本文探討了以二維工程圖實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系三維實(shí)體的相關(guān)建模方法。

　　我國(guó)的CAD/CAM技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始以來，經(jīng)過不斷的發(fā)展和推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。少數(shù)大型企業(yè)已建立起比較完善的CAD/CAM系統(tǒng)。一些中小型企業(yè)通過應(yīng)用CAD/CAM在提高勞動(dòng)率方面取得了顯著成效。在各類CAD系統(tǒng)中，AutoCAD以其強(qiáng)大的平面設(shè)計(jì)功能、精確的繪圖功能以及開放的體系結(jié)構(gòu)等在工程界擁有廣泛的用戶群。在目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中，使用二維工程圖雖然仍是很多企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的重要手段，并且許多企業(yè)都擁有大量的二維圖紙資源。但二維CAD軟件有其功能局限性，因此三維CAD軟件正逐漸被人們接受?，F(xiàn)在不少設(shè)計(jì)單位都已陸續(xù)開始建立三維參數(shù)化的模型和模型庫(kù)，并把它和原有的二維資源整合，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的數(shù)據(jù)交換和共享。其中，SolidWorks軟件以其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能、易學(xué)易用、價(jià)格便宜等特點(diǎn)在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。

　　基于三維實(shí)體模型的CAD/CAM/CAE技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于航空、航天、汽車等高技術(shù)行業(yè)，其對(duì)建筑領(lǐng)域，尤其是鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)日益成熟。

　　大空間復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)體系可以通過三維實(shí)體模型真實(shí)再現(xiàn)。由于目前大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工是基于AutoCAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，然而 AutoCAD的平面圖形由于其自身的平面圖形本質(zhì)，無法真正實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模。本文以國(guó)家大劇院的AutoCAD設(shè)計(jì)及施工圖為起始點(diǎn)，研究了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系三維實(shí)體建模的方法，以及利用三維實(shí)體模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)有限元分析的過程。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的三維實(shí)體模型的建模方法

　　現(xiàn)以國(guó)家大劇院鋼結(jié)構(gòu)殼體工程的鋼精架，編號(hào)為AR-002的一榀桁架為例來說明三維實(shí)體建模方法。

　　AR-002桁架的三維實(shí)體模型，如圖1所示。

　　1.1用SolidWorks打開CAD文件

　　該桁架在委托方提供的CAD圖中由三部分組成，在圖紙中的編號(hào)分別是ARC-007 , ARC-008和ARC-009。

　　先將文件ARC-007. dwg用AutoCAD軟件打開，把需要實(shí)體建模的部分復(fù)制、粘貼到SolidWorks的實(shí)體建模的環(huán)境中，作為在SolidWorks草圖設(shè)計(jì)的幾何參考數(shù)據(jù)，如圖2所示。

　　由于SolidWorks是一個(gè)基于三維造型的設(shè)計(jì)軟件，它的特征識(shí)別技術(shù)可以將數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換智能化，使它可以讀取其他CAD系統(tǒng)的幾何模型，且自動(dòng)識(shí)別原有的特征和設(shè)計(jì)歷史。在委托方提供的工程圖紙中，由于只是出于表示析架整體形狀的需要，并沒有給出精確參數(shù)化的圖形。這從圖3的比較中就可以清晰地看出，其底座的中心線距離應(yīng)該是2 115 mm，然而在CAD軟件中繪出來的卻是2 121 mm。

　　工程圖紙中大量存在幾何尺寸的不精確表達(dá)，圖3僅給出此類幾何尺寸不精確表達(dá)的一個(gè)例子，其他還有很多的尺寸和實(shí)際尺寸無法匹配的地方。

　　利用SolidWorks草圖的幾何約束與修正功能，完成了不匹配的幾何元素的約束修正過程。使得修正后的幾何尺寸和實(shí)際尺寸一一對(duì)應(yīng)，得到精確幾何尺寸描述的SolidWorks草圖后可以利用SolidWorks的特征建模功能完成結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模。

　　1. 2利用SolidWorks軟件建立三維實(shí)體模型

　　由于圖2所示的草圖上附加標(biāo)注太多，導(dǎo)致無法得到清晰的結(jié)構(gòu)草圖，因此，先把該草圖投影到另一張草圖上并注意焊縫的位置，如圖4所示。

　　仔細(xì)觀察圖4，可以發(fā)現(xiàn)很多地方的幾何圖素缺乏可靠的約束，甚至是十分粗糙，如圖5所示。由此可見，委托方提供的CAD施工圖中很多幾何元素呈現(xiàn)交叉、重復(fù)、連接點(diǎn)斷開的現(xiàn)象。

　　如此不精確的幾何約束在三維參數(shù)化實(shí)體建模尤其是在后續(xù)的有限元分析中是絕對(duì)不允出現(xiàn)的。所以，在SolidWorks軟件中對(duì)該草圖的線條交叉、重疊，連接點(diǎn)斷開等問題進(jìn)行修正。圖形的應(yīng)用比例尺取為1:1，以便實(shí)現(xiàn)真實(shí)結(jié)構(gòu)的安裝模擬。得到有精確幾何約束的草圖之后，利用SolidWorks拉伸特征，得到最終的幾何模型，如圖6所示。

　　另外的兩個(gè)部分，用上述同樣的方法，得到三維參數(shù)化幾何模型，分別如圖7與圖8所示。

　　利用SolidWorks的裝配功能，可以實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裝配過程，得到圖1所示的三維實(shí)體幾何參數(shù)化模型。

　　建模過程中可以發(fā)現(xiàn)有些按照原施工圖紙繪出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配不起來，如在繪編號(hào)為ARC-009的一福析架時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裝配誤差，如圖9所示。如果鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何尺寸按照?qǐng)D紙上的幾何尺寸生產(chǎn)加工，在不考慮加工誤差的情況下，同時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)受力影響，則SolidWorks的裝配過程完全真實(shí)模擬了結(jié)構(gòu)安裝的情形，圖9就表明了以上三福析架最終的安裝結(jié)果。如果在考慮加工誤差的情況下，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)受力影響，則三榀桁架的安裝結(jié)果一般會(huì)出現(xiàn)更大的安裝誤差。這表明，二維設(shè)計(jì)圖、二維施工圖只是較好表達(dá)了設(shè)計(jì)、施工的某些需要，幾乎沒有考慮結(jié)構(gòu)安裝所必需的精確幾何特征，因此幾乎無法預(yù)測(cè)安裝誤差。本文建立的結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型叮以有效地完成結(jié)構(gòu)安裝的數(shù)值模擬過程，這正是實(shí)體建模的重要優(yōu)勢(shì)之一。

　　桁架的模型建好后，結(jié)合其結(jié)構(gòu)部分的建模，就可以真實(shí)模擬安裝的過程，安裝的結(jié)果如圖10所示。

　　2基于三維實(shí)體模型的精細(xì)有限元分析模型

　　COSMOS是SRAC推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件，現(xiàn)已與SolidWorks集成，成為一個(gè)綜合的開發(fā)環(huán)境，并在SolidWorks的環(huán)境下為設(shè)計(jì)工程師提供了比較完整的設(shè)計(jì)分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE)，工程師能非常快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證。

　　下面給出了利用COSMOS軟件實(shí)現(xiàn)該榀桁架的精細(xì)有限元分析的過程，用以表明三維實(shí)體模型在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)精細(xì)分析的潛力。

　　2.1定義約束和力

　　在安裝的時(shí)候，析架會(huì)由于重力作用出現(xiàn)安裝誤差，必須在安裝之前，進(jìn)行分析，以減小安裝誤差?，F(xiàn)在來分析該棍析架在重力作用下的受力狀態(tài)。首先，把該棍析架的底座固定住，并施加重力，如圖11所示。

　　2.2網(wǎng)格劃分

　　采用自適應(yīng)法劃分網(wǎng)格單元，采用曲面的外殼網(wǎng)格，如圖12所示，在支撐段和梁桿的接口處細(xì)分網(wǎng)格，以獲得足夠高的計(jì)算精度，如圖12所示。

　　2. 3剛度方程求解

　　利用FFEPIu，解算器完成剛度方程求解，可以得到各種有限元分析結(jié)果(圖13、圖14 ) 。

　　從位移分析圖(圖14)可見，僅在自身重力作用下，該福拓架頂端的豎向位移已經(jīng)達(dá)到1.172 m。通過三維實(shí)體建模和精細(xì)的有限元分析，工程師可以真實(shí)地模擬安裝的過程，并對(duì)安裝過程中出現(xiàn)的問題做出預(yù)測(cè)，以減小安裝誤差，避免安裝失敗。

　　3結(jié)論

　　從目前我國(guó)各設(shè)計(jì)院的實(shí)際發(fā)展情況來看，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般還是使用二維CAD系統(tǒng)，二維工程圖仍然是設(shè)計(jì)和分析的依據(jù)。當(dāng)需要對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行精細(xì)的有限元分析及復(fù)雜的施工模擬時(shí)，必須首先建立復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的精細(xì)有限元分析及施工過程的數(shù)值模擬，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的自動(dòng)加工過程。