CATIA在水工隧洞三维设计中的应用

1、 catia在水工隧洞三维设计中的应用 摘要：由于我国水利水电工程的快速发展，水工隧洞设计工作已经引起相关部门的重视，通过做好水工隧洞设计工作，不但能够提高工程项目施工的安全性，而且有效保证水工建筑物的整体质量。catia应用软件, 可以帮助工程设计人员在全三维 可视化环境下设计产品, 并对产品在整个生命周期内进行跟踪管理关键词：catia; 三维设计; 水工隧洞在水利水电工程建设过程中完成水工隧洞施工之后，必须要运用混 凝土材料来进行隧洞封堵，使堵头和周围的围岩或混凝土形成一个完整 的封闭体系，以此来承受不同水位下的荷载。水工隧洞堵头的设计质量和施工质量直接影响到整个工程的安全性和稳定性。因

2、此，在水工隧洞 设计过程中，设计单位必须要对水工隧洞堵头设计工作高度重视，针对 不同围岩的工程地质和水文地质条件，结合已有支护或衬砌情况，以及 相邻建筑物的布置及运行要求，具体情况具体分析，在设计过程中不断积累经验，不断提高堵头设计工作的质量。一、水工隧洞设计方法1、结构力学设计方法。对于结构力学设计方法的应用，是在隧洞结构力学基础理论知识前提下，充分的考虑水工隧洞水文条件和地形地质等情况，建立力学模型辅助设计。对于该项设计方法的应用，最明显的特征便是有明确的设计目标和清晰的设计思路，可有效保障水工隧洞相关施工方案的合理性以及科学性，有益于施工效率的提升。2、有限元分析设计方法。对于有限元分析

3、设计方法的应用，主要是利用对单一变量法的控制，对影响施工隧洞设计内外因素进行详细的分析，可将隧洞设计的科学性进行提升。对于该设计方法的应用，具有非常强的匹配性和实用性。在应用的过程中，要针对洞内实际荷载的情况进行分析，针对围岩和锚杆等荷载能力实施详细的计算，并依据最终的计算结果，调整好隧洞当中的开挖厚度和弹性抗压能力。对于该项设计方法的应用，在施工方案比较清晰的隧洞施工当中比较适用，依据相应的设计需求，可将设计方案的可控性以及可行性进行提升，所以该项设计方法也是主要的设计方法。3、预期设计方法。该项设计方法为依据水工隧洞的具体施工方案进行设计的，在正式施工之前，要做好相应的预判和预测工作，如施

4、工产生的成本、进度以及质量等，有益于保障施工的进度及质量。在实施预测和预判时，要高度关注整体布局的合理性等。对有转弯段的隧洞进行转弯半径确定时，如果工程施工周期比较长，要做好对转弯半径的合理把控，同时还应该对辅洞和支洞的设计以及施工过程引起足够的重视，以便在确保施工质量的前提下提高施工进度。4、功能反馈设计方法。该设计方法需要使用当前先进的设计以及检测技术，可将水工隧洞功能要求的设计方法进行详细的调整，使其能够不断的完善。在对这种方法进行设计的时候，一定要提前对施工现场具体情况进行充分的了解和掌握，采集施工中出现的新问题，不断对设计方案进行优化完善，提升设计方案的合理性，可更好地避免相关施工质

5、量问题的产生，同时也可以有效提升工程施工效率。二、模板建立与调用1、模板建立。过去在水工隧洞设计过程中, 往往会遇到以下问题: 二维设计过程中不能对多条隧洞进行有效地组装和干涉检查, 使检查过程复杂化; 隧洞进水口、洞线、洞形等诸多调整需要重新计算工程量, 重复性工作量较大; 在设计过程中,需要根据地质条 件来分析并调整隧洞, 二维设计可视化程度不高, 不直观, 调整较为麻烦且不精确。catia 软件可将数十张二维图转化为真实、可视的三维模型, 并通过参数化的模板文件方便地进行方案的变更。参数化设计通过提取结构中一些主要的定形、定位或装配尺寸参数作为自定义变量,利用公式、规则、检查等方式将模型

6、 关联化,可以方便地创建一系列形状相似的建筑物。 知识工程将一些经验公式、分析算法、优化计算、条件控制等智能知识打包到一个盒子中, 留出条件输入的参数接口, 使得设计人员只需明确目标模型所属的类型, 输入控制目标模型具体细节的关键参数,调用打包在模型内部的一系列计算公式及判断条件, 即可自动进行一系列内部运算与调整, 快速生成符合用户设想的几何模型。利用知识工程规则对有压隧洞是否有调压井进行条件控制,代码如下:模板是整个三维设计中的重要组成部分, 模板建立必须符 合水工结构规范设计要求。常用的隧洞形式有圆形、城门洞 形、马蹄形等, 提取隧洞体形的主控参数作为自定义变量, 建立 主控参数间的相关

7、关系并进行一系列计算。以建立隧洞截面 类型 ( 将隧洞的常用类型均包含在内 )参数为例, 添加字符串类 型变量并命名为圆形、城门洞形、马蹄形等, 利用知识工程规 则, 将该参数的选择加以限制。 catia 中规则功能简单易懂, 整个过程使用 vb script语言来实现。if 截面类型 = = 圆形 洞身段草图集 洞身内轮廓选择 = 洞身段草图集 洞身 圆形内轮廓 洞身段草图集 洞身外轮廓选择 = 洞身段草图集 洞身 圆形外轮廓 if 截面类型 = = 城门洞形 。建立了/ 截面类型0参数, 应用模板时, 在规则限制 下, 不同的截面类型将调用不同的草图轮廓并生成相应的隧洞 实体。同样, 可以

8、通过其他尺寸参数控制隧洞其他草图轮廓, 如/ 隧洞衬砌厚0、/ 隧洞圆形洞洞径0、/ 隧洞平曲线半径0等, 从而完成隧洞模板的建立。 1. 2 模板文件应用与调用 这里引入 udf 概念对模板文件进行应用, udf( user de- fined fea ture)是零件工作层面上的一种特征集合模板。用户可 以利用 udf自定义创建应用特征并保存在目录浏览器中 ( ca-t a log ), 并且可以选择插入y 用户特征来新建零件 udf。目录浏 览器模块对整个工程模板进行统一管理及调用, 管理建筑物模 板库见图 1。打开模板文件界面, 用户在使用模板文件时, 通过 单击菜单栏中工具选项下的目

9、录编辑器, 找到模板文件存放位置, 即可完成模板的调用。2、地质体建立。生成隧洞模板后,需要依据实际地形地质情况应用其进行 后续设计。在catia 中, 地形体建立需要将 cad 中地形等高线数据转化为点云 ( * . asc) 格式, 并导入/ d ig itized shape ed-i tor0模块中, 形成地表面, 然后导入勘探数据, 利用平面地质图和剖面图以及钻孔资料等对地表面进行细化, 得到最终的地质体。 cat ia v5 r20以上的版本可以根据需要对已经形成的 点、线、面、体进行修改, 与所修改的几何集相关联的几何元素 都会随之自动更新。例如: 如果后期钻孔数据有所增加, 则

10、可利用 / m eshm o rph ing0命令, 对前期已经形成的地质体进行修改, 修改后自动更新功能会形成新的地质体, 可在新建立的地质体上进行隧洞开挖体分析。将水工隧洞分为进水口、进口渐变段、洞身段、出口渐变段部分分别建模, 为便于不同工程应用, 在建模过程中, 充分考虑模板的通用性, 利用知识工程常用的知识元素公式、规则、设计表、检查等手段将设计标准、设计要求等限制条件嵌入到模板中。将工程建筑物的坐标、轴线等骨架元素发布给各个专业并组合, 构成该工程的整体骨架,再将设计的模板按骨架定位在工程地质体上, 从而构成该建筑物在地质体上的真实三维模型, 并结合地形进行工程量统计。可见, 骨架设计相当于不同工程与设计模板间的纽带。根据 cat ia制图标准化要求, 可以由管理员将制图系统环境进行规范化设置, 将一些统一的要求进行锁定, 防止用户更改, 从而达到规范化设计与管理的目的。总之，水工隧洞设计时，必须考虑隧洞的总体布置及功能功效的发挥，结合工程地质、施工方案、工期安排以及施工经验进行科学有效的设计，只有这样才能不断提升水工隧洞设计质量，才能对水工隧洞的