二維工程圖的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系三維實(shí)體建模方法

2013-05-19  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系由于其復(fù)雜的幾何形狀,無(wú)法使用兩維平面圖紙完全表達(dá),建立大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的三維實(shí)體模型已經(jīng)成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系,尤其是鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)分析的一種必然趨勢(shì)。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析、加工制造及施工過(guò)程數(shù)值模擬最重要的基礎(chǔ)。針對(duì)大部分實(shí)際結(jié)構(gòu)工程基于兩維工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)施工的具體情況,文中給出了基于兩維工程圖紙的實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型建模方法。結(jié)合國(guó)家大劇院結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型的建模過(guò)程,詳細(xì)闡明了建模過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案,并以此三維實(shí)體模型為基礎(chǔ),給出了重要子結(jié)構(gòu)的三維精細(xì)有限元分析,初步表明了三維實(shí)體模型在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的重要作用。
作者: 黃曦*王人鵬*羅永峰 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 鋼結(jié)構(gòu) Solidworks Cosmos 三維實(shí)體建模

我國(guó)的CAD/CAM技術(shù)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始以來(lái),經(jīng)過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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、航夭、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(guò)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(wú)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(guò)程。
   
    1、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的一棍析架為例來(lái)說(shuō)明三維實(shí)體建模方法。
   
    AR-002析架的三維實(shí)體模型,如圖1所示。
   

    1.1用SolidWorks打開(kāi)CAD文件
   
該彬架在委托方提供的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-049。
   
先將文件ARC-007. dwg用AutoCAD軟件打開(kāi),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(méi)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(lái)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(wú)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(guò)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。之后,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(wú)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(jiàn),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(kāi)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)不允許出現(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(kāi)等問(wèn)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(guò)程,得到圖1所示的三維實(shí)體幾何參數(shù)化模型。
   
建模過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)有些按照原施工圖紙繪出來(lái)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件裝配不起來(lái),如在繪編號(hào)為AR-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(guò)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,則三福析架的安裝結(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(méi)有考慮結(jié)構(gòu)安裝所必需的精確幾何特征,因此幾乎無(wú)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(guò)程,這正是實(shí)體建模的重要優(yōu)勢(shì)之一。

拓架的模型建好后,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(guò)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(kāi)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?？焖俚貙?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)該榻析架的精細(xì)有限元分析的過(guò)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(lái)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(jiàn),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(guò)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(guò)程,并對(duì)安裝過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)程。

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