程”、“上游坡比”、“下游折坡高程”、“下游坡比”、“壩底高程”，用“f（x）”命令建立這些參數(shù)并賦值。

②?繪制草圖：

以“過A點的0+000.00樁所在的平面”為基準平面，偏移一個平面，偏移長度為參數(shù)“壩段起始樁號”，在這個新平面上繪制出擋水壩段的典型剖面，并將上述參數(shù)與剖面進行關聯(lián)，從而得到參數(shù)化的擋水壩段剖面，如圖8。

草圖中的V和H坐標軸是尺寸約束的參照基準，只有草圖中的圖像相對于V、H軸的所有位置關系都確定后，該圖形才能完全約束（無過約束也不欠約束）。

“過約束”是指一個元素被多個同一尺寸標注，此時過約束的元素會顯示“紫色”；“欠約束”是是指一個元素未被尺寸標注，此時欠約束的元素會顯示“白色”，如圖9。

圖形完全約束后，其尺寸和位置關系才能協(xié)同變化，系統(tǒng)會直接將尺寸約束轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)參數(shù)。草圖修改可通過編輯系統(tǒng)參數(shù)直接驅(qū)動幾何形狀的改變，為三維參數(shù)驅(qū)動提供基礎。

剖面草圖繪制完成后，將草圖進行“凸臺”得到一個壩段，凸臺的長度用公式關聯(lián)到參數(shù)“壩段長度”，如圖10?，F(xiàn)在可以通過更改那些特征參數(shù)即可驅(qū)動擋水壩段的圖形。如將參數(shù)“壩段長度”的值改為50mm（本次設計中比例為1：1000），更改參數(shù)后的圖形如圖11。

2.4.2.溢流壩段

重力壩溢流壩段剖面圖形由頂部曲線段、中間直線段和反弧段三部分組成。

溢流壩與擋水壩相比較，有其自身的結構特點，它的草圖結構要比擋水壩復雜了很多。擋水壩典型剖面相對簡單，可以運用草圖工作臺提供的繪圖命令直接完成典型剖面草圖的繪制。而溢流壩則不同，它的典型剖面中包含下游反弧段和堰頂下游堰面曲線—WES冪曲線等復雜的曲線，特別是WES冪曲線是不能通過草圖工作臺提供的繪圖命令直接繪制的。為保證WES冪曲線精準性，可以通過CATIA中規(guī)則曲線進行繪制。

WES曲線繪制

。以后通過修改這三個用戶參數(shù)，來實現(xiàn)對WES曲線形狀的控制。

”和“參考線長度”參數(shù)，在要繪制WES曲線的平面上，繪制一條水平參考線，長度通過公式關聯(lián)參數(shù)“參考線長度”；用“fog”命令新建一個WES曲線規(guī)則，規(guī)則中編輯如下公式，

y=-1*(1/k)` *'Hd'**(1-n)*(參考線長度` /1mm*x)**`n` 

，如圖12。

；自變量x的類型必須為實數(shù)，且CATIA中規(guī)定x的范圍是從0到1變化，所以要畫WES曲線，必須在x前面乘以一個系數(shù)，即參數(shù)“參考線的長度”。

fog規(guī)則建立完成后，將CATIA工作界面切換到“形狀的創(chuàng)成外形設計”中，選用“線框”工具欄中的“平行曲線定義”命令繪制WES曲線，如圖13，對話框中的“曲線”選擇“參考直線”，支持面選擇WES曲線所在平面，常量這一欄單擊“法則曲線”按鈕，彈出法則曲線定義對話框，選擇法則曲線類型為“高級”，法則曲線元素選擇新建的fog規(guī)則，繪制的WES曲線，如圖14。溢流壩剖面的其它曲線可按照繪制擋水壩剖面曲線的方法逐一繪制，對繪制的溢流壩剖面草圖進行“凸臺”（方法見擋水壩段），得到實體溢流壩段，如圖15。

2.5.模板設計

在上文中基于重力壩的擋水壩段和溢流壩段各自的特征參數(shù)建立了相關模型，而且可以通過更改特征參數(shù)實現(xiàn)圖形的變換。當設計其它重力壩時，想要調(diào)用這兩個圖形，則需要用到模板設計。將這兩個圖形保存為模板，外部調(diào)用時，只需要在CATIA模板庫中調(diào)用就行。下面介紹重力壩擋水壩段的模板設計，溢流壩段的模板設計可參照擋水壩段的模板設計。

擋水壩段的模板設計有三種途徑可以做到，分別為“超級副本”、“用戶特征”和“文檔模板”。

①超級副本

打開上文建立的重力壩擋水壩段的CATIA文件，將工作界面切換到“產(chǎn)品知識模板（PKT: Product Knowledge Template）”，具體操作是點擊“開始”>“知識工程模塊”>“Product Knowledge Template”。進入產(chǎn)品知識模板界面后，點擊“創(chuàng)建超級副本”命令，會出現(xiàn)一個對話框，對話框中有幾個選項卡?！岸x”選項卡中有“選定部件”和“部件輸入”，兩者是因果關系，部件輸入為因，選定部件為果，選定部件是我們要選中作為模板的元素，可以直接在樹上選中，部件輸入是繪制模板圖形的骨架元素，也就是基準元素，包括基準點、基準平面和基準直線。如圖16，“參數(shù)”選項卡中顯示了繪制模板所用的所有尺寸參數(shù) ，在這里我們可以將特征參數(shù)發(fā)布出去，作為可更改的參數(shù) ，如圖17。各選項卡設置完成后，點擊確定，在樹上便會增加一個超級副本。

②?用戶特征

用戶特征的使用方法與超級副本相同，如圖18

③?文檔模板

點擊“創(chuàng)建文檔模板”命令，會彈出一個對話框，對話框的“文檔”選項卡中默認選中當前的CATIA文件，如圖19，“輸入”選項卡也可以選中骨架元素，如圖20，“已發(fā)布的參數(shù)”選項卡是可以選擇需要更改的特征參數(shù)，點擊“編輯列表”命令，會彈出一個對話框，選中左邊“要發(fā)布的參數(shù)”，將它移到右邊“已發(fā)布的參數(shù)”中，如圖21。

2.6.重力壩裝配設計

重力壩的各部件保存為模板后，在先前設計的骨架下逐一調(diào)用各個部件模板進行裝配。本文以擋水壩段和溢流壩段裝配為例。

①骨架元素建立

在CATIA中新建一個“Product”文件，在“裝配設計”工作界面下，新建一個零件，并命名為“骨架元素”，在零件“骨架元素”中建立四個元素，即左（右）壩肩A（B）兩點”、“連接A、B兩點的壩軸線和垂直于壩軸線”和“過A點的0+000.00樁所在的平面，將左（右）壩肩A（B）兩點和過A點的0+000.00樁所在的平面（始0+000.00）發(fā)布出去，如圖22。

②擋水壩段和溢流壩段裝配

壩段裝配設計時需要調(diào)用上文中保存的部件模板，生成部件模板時有三種方式（超級副本、用戶特征和文檔模板），所以在調(diào)用模板時有相對應的三種方式。下面以超級副本的運用為例。

在裝配設計文件中，將CATIA工作界面設為知識工程中的“Product Knowledge Template”，單擊“從文檔實例化”命令，會彈出一個“選擇文件”對話框，在此我們選中上文建立的擋水壩段的模板，如圖23，單擊打開按鈕，可彈出“插入對象”對話框。對話框中的“參考”是指建立的“擋水壩段”超級副本模板，“輸入”是超級副本模板中的骨架元素，“選定”是與超級副本模板中骨架元素相對應的大壩骨架元素?！皡?shù)”是擋水壩段的可修改的特征參數(shù)，如圖24。選定骨架元素和更改參數(shù)后，單擊“確定”按鈕，即可得到大壩擋水壩段。按照同樣方法可生成大壩的其它壩段，如圖25。

③ 超級副本、用戶特征和文檔模板三者的異同點

超級副本: 能在一個product里的part里（product，part都可以雙擊選中）建立多個元素，可以并列也可以是子父級，且顯示的是整個原零件，包含輔助的平面和草圖。選定部件（要復制的模板）和輸入部件（定位）之間存在因果關系，輸入部件是選定部件的畫圖基準。要更改的參數(shù)是和其它參數(shù)在一起的。

用戶特征：能在一個product里的part里（product，part都可以雙擊選中）建立多個元素，可以并列也可以是子父級，且顯示的只是成果，沒有其它輔助平面或草圖。選定部件（要復制的模板）和輸入部件（定位）之間存在因果關系，輸部件是選定部件的畫圖基準。要更改的參數(shù)是和其它參數(shù)在一起的。

文檔模板：只能在product（雙擊選中）環(huán)境下導入，導入的是單獨零件，并列的，不能是子父級的，且顯示的是整個原零件，包含輔助的平面和草圖。選定部件只能是整個零件，輸入部件可以隨便選擇。要更改的參數(shù)是和其它參數(shù)不在一起，可以通過參數(shù)選項卡來顯示“用戶參數(shù)”或者“重命名參數(shù)”。

2.7.二維圖制作

由CATIA三維圖可生成多種二維視圖，如：正視圖、剖面圖、剖視圖、局部放大圖，現(xiàn)在以上文建立的三維體創(chuàng)建正視圖和剖面圖。

打開上文建立的三維體文件，進入工程制圖界面（“開始”>“機械設計”>“工程制圖”），在視圖選項卡上單擊“正視圖”命令，窗口上會有一個“在3D幾何圖形上選擇參考平面”的提示，如圖26，此時將工作界面切換到三維體界面，選擇正視圖投影的面，即可生成正視圖，如圖27。剖面圖是基于正視圖創(chuàng)建的，在視圖選項卡上單擊“偏移截面分割”命令，在需要剖切的正視圖上畫一條剖視線，如圖28，雙擊左鍵可以結束剖視線的繪制。單擊圖紙即可生成剖面圖，如圖29。

3.拱壩參數(shù)化建模

拱壩主要分為雙曲拱壩和重力拱壩，以雙曲拱壩為例，其主要結構為：基本拱圈體形、閘墩、表孔、中孔、底孔、廊道及其他細部結構。下面具體介紹拱壩基本體形的參數(shù)化建模。

3.1.拱圈方程

基本體型主要以拱圈曲線設計為主，常用的拱圈曲線主要為拋物線方程曲線、對數(shù)螺旋線方程曲線等。在[**Catia**](http://www.ugcad.com/brand-11.html)中通過方程曲線建立壩體控制高程得拱圈曲線，再利用多截面擬合的方式生成拱壩基本體形實體完成基本體形設計。

以拋物線拱圈方程為例，基本體形如圖30。

拋物線方程如下：

左岸上游面

右岸上游面

左岸下游面

右岸下游面

式中： Rdi和Rui分別表示下游壩面和上游壩面的拱端曲率半徑；

Odi和Oui分別表示下游壩面和上游壩面的拱端曲率中心坐標；

腳標中l(wèi)和r分別表示左半拱和右半拱。

3.2.新建拱壩基本體型特征參數(shù)。

特征參數(shù)主要包括拱圈平面的高程Z、 Ruli、Ouli、Ruri、Ouri、Rdli、Odli、Rdri、Odri、Xuri（上游壩面右拱圈的水平長度）、Xdri、Xuli、Xdli，拱圈行控制參數(shù)h。在這里我們新建頂層拱圈的相關特征參數(shù)，如圖31

由于拱壩每層拱圈大致相同，可定義為一個系列產(chǎn)品，而零件設計表是創(chuàng)建系列產(chǎn)品系列的最好方法，可以用來控制系列產(chǎn)品的尺寸值和特征的激活狀態(tài)，表格中的單元格通常采用標準形式，用戶可以隨時進行修改。上文建立的一組參數(shù)只是頂層拱圈的特征參數(shù)，在此可以創(chuàng)建一個EXCEL設計表記錄每層拱圈的特征參數(shù)。

創(chuàng)建EXCEL設計表：單擊“知識工程”工具欄上的“設計表命令”，會彈出一個“創(chuàng)建設計表”的對話框，選擇“使用當前的參數(shù)值創(chuàng)建設計表”，如圖32，單擊“確定”按鈕，會彈出一個“選擇要插入的參數(shù)”對話框，將左邊要插入的參數(shù)轉(zhuǎn)移到已插入的參數(shù)中，如圖33，點擊確定，會彈出“設計表屬性”會話框，如圖34，配置“選項卡”中有頂層拱圈新建的特征參數(shù)，單擊“編輯表”，會生成一個EXCEL表，表中輸入各層拱圈的特征參數(shù)，如圖35，保存EXCEL表，在“關系”樹上會多一個剛才新建的EXCEL設計表，雙擊“設計表”可以看到設計表中的內(nèi)容，如圖36。

3.3.繪制拱圈拋物線：

拋物線繪制方法與重力壩WES曲線繪制方法相同，首先新建相應的fog曲線，如圖37，其中x、y的關系式為各拋物線方程，新建參考線，再將[Catia](http://www.ugcad.com/brand-11.html)工作界面切換到“形狀的創(chuàng)成外形設計”中，選用“線框”工具欄中的“平行曲線定義”命令繪制拋物線曲線，如圖38，用同樣的方法分別繪制其它三條拋物線曲線，最終生成一個整體拱圈，如圖39。點開“關系”樹中的“設計表”選項，會有一個配置參數(shù)，選中單擊右鍵編輯公式，令“配置”=參數(shù)h，如圖40，配置的作用是顯示不同高程的拱圈，例如，將660m高程的拱圈定為第1個拱圈，依次定義其它拱圈，此時更改配置的數(shù)值可以顯示相應的拱圈，而不需要重復畫其它高程的拱圈。

3.4.拱圈模板設計

在重力壩模板設計中講述了三種方法（超級副本、用戶特征和文檔模板）保存模板，在此用“用戶特征”命令創(chuàng)建拱圈模板。

單擊“創(chuàng)建用戶特征”命令，彈出“定義用戶特征”對話框，在“定義”選項卡下的選定部件中選中拱圈所有元素，部件輸入中自動為XY平面（畫拱圈時以XY平面為基準），如圖41，在“參數(shù)”選項卡中將參數(shù)h發(fā)布，如圖42，最后單擊確定即可生成單個拱圈模板。

3.5.建立拱壩基本體型

新建一個CATIA文件，單擊“從文檔實例化”命令，選擇上文中保存的單個拱圈模板，選中之后會彈出“插入對象”對話框，在“選定”項中選中與“輸入”項中相對應的xy平面，在“參數(shù)”項中輸入?yún)?shù)h（h的范圍是從1到大壩典型拱圈數(shù)）的值，如圖43，同樣的方法依次改變參數(shù)h的值，最終生成拱壩的所有拱圈，如圖44，單擊“多截面實體”命令，彈出“多截面實體定義”對話框，依次選中所有的拱圈曲線，在“耦合”選項中，將“截面耦合”設為頂點，如圖45，單擊確定即可生成拱壩基本體型，如圖46。